非晶合金變壓器在風力發電中的應用

摘要目前在風力發電中，風電機組的主要設計是按一機一變配置。隨著風力發電容量和機組單機容量的不斷增加，風機變的數量和容量也在不斷增長，風機傳統硅鋼變壓器空載損耗大的問題逐漸顯現。非晶合金材料作為一種新型導磁材料，具有優越的空載性能，因此非晶合金變壓器一直受到行業關注。為了降低風力發電的空載損耗，非晶合金變壓器必將會在風力發電中快速得到應用。本文對比分析了非晶合金變壓器S9-M-1600/35與同容量S11型硅鋼變壓器的年負載能耗，由此說明了非晶合金變壓器在風力發電中推廣應用的工程意義。

關鍵詞非晶合金變壓器 風力發電 負載損耗比較

中圖分類號:TM61文獻標識碼:A

0 引言

所謂晶態材料，是指材料內部原子排列遵循一定規律。反之，內部原子排列處于無規則狀態，則為非晶態材料。

非晶合金材料是在20世紀70年代問世的一種新型合金工藝產品。由于其單位鐵損低(僅為冷軋硅鋼片的70%～80%)，渦流損耗小，因此已經誕生其很快就在變壓器領域得到應用。第一臺非晶合金鐵心變壓器于1982年4月由美國通用電氣公司研制成功并投入運行。同期，美國中央電力研究所還斥資800萬美元進行一項為期5年的非晶合金研究計劃，通過該計劃共試制了1000臺非晶合金鐵心變壓器供商業運行。截至目前美國共有9家以上企業生產非晶合金配電變壓器，其中GE公司年生產能力更是超過30萬臺，達到2000萬kVA。歐洲(主要指西歐國家)生產廠家主要有瑞士ABB公司、英國GEC-阿爾斯通公司、西班牙Bilbao-ABB TrofodldSA公司。①另外，如日本、印度、東南亞和南亞以及我國臺灣地區在非經合金變壓器應用上也都相應的取得了較大成績。而我國在1986年利用從美國信聯(Alliedsignal)公司購買的非晶合金材料，由上海變壓器廠和長沙變壓器廠等單位研制成功第一臺非晶合金鐵心變壓器。1998年，上海置信電氣股份有限公司則率先從美國通用電器公司引進了非晶合金變壓器生產技術，在探索中已形成了自有技術。據不完全統計，國內如特變電工、杭州錢江電器集團、天威保變、順特電氣等知名變壓器廠家，也紛紛進入非晶合金變壓器領域，非晶合金變壓器行業已逐漸形成了規模。截止2007年，國內已有近百家變壓器企業加入非晶合金變壓器的生產行業。②

1 非晶合金變壓器特點

(1)材料特點:由于非晶合金材料具有非常優異的導磁性能，因此非晶合金材料較常規金屬材料的去磁與被磁化過程更易完成，從而較硅鋼材料鐵芯損耗大大降低。(2)環保特點:當非晶合金鐵芯用于油浸變壓器時，經技術檢測可有效降低CO、SO、NO等有害氣體向大氣中的排放量，降低了對大氣污染。(3)綜合成本特點:由于非晶合金變壓器采用了新材料、新技術，制造工藝復雜，致使其產品價格較傳統變壓器高大約30%左右;但其節能效果顯著，運行維護成本較低。在整個使用的過程中(一般使用年限20年)非經合金變壓器的綜合運行成本要較傳統變壓器較低。(4)結構性能特點:非晶合金變壓器不僅結構先進合理、運行效率高，同時采用了全密封式結構，具有免維護等優點。

2 風力發電特點

哥本哈根會議召開后，節能減排和低碳經濟也逐漸成為世界各國發展的主旋律。而風電更是在近幾年中保持著較高增長速度，世界風電裝機容量截止到2008年已經達到12210萬千瓦時。而我國風電裝機容量截止到2008年也已達到1200萬千瓦。③在目前，風力發電機組主要配置方式是一機一變。即風力發電機發出690伏電流經過風機變一次升壓后(一般升至10千伏或35千伏)并入集電線路然后送到升壓站主變，經過主變升壓后送入電網。隨著單體風力發電場以及區域性風電場的容量不斷增加，風電場內風力發電機組臺數也變得越來越多，對應風機變臺數也越來越多。同時我國整體風資源水平不高，風力發電機滿負荷發電小時數較少，風機變具有運行負責率較低的特點。

3 非晶合金變壓器節能效益分析

對目前主流機型單機容量為1500千瓦風力發電機組配置的兩種風機變進行簡單比較。非晶合金變壓器與S11系列變壓器相比，其主要損耗的降低取決于空載損耗的大幅度降低。

通過直接比較兩種變壓器年負載損耗成本，來計算年節電費用，可簡單直觀地體現非晶合金變壓器的節能效益。1600kVA的10kV變壓器為例來進行兩種能耗對比。兩種規格變壓器基礎參數如下表:

變壓器損耗計算:

(1)有功損耗:

(1)

(2)無功損耗:

(2)

(3)綜合功率損耗:

(3)

其中，

式中:P0—— 空載損耗，kW

KT —— 負載波動損耗系數

—— 平均負載系數

PK—— 額定負載損耗，kW

Q0—— 空載無功損耗，kvar

QK—— 額定負載漏磁功率，kvar

KQ—— 無功經濟當量，kW/kvar

SN—— 變壓器額定容量，kVA

IO%—— 變壓器空載電流百分比

UK% —— 短路電壓百分比

計算條件

(1)取KT = 1.05;

(2)變壓器容量SN= 1600kVA;

(3)無功當量KQ= 0.1kW/kvar;

(4)平均負載系數取30%(此數是由36臺風機變統計);

S11型變壓器的年綜合功率損耗為:

如果采用目前風電電價為0.54 元/kw·h，

目前非晶合金變壓器的售價大約比S11貴1.5萬元/臺，每年非晶合金變壓器可節約的電費是4752元，簡單計算，購買非晶合金變壓器多增的投資，靜態回收期是3.2年，即多增投資在產品運行3.2年后，即可通過少支付電費的節約來回收。風力發電機組運行年限一般設計為20年，在剩余16.8年中，共可節約電費79834元。假設一個五萬千瓦裝機的風電場，那么整個風電場的風機變臺數為33臺，則在余下的16.8年之間在風機變上所能夠產生的要以就會達到2634508.8元。如果在一些風電電價更高地區，則經濟效益更加顯著。

4 結束語

風力發電是一個運行時間長、投資風險大的新能源產業，只有在不斷提高風力發電產業抗風險能力才能夠更好更快的促進風力發電產業的快速進步。非晶合金變壓器從發展至今已取得突出性進步，不論是在技術還是材料上早已達到商業化程度。尤其是在大型風電場或區域性風電場中，風機變整體負荷率較低。變壓器空載損耗占總損耗比重較大。如果采用非晶合金變壓器，降低設備空載損耗，對降低總損耗和提高風電經濟效益，意義將十分重大。從長遠眼光來看，非晶合金變壓器的使用既可為國家節約大量能源，又會取得顯著的經濟效益和環保效益，從節能降耗、落實科學發展觀的角度來看，也是值得在風電行業大力推廣使用。

注釋

①徐澤瑋.我國非晶合金配電變壓器的應用現狀和發展建議.江蘇電機工程，2006.6.13(3).

②宋天林.非晶合金變壓器發展前景探析.電器工業，2008.6.

③2008年度中國風電建設成果統計報告.中國水電工程顧問集團公司.2009.3.