风电场采用非晶合金变压器设计探讨（电力）
陈海华
（福建省电力勘测设计院，福建福州 350003）
摘要：非晶合金具有极优秀的低损耗磁特性，把非晶合金变压器这一新兴产品更全面地应用于风电建设项目,可利用其优良的损耗特性产生可观的经济效益和巨大的节能减排效益，从而满足工程建设和环境保护的共同需求。通过对福建省长乐棋盘山等近20个风电项目的调查，以装机容量50 MW的某风电场为例．对其6类变压器的技术指标进行分析，将筛选出的具备使用条件的变压器更换为非晶合金变压器，结合全寿命周期成本理论分析，认为采用非晶合金变压器具有较明显的技术经济优势，同时也具有突出的环保效益。
关键词：风电场；非品合金变压器：技术经济比较：全寿命周期成本
中图分类号：TM41 DOI: 10.11930/j.issn．1004-9649.2016.04.079.04
0引言
当前环境问题日益突出，正是大力推广环保型产品的有利时机。非品合金是一种新型的材料．与常规的硅钢材料相比，非晶合金具有极优秀的低损耗磁特性，是一种非常理想的变压器铁芯材料，中国于2005年在《中国节能技术政策大纲》中明确了对非品合金变压器的推广。并将其列入国家鼓励发展的环保产业设备（产品）目录（第一批），成为新一代节能降耗产品。设计作为工程建设的龙头，有必要在工程设计中积极尝试节能环保型新产品，经过合理的分析及比较，采取技术上可行，经济上合理，安全性可靠，节能环保的方案。
1 非晶合金变压器特性分析
1,1 空载损耗特性
非品合金没有品格和晶界存在，其磁化功率较小，此外，非晶合金带材的厚度为0.02～0.03mm，仅为硅钢片的1／10左右，其涡流损耗大大降低。因此，根据对国家标准相关条款的对比．非晶合金的空载损耗仅为硅钢的25%～40%。
1.2结构特性
由于非晶合金极薄，且脆而硬．制成铁芯时对制作工艺的要求较高，在目前的技术水平上，一般推荐采用三相四框五柱式结构，这种结构不适用于Yyn0联结，以防三相负荷不平衡时引起严重的三相电压失衡，一般采用Dyn11联结。此外，由于非晶合金的磁通饱和值比硅钢低，且三相五柱结构中铁轭和旁柱的磁通比心柱要大1.155倍，为了使非晶合金变压器能正常工作，其工作磁通的取值比硅钢低，为1.25～1.4 T，因此非晶合金变压器的铁芯和绕组较大。
1.3应力的敏感性
非晶合金材料对机械应力非常敏感，无论是拉应力还是弯曲应力都会影响其磁性能，损耗也会随受力增大而迅速上升。非晶合金铁芯受力后．变压器的空载损耗一般会增加60%左右。因此，与传统变压器不同，非晶合金变压器不能把铁芯作为变压器的骨架，而要采用以绕组为主支撑的形式。
1.4声功率特性
变压器的声功率特性即噪音，主要由铁芯在主磁通下磁致伸缩而引起的振动产生，其高低取决于铁芯中的磁通和铁芯的夹紧程度。由于非品合金材质的磁致伸缩程度比硅钢高10%，且其带材薄不宜卷紧防震性能较差，此外，由于非晶合金对应力的高敏感性，铁芯不能过分夹紧，其声功率级一般要高于硅钢铁芯。但由于非品合金的设计工作磁通较低，对控制噪音效果较好．根据对国家标准相关条款的对比，非晶合金变压器和干式变压器的声功率级是基本一致的．比油浸式变压器的声功率高7 dB以内，约为10%。
1.5空载损耗稳定性
自1982年第1台非品合金变压器在美国挂网运行以来，世界各国对非品合金变压器的性能进行了跟踪监测，中国从1995年开始也在这方面做了一些试验，综合各试验的结论可以看出，非晶合金变压器挂网运行后的空载损耗是基本稳定的。
2风电场变压器分析
福建省常规风电场一般装机容量在50 MW以下．风电场的送出电压等级可取110 kV，35 kV或10 kV。对于大部分风电场的设计，主要涉及主变压器（下称主变），升压站站用变压器（下称站用变），无功补偿装置配套变压器（下称无功变），接地变压器（下称接地变），风机升压变压器（下称升压变）以及风机闩用变压器（下称自用变）等，具体的配置如表1所示。
主变和升压变根据风机的额定功率选择，但通过对福建省长乐棋盘山等近20个风电场的调查发现，风电场年发电小时数一般在2 500～3 200 h，因此主变和升压变的全年等效负载率相对较低；站用变和自用变是采用换算系数法求得计算负荷后选取，其容量表征了最大可能出现的情况，大部分时段也是运行在一个较低的负载率水平。当风电场使用了降压的无功装置时，受风电场无功需求的影响，无功变的负载率经常变化，且其年均负载率也相对较低。接地变的容量主要为了满足单相短路的工作状态，正常运行时基本没有负载，因此其负载率近似为零。变压器损耗可表示为
根据某风电场的计算数据，各变压器的损耗情况如表2所示。
通过以上分析，可以看出，风电场的各种变压器由于年均负载率均比较低，其空载损耗比负载损耗要高，在变压器总损耗中的73.80%是空载损耗，其总量高达主要设备年损耗的44.22%，因此．如果能够有效控制变压器的空载损耗，不仅可以减少风电场的能耗，增加经济效益，而且可以实现节能减排的环保效益。
3风电场采用非晶合金变压器可性行分析
3.1 技术可行性分析
风电场涉及的六大类变压器采用非晶合金变压器是否合适，要结合非晶合金变压器的特性以及风电场各类变压器的参数及具体运行条件综合考虑。
(1)主变压器。受制造水平的约束，当前市场上比较成熟的非晶合金变压器的电压等仅能做到35 kV,有实际运行业绩的最大容量仅能做到2 500 kV. A,研发水平目前也只到3 300 kV.A，而主变压器的电压等级和容量均已经超过当前的制造水平，因此主变压器暂时还不能采用非品合金变压器。
(2)站用变压器和白用变压器。两者皆是典型的配电变压器，而目前非晶合金变压器最主要的应用区域就是在配电领域，且两者各参数水平均在当前制造水平内，凶此可以采用。
(3)无功配套变压器。由于无功配套变压器的容量已经超过_了现有的制造水平，暂时也还不能采用非晶合金变压器。
(4)接地变压器。从电压等级和容量上看，接地变满足使用非晶合金的条件，但由于其采用的是ZN接线方式，还要从结构上进行验证。由于ZN型接线的变压器要求零序阻抗小，从而就要求零序磁阻较大，一般多采用三相三柱式，而目前非晶合金铁芯采用三相三柱式需要使用一个大框套两个小框的形式，工艺要求较高且不是很成熟，暂时认为技术L还不具备使用条件。
(5)升压变压器。由于风机的容量一般小于2 MV .A,仅有少部分风机容量会达到3 MV .A，
而且风电场集电线路一般也在35 kV及以下，从电压等级和容量上看，是基本满足要求的。此外，升压变压器的铁芯磁通密度比降压变低，一般不大于1.3 T,在这一点上有利于使用非晶合金。因此．从技术上分析认为升压变可以采用非晶合金变压器。
经过分析，风电场中站用变压器、白用变压器和升压变压器在技术方面可以使用非品合金变压器．这些变压器在风电场中数量较多，且都存在长期低负载的工作特性，使用非晶合金变压器能够有效地减少损耗。
3.2 节能效果分析
非晶合金变压器的最大优势在于其优良的损耗特性．为分析风电场中使用非晶合金的节能效果．本文将对某风电场的情况进行分析。该风电场风机出口电压为0.69 kV，经升压变升压至35 kV后通过集电线路汇流至110 kV升压站的35 kV母线，然后经一台110/35 kV的主变压器升压至110 kV接入电网，每回集电线路包含6~7组风机．35 kV采用单母线接线方式，110 kV采用线变组接线方式。T程共建设2台37/0.4 kV，200 kV．A的站用变， 19台37/0.69 kV，2 400 kV．A的升压变以及19台0.69/0.4 kV，80 kV .A的自用变，其节能效果如表3所示。
通过表3可以看出，使用非品合金变压器后，风电场相关损耗可以降低63.74万kW．h，降低一半以上，节能效果非常明显。
3.3 经济可行性分析
曰前非品合金变压器的价格一般比同等规格的硅钢铁芯变压器高50%以上，因此产品高售价一直成为其推广的主要制约因素。但丁程建设应该从全寿命的角度来综合考虑其经济可行性。以福建省某风电场T程为例，如将站用变、白用变、升压变改成非晶合金变压器，则其全寿命经济成本与硅钢铁芯变压器相比如表4所示。
从以上分析可以看出，虽然非品合金变压器的一次投资费用比硅钢变压器高451.3万元，但由于其在损耗费用上30年可折现减少499.03万元．从工程全寿命周期成本的角度，30年总费用非品合金变压器还是比硅钢变压器少59.58万元。而且从全社会成本分析的角度出发，由节能所产生的费用不仅仅是其消耗的电能，还应考虑可避免成本和碳减排效益，以碳减排效益计算时非晶合金每年可以产生1 417.42万元的CDM费用，在30年工程全寿命周期内，更是高达1.82亿元，经济效益是非常巨大的。从全社会成本的角度出发，非晶合金变压器的优越性明显。
3.4综合比较
由于受到当前制造水平的影响，在电压等级，容量以及结构形式等方面，非晶合金变压器的选择还受到一定限制。在风电场中，目前站用变、自用变、升压变已经具备使用非晶合金变压器的技术条件。从经济角度上分析，尽管非晶合金变压器的设备费用目前还比较高，由于其节能效果显著，从综合全寿命周期成本来分析，还是与传统硅钢变压器水平相当的，且其产生的环保效益非常巨大，若以全社会成本的角度考量则具有明显优势。
4结语
非晶合金变压器是一种先进且富有生命力的设备，随着市场的逐步推广，成本将进一步下降，其全面取代传统硅钢变压器的前景是可以预见的。因此在现阶段技术经济比较合理的前提下，应该积极主动地在风电场中使用，积累运行经验，同时促使设备制造商进行更进一步的产品开发，以求早日在风电场建设中全面使用非晶合金变压器。
目前非品合金变压器在风电场的推广情况并不乐观．主要因为工程投资方更多关注的是项目本身利益而不是全社会成本，此外对节能减排等环保意识的不足也影响了投资决策。为了要改变这一现状，要引导投资者重视全寿命周期成本及全社会成本，同时，投资者也可以实施CDM项目．从而获得在环境保护方面的投资同报。
