风力发电组合变压器设计研究

风力发电组合变压器设计研究

董记斌,叶彪,张军海

单位：广州市一变电气设备有限公司

省市：广东省广州市 邮编：511450

摘要：随着社会的进步和发展，在新的时代背景下，可持续发展理念逐渐成为生产建设活动中的重要遵循，尤其是在能源的使用和消耗上，需要将这一理念贯彻和落实到实际中去，通过对可再生能源的开发，提高能源利用效率，为保护生态环境作出重大贡献。风力发电作为可再生能源的一种，它在应用中具有明显的优势，在电力行业的发展中逐渐得到广泛的推广和使用，从我国风力发电站运营的现实情况来看，无论是在数量上还是在质量上都呈现出明显的上升趋势。在风力发电过程中，往往需要使用到组合式变压器，它的设计质量直接关乎风力发电的效率，所以本文在研究中将主要围绕着风力发电成组合变压器设计展开，在对其具体阐述的基础上，为相关工作人员进行设计工作提供可行性建议。

关键词：风力发电；组合变压器；设计浅析；具体思路

引言：

随着我国可持续发展战略的进一步深化，电力行业在实际运营中，开始使用可再生能源进行发电，借助于风力作用达到供电的目的。我国在风力发电厂的投入上也不断增加，其在很长的一段时间内，将会保持稳定的增势，为了提高发电效率，在对风力发电厂进行研究和分析之后发现，需要做好组合式变压器的设计和规划，其质量将直接影响到整个发电厂的工作水平。而不同的风力发电系统对于组合式变压器的设计在形式上也存在明显的区分，所以本文在研究中将结合风力发电系统的特点，对于900kVA 环网型组合式变压器的设计和制造进行论述，以此为相关人员提供一定的参考和借鉴。

一、风力发电系统的种类与特点

（一）独立运行方式

风力发电主要是通过一定的方式，将风能转化为机械能，之后进一步施加影响，使机械能最终转变为电能的过程，独立运行的风电系统在实施分类的过程中，主要包括两种，分别是充电型和动力型，在实际应用中主要适用于机组容量较小的情况，( 通常在 5kW 及以下) 。

（二）并网运行方式

并网运行方式指的是在实际应用过程中，通过使用同步发电机或者是异步发电机，在其作用和影响下实现和电网的并联运行。在并网之后呈现出来的电压和频率大小往往是由电网所决定的。无穷大电网在牵制能力上表现的十分突出，而且能量吞吐能力也要远远大于其他的电网。并网后的风力发电机在输出电能的时候也存在明显的差异，一般是由风力大小影响和决定。在采用这种运行方式的过程中，必须使风力发电机能够得到并网和解列控制，在实施并网操作的时候，需要风力发电机的电压频率和电网保持一致才能进行。当风力发电机的风速没有达到一定的标准，在输出电能的时候进而产生对应的阻碍，就会从电网解列。

（三）多台风机组成风车田

由多台风力发电机组成风电联合实现向电网供电的目的，这种运行方式的使用是在现代化技术的影响下产生的，对风能资源的开发做到了最大化。风车田的运行通常要受到相关监控设备的监管，经常利用计算机技术展开，从而确保风机始终可以保持稳定的工作状态。从我国近几年在风电厂建造上的实际情况来看，很多都是采用风车田的运行方式。

（四）风力发电混合能源系统

混合能源系统指的是由两种或者是两种以上能源组成的供电系统，在实际运行过程中，需要至少有一种能源可以保持相对稳定的工作状态，这样整个系统在进行供电的过程中，才能做到稳定性和连续性的统一。例如风- 柴系统、太阳能系统与风力发电机构成的系统。

二、风电厂与电网的匹配

风力发电厂在实际运营中，发电机组通常是采用并网运行的方式，这就会对电网产生一定的影响。由于风力发电机的单机容量较小，一般是保持在2MW左右, 这就使得其对于电网的影响往往相对较小，在一定程度上可以忽略。但是对于风电厂而言，存在有几十台甚至上百台的发电机组，总装机容量甚至达到了几十万千瓦，这样它就会直接对电网发生作用和影响，而影响的大小在很大程度上和风电容量所占电网的容量比例相关。当风电比例小于百分之十的时候，它一般是不会对电网产生威胁的。风电厂对电网稳定频率的影响主要指的是在电网正式运行过程中，受到相关干扰从一个稳态频率到另一个稳态频率的情况，在此期间对于其中存在的频率变化不进行考虑。风力发电的不稳定性主要表现在间歇性和难以预计性两方面。当环境出现变化时，同样会对电网频率产生干扰和影响。但是需要注意的是，受到系统的补偿作用，当风力发电的占比较小时，它对于电网稳定性的影响常常是可以忽略不计的。风力发电机在平时运行的过程中，有时候会出现高频过电压，它往往会对发电器产生负面影响，在对风机进行设计的时候，采取的主要是阻容吸收网络的方式对电压回路进行消除，在实践中已经取得了较好的效果。阻容吸收网络在运营环节不允许电路中的电压发生突变，在其作用和影响下，过电压可以得到一定的降低。而且通过对电阻进行利用，使其在负载电路的高频震荡中可以实现对能量的使用和消耗，达到抑制过电压值的效果。当系统中不存在过电压冲击的时候，阻容吸收网络通常会处于一种断路的状态，在此期间，电容还尚未正式接入系统，所以可以保持相对安全和稳定的工作状态。当系统中存在的过电压值达到一定的限度，将会在工作中对高频过电压进行吸收，真正起到保护设备的效果，对其实施绝缘保护。而当其中的电压值偏大的时候，变压器就会受到较大的冲击，但是其工作状态始终是稳定的，在安全性上可以得到高效保证。阻容电路频率较高，它在性能的发挥上就可以更加完整，这一优势在一定程度上弥补了高频过电压响应差的问题

[1]。风力发电机组合式基础环的制作如图一所示。

  图 1：风力发电机组合式基础环的制作方式

三、风力发电对变压器的要求

风电专用变压器在实际应用过程中，主要的作用是将风力发电机中发出的电能通过科学的方式和手段，使其可以升压变为10kv或者是35KV，之后在埋地电缆的帮助下输送到对应的风电厂升压站。风电发电变压器在设计的时候，需要结合风电系统的特点进行，其通常可以总结为以下几点：

（一）变压器空载时间长

在使用风电进行发电的时候，常常要受到季节变化的影响，具有明显的季节性特征，变压器的年负载率平均只能达到百分之三十左右。所以，在对变压器进行设计的过程中，要求它的空载损耗尽可能保持在最低水平。即使在实际运用中，出现风机不转的情况，电网电压始终需要加在变压器上。当风机停止转动时，和风机相连的断路器就会在其作用和影响下自动断开，因此对风机本身性能的影响较低[2]。

（二）超铭牌容量运行时间少

通常情况下，变压器的容量要高于风力发电机的容量，在风机中通过使用微机技术，可以在一定程度上保证风机在运行中自行诊断，优化和完善安全保护措施，当风机的负载量达到甚至超过其可以承担的限度时，就会自动进行限速措施或者是停止运行，这样整个变压系统就可以保证安全稳定的工作状态，不会出现负载运行的现象，它的寿命也要比普通配电变压器长[3]。风力发电控制系统如图二所示。

 图 2：风力发电控制系统

（三）适应恶劣环境

我国在风力资源的分布上呈现出明显的区域性特征，其主要分布在沿海以及东西北地区。变压器在设置的过程中，通常会受到环境等因素的影响，一般是在野外运行，所以在设备的设计和制作中，应该使其可以最大程度上克服和避免来自于气候的限制和影响。在沿海地区进行变压器设计的时候，要考虑到设备防湿热的特点，在西北地区则要使其能够不受到低温和风沙的干扰。在不同的地区进行变压器的安装，需要注意的点也存在显著的区分，所以在实际运营中，必须秉持实事求是的原则，结合当地的气候环境特征，选择最适宜的制作方式，保证设备运行中功能性可以稳定发挥。

（四）组合式变压器高压侧必须配置避雷器

在对组合式变压器进行安装和设计的过程中，由于其特殊性，所以必须配置避雷器，从而方便和风机的过电压保护装置组成过电压吸收回路。在对变压器进行绝缘设计的时候，要注意到避雷器对其功能发挥的影响，通过科学的手段和方式，将其对变压器的负面影响降到最低[4]。

四、风电专用组合式变压器的设计

（一）电磁设计

组合式变压器属于高阻抗、低损耗的产品，在进行电磁计算和材料选择的过程中，需要和S11系列油浸式变压器的基本要求相一致，在具体的设计过程中利用加大主油道等措施，保证电路运行安全。除此之外，在对铁心硅钢片进行选择的时候，要通过铜箔绕制, 从而增强设备的抗短路能力。

（二）结构设计

在对风电变压器进行结构设计的过程中，需要将电缆分接箱安装在合适的位置，通常是选择设置在高压室内，利用螺栓和油箱前壁板使其可以有效连接在一起，这样就可以保证组合式变压器不发生位移。同时在对分接箱进行设计时，使其和高压室的内腔能够保留适宜的间隙，防止发生碰撞。在分接箱上也要设置有带电显示器以及故障指示器等程序，以此保证变压器运行安全。

（三）IP54防护等级的保护措施

在对变压器的外壳和箱体进行设计的时候，考虑到现场的环境特征，要求在门框处使用钢板折弯结构，从而使其防水性和密封性等方面都可以达到较高的要求。同时，在门边处也要粘贴一定数量的磁性橡胶条。保证门边的密封性稳定发挥[5]。

（四）联锁以五防实现措施

联锁及“五防”对于保证运行人员的安全具有重要作用，在实际设计中，要在低压刀熔开关处安装对应的有机玻璃板，保证操作人员可以按照规范实行作业，防止其误碰低压带电部分，从而威胁到自身的生命安全。其次，在对高压电缆分接箱门板进行制作的时候，要采取周边螺栓紧固的形式，只有使用专门的工具才能打开，与此同时在门板处也要粘贴对应的警示标识，防止外人进入[6]。

（五）散热片的保护措施

风电组合变压器在散热片的选择上使用的通常是目前市场上比较常见的片式散热片。它一般是安装在户外，由于防护措施的缺乏，为了保证变压器的安全，防止出现人为破坏的痕迹，必须在比较薄的散热片处采取科学正确的防护措施，通过钢管框架和冲孔钢板焊接的方式，使其可以形成一个完整的围栏，在对变压器实施保护的同时也不影响散热效果的稳定发挥。除此之外，为了方便安装，围栏下表面和组合式变压器的下表面之间应该保留一定的间隙，通过在围栏底面设置相应数量的支撑杆，保证其运输过程的安全和稳定。

（六）基础安装方面的考虑

为了进一步保证变压器的安装，在对组合式变压器和基础之间应该选择焊接的方式进行。在变压器本体上设置焊接片，而焊接片和变压器本体则应该是分体式，采用螺栓连接的方式，这样就不会由于现场焊接而对漆膜造成破坏。而且，在焊接方式的运用中，即使组合变压器在运行中出现故障需要对其进行拆解和移走，只需要旋出连接螺旋就可以实现

[7]。

结束语：

风电变压器在我国的使用随着时间的推移，将会进一步得到推广，在具体的设计中，要结合实际情况，做好防护措施，使其功能可以得到稳定发挥，从而保证能源的可持续发展。

参考文献：

[1]夏焰坤.电气化铁路单三相组合式变压器电气特性分析[J].郑州大学学报(工学版),2016,37(04):11-14+35.

[2]黄晓宁, ZGS-ZF-1600/35(DQF)风力发电用组合变压器. 江苏省,大全集团有限公司,2008-12-13.

[3]赵淮林, ZGS-Z.F-1600/35(DQF)风力发电用组合变压器. 辽宁省,沈阳全密封变压器股份有限公司,2010-10-10.

[4]孙强,郑楠,尚勇,王中阳,邹家勇,李龙才.750kV单相三绕组双体组合式变压器工程应用研究[J].电网与清洁能源,2012,28(12):7-14.

[5]苏仿.风电场35kV组合变压器技术特点与设计[J].电气制造,2018(10):36-38.

[6]耿顺伟.变压器设计技术问题分析[J].科技创新导报,2016,13(17):49-50.

[7]陈海东.关于变压器设计技术问题的探讨[J].科技创新与应用,2014(20):141.

作者简介：董记斌(1973-)，男，大学专科，主要从事电力变压器、

新能源变压器、节能变压器、高低压成套电气设备技术研究工作。