风力发电场主变压器选择及优化设计

风力发电场主变压器选择及优化设计

张嘉辉

国华（科左中旗）风电有限公司， 内蒙古 通辽 028000

摘要：近年来，社会进步迅速，我国的风电场建设的发展也有了很大的改善。随着陆上风电“平价时代”的到来，如何降低风电场投资成本、提高风电场发电量和整体收益率，成为风电项目投资领域关注的焦点。影响风点项目投资收益的因素较多，主设备选型、设备集成方案、设计方案、安装工艺及弃风限电等都会对投资收益产生影响。

关键词：风力发电场；主变压器选择；优化设计

引言

随着“碳达峰”“碳中和”目标的提出，绿色可再生新能源的关注度再次高涨，随之而来的风力发电在可再生新能源中的占比持续增加。在风力发电过程中，供电变压器需要将风电机组出口侧690V的电能转换为400V的电能，为风力机组电控系统提供配电。新能源场址较为偏僻，自然环境恶劣，机组部件故障率高，会产生高的运维费用，因此，要求风机部件的可靠性高，故障率低，使用长寿命设计。供电变压器的安全可靠及长寿命的设计，可以满足风电场高温、高湿和盐雾等恶劣环境的运行要求。

1 风电场内部分散式控制模式

传统集中式控制仍是目前风电场采用的主流控制方式，它是由风电场总站控制器接收每一台风机的状态信息，然后对这些信息进行计算处理，再将按照一定原则计算得到的功率参考值下发至各个风机。集中式控制下的风电场总站可以看作是一个受约束的多输入多输出系统，总站控制器的计算相对比较复杂；此外，风电场总站控制器与风机的远距离通信建设成本较高。随风电场的规模增大，对总站控制器的计算及通讯可靠性要求也在提高。分散式控制的模式极大地减轻了风电场总控制器的计算量和通信负担。在分散式控制中，风电场集电网络中的每个机组节点（控制器）都有自己的局部目标函数和局部约束，每个机组控制器解决局部优化问题。分散控制是迭代求解的，而所有局部最优最终会收敛到全局最优值。风电场的控制是分散式的，而控制目标可以达到风电场整体的最优。即各控制器通过分散式算法进行功率参考值求解，迭代计算结果可以使各风电机组的运行状态收敛到最优，从而满足风电场整体控制目标。分散式控制下，参与计算的控制器规模增大，但总体计算量没有增加；当前控制器芯片计算能力的提高及通讯能力的进步也将满足对各机组控制器的控制性能的要求。假设风电场无功补偿装置能够协调运行，若风电机组发出的无功功率之和不满足上级电网的无功需求指令，无功缺额则再由风电场无功补偿装置提供。分散式控制的灵活性和鲁棒性均强于集中式控制，并且能在降低通信成本的同时保证较好的控制性能。

2 考虑实际运行工况供电变压器寿命损失

将风电场风机实际运行工况分为：大风工况-变桨和偏航需要长期动作；小风工况-变桨和偏航不需要动作；低温工况-散热系统关闭，加热系统开启；高温工况-加热系统关闭，散热系统开启；最恶劣工况-机组环境温度高，风速大且风向变化快，变桨、偏航和散热均起动。机组供电变压器容量暂定200kV·A，通过统计机组在各种工况下的自耗电需求，取额定时间常数为0.5h，设每种变化的供电变压器初始负载率都为额定负载率，对过载工况进行过程计算，轻载工况时认为寿命损失是瞬变的。变压器设计为F级绝缘，考虑5℃的裕度，热点温度极限为175℃（448K），受限于采样频率，认为若设备达到了极限温升，则温升不再变化，直到下一个工作状态。

3 优化措施分析

3.1 主变数量确定

主变数量分配应考虑主变的运输情况，分期建设情况，并结合经济技术比较情况进行。一般情况下，单台主变容量越大，主变数量越少、主变以及与其连接的35kV设备一次性投资越少。但设备运行的灵活性相应降低。若风电场分期开发，开发周期较长，可能造成前期一次性投资较大，且前期变压器容量选择较大会造成空载损耗也较大。因此对于200MW及以下的单体新建项目，无扩建需求时，宜采用单台或两台主变，采用线变组或单母线的主接线方案。对于单体为200MW及以下风电基地项目、合建汇集站的方式时，考虑每个对应的风电场设置单台主变，汇集站主变高压侧宜采用双母线或者3/2接线方案。

3.2 主变冷却方式确定

从主变制造能力而言，目前市面上大部分厂家240MVA及以下的电力变压器可采用自然油循环自冷方式，480MVA及以下电力变压器可采用自然油循环风冷方式。根据GB/T17468—2019《电力变压器选用导则》规范要求：在满足温升限值的情况下，180MVA及以下产品采用自然油循环自冷方式，240MVA及以下产品采用自然油循环风冷方式。由于风电场年利用小时数较低，一般在1600h～2400h之间。主变的冷却方式可按规范执行：180MVA及以下变压器冷却方式宜采用自然油循环自冷方式，240MVA及以下变压器冷却方式宜采用自然油循环风冷方式。

3.3 变压器绕组形式选择

风电升压站主变压器一般采用双绕组变压器或带平衡绕组的三绕组主变压器2种形式。主变绕组2种方案的低压侧均需满足以下要求。1)抑制高次谐波，改善感应电动势波形，使相电压更接近正弦波；2)提高变压器带不平衡负载能力，以稳定电压中性点，并使变压器得到充分利用；3)降低变压器的零序电抗。其不同在于双绕组变压器本身无法引出中性点，需借助接地变压器制造人为中性点并接地，增加1面35kV开关柜和接地变成套装置，而带平衡绕组的三绕组变压器只需增加一台中性点接地装置(电阻器、消弧线圈)。就经济性而言，330kV、240MVA双绕组变压器目前市场价约700万元，而该规格带平衡绕组的三绕组变压器相比双绕组变压器投资成本高约100万元。采用双绕组变压器方案，需配置1面35kV开关柜和1套35kV接地变和接地电阻成套装置。目前35kV差异不大，35kV接地变和接地电阻成套装置目前市场价为20万元/套。330kV、240MVA主变压器采用带平衡绕组的三绕组变压器比双绕组变压器方案总投资成本高约77万元。因此在风电场设计中，升压站主变的绕组形式主要依据其经济性选择。220kV变压器采用两种绕组的方案总价格相差不大，而随着电压等级升高，采用双绕组变压器的经济性更好。此外，无论是采用带平衡绕组的三绕组变压器还是双绕组变压器，都需严格按照接入系统要求，遵循风电场当地电网运行习惯(如甘肃风电项目倾向于采用带平衡绕组的三绕组变压器，青海、新疆等地区倾向于采用双绕组变压器)。

3.4 发电机和变压器差动保护

发电机和变压器工作组共用的差动保护体系，俗称为发变组大差动保护，这类保护手段是将发电机和主变压器之间进行科学地联动，并将其视为同一个工作区域来进行同步保护工作。在工作过程中要严格按照工艺流程进行，为汽轮机发电组进行双重快速主机保护设备安装，并且即使其本身已经具有一定程度上的保护体系，但也要设置相对应的双重保护体系，这样的工作模式是为了确保在工作区域内任何位置都具有双重保护能力，在发生突发状况时部分处理系统应停止运作，也可有备用的保护系统接替，确保不会导致设备无保护运行。而且这样的工作体系可以使发电机和变压器稳定工作，提升整体可靠性，避免出现失误的可能性，减少中央处理器的工作压力。

4 结语

供电变压器寿命损失的快慢取决于运行温度、供电变压器实际负载等条件，特别是运行环境温度，对变压器设计技术要求具有决定性的作用，变压器寿命损失可以作为变压器过载能力及温升核算的设计依据。因此，在提出风电机组供电变压器设计要求时，可以结合风电场实际运行的温度环境及机组实际运行工况的分布情况，考虑机组供电变压器实际运行的过载工况，作为温升核算、过载能力的设计依据。在满足设计可靠性及过载能力和温升考核指标要求的前提下，设计出性价比高并满足使用需求的风电机组供电变压器，根据风场项目按需设计，使经济效益最大化。

参考文献：

[1]水电水利规划设计总院.中国可再生能源发展报告2020[M].中国水利水电出版社，2021.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.风力发电场设计规范：GB50196—2015[S].北京：中国计划出版社，2015.

[3]中华人民共和国国家能源局.大型风电场并网设计技术规范：NB/T31003—2011[S].中国电力出版社，2011.

[4]中国国家标准化管理委员会.电力变压器，第七部分，油浸式变压器负载导则：GB/T1094.7—2008[S].中国标准出版社，2008.