非晶合金變壓器在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

摘要目前在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)電機(jī)組的主要設(shè)計(jì)是按一機(jī)一變配置。隨著風(fēng)力發(fā)電容量和機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，風(fēng)機(jī)變的數(shù)量和容量也在不斷增長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)硅鋼變壓器空載損耗大的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。非晶合金材料作為一種新型導(dǎo)磁材料，具有優(yōu)越的空載性能，因此非晶合金變壓器一直受到行業(yè)關(guān)注。為了降低風(fēng)力發(fā)電的空載損耗，非晶合金變壓器必將會(huì)在風(fēng)力發(fā)電中快速得到應(yīng)用。本文對(duì)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(fù)載能耗，由此說(shuō)明了非晶合金變壓器在風(fēng)力發(fā)電中推廣應(yīng)用的工程意義。

關(guān)鍵詞非晶合金變壓器 風(fēng)力發(fā)電 負(fù)載損耗比較

中圖分類號(hào):TM61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

0 引言

所謂晶態(tài)材料，是指材料內(nèi)部原子排列遵循一定規(guī)律。反之，內(nèi)部原子排列處于無(wú)規(guī)則狀態(tài)，則為非晶態(tài)材料。

非晶合金材料是在20世紀(jì)70年代問(wèn)世的一種新型合金工藝產(chǎn)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(jīng)誕生其很快就在變壓器領(lǐng)域得到應(yīng)用。第一臺(tái)非晶合金鐵心變壓器于1982年4月由美國(guó)通用電氣公司研制成功并投入運(yùn)行。同期，美國(guó)中央電力研究所還斥資800萬(wàn)美元進(jìn)行一項(xiàng)為期5年的非晶合金研究計(jì)劃，通過(guò)該計(jì)劃共試制了1000臺(tái)非晶合金鐵心變壓器供商業(yè)運(yùn)行。截至目前美國(guó)共有9家以上企業(yè)生產(chǎn)非晶合金配電變壓器，其中GE公司年生產(chǎn)能力更是超過(guò)30萬(wàn)臺(tái)，達(dá)到2000萬(wàn)kVA。歐洲(主要指西歐國(guó)家)生產(chǎn)廠家主要有瑞士ABB公司、英國(guó)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(guó)臺(tái)灣地區(qū)在非經(jīng)合金變壓器應(yīng)用上也都相應(yīng)的取得了較大成績(jī)。而我國(guó)在1986年利用從美國(guó)信聯(lián)(Alliedsignal)公司購(gòu)買的非晶合金材料，由上海變壓器廠和長(zhǎng)沙變壓器廠等單位研制成功第一臺(tái)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(guó)通用電器公司引進(jìn)了非晶合金變壓器生產(chǎn)技術(shù)，在探索中已形成了自有技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)如特變電工、杭州錢江電器集團(tuán)、天威保變、順特電氣等知名變壓器廠家，也紛紛進(jìn)入非晶合金變壓器領(lǐng)域，非晶合金變壓器行業(yè)已逐漸形成了規(guī)模。截止2007年，國(guó)內(nèi)已有近百家變壓器企業(yè)加入非晶合金變壓器的生產(chǎn)行業(yè)。②

1 非晶合金變壓器特點(diǎn)

(1)材料特點(diǎn):由于非晶合金材料具有非常優(yōu)異的導(dǎo)磁性能，因此非晶合金材料較常規(guī)金屬材料的去磁與被磁化過(guò)程更易完成，從而較硅鋼材料鐵芯損耗大大降低。(2)環(huán)保特點(diǎn):當(dāng)非晶合金鐵芯用于油浸變壓器時(shí)，經(jīng)技術(shù)檢測(cè)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(duì)大氣污染。(3)綜合成本特點(diǎn):由于非晶合金變壓器采用了新材料、新技術(shù)，制造工藝復(fù)雜，致使其產(chǎn)品價(jià)格較傳統(tǒng)變壓器高大約30%左右;但其節(jié)能效果顯著，運(yùn)行維護(hù)成本較低。在整個(gè)使用的過(guò)程中(一般使用年限20年)非經(jīng)合金變壓器的綜合運(yùn)行成本要較傳統(tǒng)變壓器較低。(4)結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn):非晶合金變壓器不僅結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理、運(yùn)行效率高，同時(shí)采用了全密封式結(jié)構(gòu)，具有免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2 風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)

哥本哈根會(huì)議召開后，節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)也逐漸成為世界各國(guó)發(fā)展的主旋律。而風(fēng)電更是在近幾年中保持著較高增長(zhǎng)速度，世界風(fēng)電裝機(jī)容量截止到2008年已經(jīng)達(dá)到12210萬(wàn)千瓦時(shí)。而我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量截止到2008年也已達(dá)到1200萬(wàn)千瓦。③在目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要配置方式是一機(jī)一變。即風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出690伏電流經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)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(jīng)過(guò)主變升壓后送入電網(wǎng)。隨著單體風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)以及區(qū)域性風(fēng)電場(chǎng)的容量不斷增加，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)也變得越來(lái)越多，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)變臺(tái)數(shù)也越來(lái)越多。同時(shí)我國(guó)整體風(fēng)資源水平不高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電小時(shí)數(shù)較少，風(fēng)機(jī)變具有運(yùn)行負(fù)責(zé)率較低的特點(diǎn)。

3 非晶合金變壓器節(jié)能效益分析

對(duì)目前主流機(jī)型單機(jī)容量為1500千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置的兩種風(fēng)機(jī)變進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)直接比較兩種變壓器年負(fù)載損耗成本，來(lái)計(jì)算年節(jié)電費(fèi)用，可簡(jiǎn)單直觀地體現(xiàn)非晶合金變壓器的節(jié)能效益。1600kVA的10kV變壓器為例來(lái)進(jìn)行兩種能耗對(duì)比。兩種規(guī)格變壓器基礎(chǔ)參數(shù)如下表:

變壓器損耗計(jì)算:

(1)有功損耗:

(1)

(2)無(wú)功損耗:

(2)

(3)綜合功率損耗:

(3)

其中，

式中:P0—— 空載損耗，kW

KT —— 負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)

—— 平均負(fù)載系數(shù)

PK—— 額定負(fù)載損耗，kW

Q0—— 空載無(wú)功損耗，kvar

QK—— 額定負(fù)載漏磁功率，kvar

KQ—— 無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)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(jì)算條件

(1)取KT = 1.05;

(2)變壓器容量SN= 1600kVA;

(3)無(wú)功當(dāng)量KQ= 0.1kW/kvar;

(4)平均負(fù)載系數(shù)取30%(此數(shù)是由36臺(tái)風(fēng)機(jī)變統(tǒng)計(jì));

S11型變壓器的年綜合功率損耗為:

如果采用目前風(fēng)電電價(jià)為0.54 元/kw·h，

目前非晶合金變壓器的售價(jià)大約比S11貴1.5萬(wàn)元/臺(tái)，每年非晶合金變壓器可節(jié)約的電費(fèi)是4752元，簡(jiǎn)單計(jì)算，購(gòu)買非晶合金變壓器多增的投資，靜態(tài)回收期是3.2年，即多增投資在產(chǎn)品運(yùn)行3.2年后，即可通過(guò)少支付電費(fèi)的節(jié)約來(lái)回收。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行年限一般設(shè)計(jì)為20年，在剩余16.8年中，共可節(jié)約電費(fèi)79834元。假設(shè)一個(gè)五萬(wàn)千瓦裝機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，那么整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)變臺(tái)數(shù)為33臺(tái)，則在余下的16.8年之間在風(fēng)機(jī)變上所能夠產(chǎn)生的要以就會(huì)達(dá)到2634508.8元。如果在一些風(fēng)電電價(jià)更高地區(qū)，則經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、投資風(fēng)險(xiǎn)大的新能源產(chǎn)業(yè)，只有在不斷提高風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力才能夠更好更快的促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速進(jìn)步。非晶合金變壓器從發(fā)展至今已取得突出性進(jìn)步，不論是在技術(shù)還是材料上早已達(dá)到商業(yè)化程度。尤其是在大型風(fēng)電場(chǎng)或區(qū)域性風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)機(jī)變整體負(fù)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(shè)備空載損耗，對(duì)降低總損耗和提高風(fēng)電經(jīng)濟(jì)效益，意義將十分重大。從長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光來(lái)看，非晶合金變壓器的使用既可為國(guó)家節(jié)約大量能源，又會(huì)取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，從節(jié)能降耗、落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的角度來(lái)看，也是值得在風(fēng)電行業(yè)大力推廣使用。

注釋

①徐澤瑋.我國(guó)非晶合金配電變壓器的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展建議.江蘇電機(jī)工程，2006.6.13(3).

②宋天林.非晶合金變壓器發(fā)展前景探析.電器工業(yè)，2008.6.

③2008年度中國(guó)風(fēng)電建設(shè)成果統(tǒng)計(jì)報(bào)告.中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司.2009.3.