风力发电升压变压器额定容量选用原则的改进

风力发电升压变压器额定容量选用原则的改进

风力发电升压变压器额定容量选用原则的改进

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胡建新1 谢军2 尤坚3

(1广州市番禺明珠电器有限责任公司广州511400

2 广东粤电湛江风力发电有限公司湛江524043

3广东粤电湛江风力发电有限公司湛江524043)

摘要：本文通过对风力发电机与常规火力或水力发电机输出功率特性的对比，分析了风力发电机机端升压变压器容量选择与现有设计规范的差别。另外根据热老化理论对某风电场升压变压器容量的选择进行了计算，计算结果表明了在选择变压器容量时具有非常可观的成本控制潜力。

关键词：风力发电机，升压变压器，额定容量，平均负

载，周期性负载，热点温度，相对热老化率，相对寿命损失

0 前言

随着风力发电在世界范围和国内的迅猛发展，风电技术日渐成熟，但目前风电投资成本偏高，风电电价尚缺乏竞争力，因此对投入成本进行充分挖潜是当务之急。除尽快实现主要设备国产化外，从设计环节控制成本也是必须考虑的。对风力发电机机端升压变压器而言，选择可靠实用的保护功能和合理经济的额定容量是应当首先考虑的。本文着重就风电升压变压器容量选用原则的改进进行探讨，并给出相关计算实例。

1 变压器额定容量选择的理论依据

变压器的额定容量是指输入到变压器的视在功率值(包括变压器本身吸收的有功功率和无功功率)，并且通常按照GB321中的R10系列取值。额定容量对应在规定的环境温度下，在规定的使用年限内能连续输出的最大视在功率。

电力变压器的额定寿命一般取20年，是指外部冷却空气为20℃，以某种温度等级的绝缘材料发生热老化而损坏来确定的。对符合GB1094设计的油浸式电力变压器，在热点温度为98℃下，相对热老化率为1，此热点温度与“在环境温度为20℃时和热点温升78K下连续运行”

相对应。

由此可见，选择变压器额定容量的依据，是确保变压器在某一特定负荷下有额定的使用寿命，即使得变压器的相对热老化率为1。这一特定的负荷，在理论和工程上通常可以简化为两种类型：A、正常环境温度下的额定负载即恒定负载，属于平均负载的概念(下文称为A类负载); B、正常周期性负载，属于周期性负载的概念(下文称为B类负载)。周期性负载的提出和在工程上的普遍应用意味着，在正常周期负载中，在某段时间内环境温度较高或施加了超过额定负载的电流，可以由其他时间内较低的环境温度或施加低于额定负载的电流所补偿。从热老化的观点看，只要相对热老化率大于1的诸周期中的老化值能被相对热老化率低于1的老化值所补偿，那么，这种周期性负载与正常环境温度下施加额定负载是等效的，即两者的相对寿命损失都是1。这一原理可用于长时间的周期负载中。

2 火电和水电升压变压器容量的确定

在火电项目中，发电机通常由汽轮机提供动力，不管是燃煤机组还是燃油机组，或者燃气机组，因为燃料的供应是

稳定的，因此除非考虑调度因素，发电机在绝大部分情况下都是在额定出力状态下运行的，因此其机端升压变压器承受的负载属于A类。相应地，在选定变压器的额定容量时，基本可以按照发电机的额定输出功率除以功率因素来选择变

压器的容量。

在水电项目中，发电机通常由水轮机提供动力，因为水头是通过水坝等工程因素控制的，水电机组在绝大部分情况下也是在额定状态或接近额定状态下运行的，其机端升压变压器承受的负载也属于A类。变压器的容量选择也是按照发电机的额定输出功率除以功率因素来选择。

综上所述，不论火电和水电，对发电机升压变压器的容量选择，目前都是按照发电机的额定输出功率除以功率因素来选择，实际上也就是按照发电机的最大输出功率来选择的。这种原则，基本是按照A类负载即平均负载的概念来确定变压器容量，即将发电机的最大输出容量等同为变压器的额定负载。

3 风电升压变压器容量确定的现行规范

风电技术在我国推广的时间很短，范围也不广，对机端升压变压器容量的选择，现阶段各设计单位基本都是套用火电厂或水电厂发电机升压变压器容量确定的相关规范，即由风力发电机的额定功率来确定。例如对1500kW的风力发电机(通常功率因数约0.95左右)，其机端升压变的额定容量通

常选择为1600kVA。

4 风电升压变与火电(水电)升压变负荷的区别

风力是自然资源，一年四季及昼夜的变化很大，而人工又无法干预，因此，风力发电机的出力具有典型的周期性和不均衡性，完全不同于火力发电和水力发电机组的出力。对升压变而言，应归类为本文简称的B类负载。而风力发电机标称的额定出力基本接近最大出力，并不是长时间运行的实际出力。因此，如果以风力发电机组标称的额定出力(或最大出力)为依据，但套用火电站和水电站的相关规范来选择机端升压变压器的额定容量，则无形中忽视了相当大一部分成本控制潜力。

 

5 风电升压变额定容量选用的合理依据

明确风力发电机组标称的额定出力几乎是其短时的最大出力后，对风力发电机升压变容量的确定即明确了方向和依据：按照负载导则或选用导则中规定的周期性负载而不是平均负载来选用。具体说就是按照变压器的年周期负载而不是风机的额定出力(或最大出力)来选用。

 

按照变压器负载导则的热老化补偿理论或变压器选用

导则的规定，变压器的额定容量可以依据额定平均负载或正常周期性负载来确定。在实际应用中，负载长期接近额定平均值的变压器很少见，仅见于火力或水力发电机的升压变压器等极少数场合，而大部分变压器特别是配电变压器的负载属于周期性负载。从负载的周期特性及风力发电机的容量范围来看，目前的风力发电机端升压变压器更适合采用配电变压器容量选用的原则与规范。

 

6 风电升压变额定容量选用的进一步探讨与计算实例

按照热老化理论，周期性负载的变压器可以超铭牌额定值运行，只要在负载周期内，变压器的寿命相对损失不超过1，且热点温度不超过140℃，并满足运行要求的其他实际需要(如急救负载)即可。以下以计算实例来进行探讨。

 

图1是某风电场风力发电机功率输出的时间(0~8760小时)分布图，图中数据来源于测风数据与风力发电机特性。该风力发电机的铭牌额定容量为1500kW，功率因数0.95。套用火电站和水电站的相关规范，现行的设计方案都将机端升压变压器的额定容量选择为1600kVA。

但从图1可以看出，变压器实际最大负载约1600kVA，

但绝大多数时间内，其负载远低于1600kVA，因此，按照配电变压器容量选用的原则与规范，其容量可以考虑选择比1600kVA小。具体选择多大容量，可按以下步骤确定。

 

以下计算的简化条件是：按照标准的运行环境温度和普通配电变压器热参数及技术参数，也不考虑风力增大时变压器散热能力提高的影响。

图1 某风电场风力发电机年输出功率的时间分布

 

6.1 容量下限初步估算：

 

下表1是相关导则给出的变压器超铭牌额定值运行的经验值。

表1 变压器超过铭牌额定值时负载电流和温度限值

 

 负载类型

 

配电变压器

 

中型电力变压器

 

大型电力变压器

 正常周期性负载 

负载电流(标幺值)

1.5

1.5

1.3 热点温度及与绝缘材料接触的金属部件的温度(℃) 140

140

120 顶层油温

 

105

 

105

 

105 长期急救周期性负载负载电流(标幺值)

 

1.8

 

1.5

1.3 热点温度及与绝缘材料接触的金属部件的温度(℃)  

150

140

130 顶层油温

115

115

115

 短期急救负载负载电流(标幺值)

 

2.0

 

1.8

1.5

 热点温度及与绝缘材料接触的金属部件的温度(℃)  

160

 

160

 顶层油温

115 115