アメリカ式箱型変圧器を搭載した風力タービンの簡略化された構成

風力発電は再生可能でクリーンなエネルギー源であり、比較的成熟した技術を持ち、近年中国では急速な発展を遂げています。2010年までに総設置容量が1.8×10⁴ MWに達すると推定されています。風力発電の特徴は建設期間が短く、効果が出るのが早く、コストパフォーマンスが高いことです。通常、50-MWの風力発電所を建設するには約1年かかります。完成後は運転コストが低く、運転および保守の作業量も比較的小さいです。

風力発電所に選択された昇圧トランスフォーマーの概要

各風力タービンユニットには昇圧トランスフォーマーが装備されており、生成された電圧（0.69 kV）を上げて風力発電所内の集電線に接続します。「1機1変圧器」方式の配線が採用されています。集電線は風力発電所の昇圧変電所を通じて電力網に接続されます。現在、選ばれているトランスフォーマーには主に3種類あり、一般的な油浸式トランスフォーマー（あまり使用されない）、ヨーロッパスタイルのプレファブ変電所、アメリカスタイルのプレファブ変電所（アメリカスタイルの箱型変電所と呼ばれる）です。その中でも、アメリカスタイルの箱型変電所が最も頻繁に使用されています。

ヨーロッパスタイルのプレファブ変電所と比較して、アメリカスタイルの箱型変電所は構造がコンパクトで全密封、体積が小さく、エルボーケーブルプラグを使用し、ガス保護がない、操作とメンテナンスが容易などの利点があります。アメリカスタイルの箱型変電所は主に都市配電網、住宅地、工業団地、商業センターなどでの電力供給に使用されています。近年、風力タービンをサポートする昇圧トランスフォーマーとして広く使用されています。その典型的な電気配線図（配電網での応用と基本的に同じ）は図1に示されています。配電網の要件に従って、アメリカスタイルの箱型変電所には以下の保護装置が装備されています：

• 油浸式プラグインヒューズ、これはトランスフォーマーの低電圧側でショート回路障害が発生したときに動作します；

• 油浸式制限ヒューズ、これはトランスフォーマー内部の高電圧側でショート回路障害が発生したときに素早く動作してトランスフォーマーを切断し、事故の拡大を防ぎます。

• 三相連動負荷スイッチ、これは油中に浸かっており、トランスフォーマーの負荷を伴う閉鎖操作を行うことができます；

• スマート回路ブレーカー（またはヒューズ分離スイッチ）、主に負荷側を保護するために使用されます。

アメリカスタイルの箱型変電所の保護構成の簡略化

簡略化原則

アメリカスタイルのトランスフォーマーとは、アメリカスタイルの箱型変電所の基本的な特徴（構造、波状放熱器、ガス保護なし、圧力開放弁、制限ヒューズなど）を保持しながら、保護装置を簡略化したトランスフォーマーを指します。風力発電の運用経験に基づいて、いくつかの保護装置を削除し、風力発電専用のトランスフォーマーとなっています。

簡略化された保護構成

風力発電に適用されるアメリカスタイルの箱型変電所から保護装置を削除することは技術的に可能です。集電線には信頼性の高い保護装置（昇圧変電所に設置）が装備されています。集電線は昇圧変電所に接続され、電圧を上げてシステムに接続されます。昇圧変電所では各集電線に対して線路保護を設定しています。保護範囲は集電線だけでなく、箱型変電所や風力タービンにも及んでいます。特定の線路でショート回路や他の障害が発生した場合、線路保護が動作してその線路を切断します。風力タービンには完全なセットの保護装置（地上制御盤に設置）が装備されています。電力網で障害や異常が発生した場合、風力タービンの保護が動作して風力タービンを切断します（ここでいう電力網は集電線と箱型変電所システムを指します）。表1は風力タービンメーカーが設定する電力網保護を示しています。

箱型変電所のいくつかの保護構成は比較的単純です。その保護機能は集電線保護や風力タービン保護よりも劣っており、冗長なクロス保護を形成しています。そのため、箱型変電所に設定された電力網保護は不要であり、削除することができます。スマート回路ブレーカーの保護範囲と機能は風力タービンの電力網保護によって完全に置き換えることができます。また、一部の不要な部品（負荷スイッチやプラグインヒューズなど）を排除することで、潜在的な事故ポイントを減らし、設備の運転信頼性を向上させることができます。

簡略化されたアメリカスタイルの箱型変電所の保護設定

簡略化されたアメリカスタイルの箱型変電所が風力発電所の運転要件を満たすことを確保するために、吉林電力有限公司電力研究院は吉林電力有限公司、北京四方微電子有限公司、大唐吉林公司などの18人の専門家を集めて慎重に検討とレビューを行いました。簡略化されたアメリカスタイルの箱型変電所は風力発電専用のトランスフォーマーであり、アメリカスタイルの箱型変電所技術を消化して開発されました。技術的には風力タービンユニットの安全かつ信頼性の高い運転要件を十分に満たしており、良好な経済効果があり、風力発電所で広く普及利用することができます。簡略化されたアメリカスタイルの箱型変電所の構成は図2に示されています。

技術的・経済的分析

多くの風力発電所では現在、元の設計のアメリカスタイルの箱型変電所を採用しており、複雑な保護機能は風力発電システムには適していません。簡略化されたアメリカスタイルの箱型変電所を使用することで、設備コストを大幅に削減し、社会的・経済的利益をもたらすことができます。初期の計算によると、各ユニットあたりのコストを約3万円削減することができます。

負荷スイッチ、プラグインヒューズ、スマート回路ブレーカーなどの不要な部品を排除することで、潜在的な事故ポイントが減少し、事故の確率が大幅に低下します。操作は簡単で便利、安全かつ信頼性が高く、メンテナンスの作業量が大幅に減少します。簡略化されたアメリカスタイルの箱型変電所は吉林省のいくつかの風力発電所で導入され、明確な社会的・経済的利益を達成しています。