Структура, Performans, Надежност и Оптимизација на Дизајнот на Трансформаторите за Ветро Енергија

1 Основна структура, работни карактеристики и специфични барања на трансформаторите за производство на енергија од ветер
1.1 Основна структура на трансформаторите
(1) Структура на језгро

Трансформаторите за производство на енергија од ветер користат материјали за језгро со висока магнетна проникливост за намалување на губитоци на енергија. Во примената, језглото обично бара специјална обработка за да се прилагоди на тешкото околина со долготрајна висока влажност и висока соленост. Порточесно во офшорните паркови за ветрени генератори, отпорноста на корозија на језглото е особено важна.

(2) Витачки систем

Витачките системи се важен компонент во трансформаторите за производство на енергија од ветер и обично се извитани со медени или алуминиеви жици. Дизајнот на витачките системи на трансформаторите за производство на енергија од ветер треба да ги земе предвид честите промени во напонот и стројмот кои се причинети од флукуациите на брзината на ветерот, осигурувајќи дека витачките системи можат длабоко време да работат стабилно под високи оптоварувања.

(3) Систем за хладење и отстраниување на топлина

Трансформаторите за производство на енергија од ветер потребуваат ефективен систем за хладење за да се осигура дека не ќе бидат повредени поради прекумерна топлина во време на работа под високи оптоварувања. Обични методи за хладење вклучуваат масло-потопен тип и природно воздух-хладен тип. Масло-потопените трансформатори го земаат топлинскиот градиент преку циркулацијата на масло и се прифатливи за големи моќности на парковите за ветер; додека воздух-хладените трансформатори се погодни за сценарија со помала моќ и по благи околини.

1.2 Работни карактеристики

Работните карактеристики на трансформаторите за производство на енергија од ветер: Производството на енергија од ветер е нестабилно, и капацитетот на производството варира со промените во брзината на ветерот. Затоа, трансформаторот треба да има висока капацитет за регулација на оптоварувањето и да може да се прилагоди на чести флуктуации на оптоварувањето. Различно од традиционалните мрежни трансформатори, трансформаторите за производство на енергија од ветер често се наоѓаат во делично оптоварено состојба, што поставува специфични барања за нивната енергетска ефикасност и капацитет за отстраниување на топлина.

1.3 Специфични барања во околината на производството на енергија од ветер
(1) Отпорност на флуктуациите на брзината на ветер

Производството на енергија од ветер варира со промените во брзината на ветерот, и оваа флуктуација може да доведе до нестабилност на напонот. Затоа, трансформаторите за производство на енергија од ветер треба да имаат соодветни капацитети за регулација за да се спречат влијанијата на мрежата за електрична енергија.

(2) Прилагодливост на тешки услови во околината

Повеќето паркови за ветер се изградени во тешки околини. Затоа, трансформаторите за производство на енергија од ветер мораат да имаат добра отпорност на корозија и капацитет за заштита од влага. За парковите за ветер во планински области, трансформаторите за производство на енергија од ветер треба да се справат со екстремни климатски услови како ниска температура и висока брзина на ветер.

(3) Барања за надворешно мониторинг и одржуванje

Бидејќи парковите за ветер обично се наоѓаат во отдалечени области, цената на одржуванjето на грешки на трансформаторите за производство на енергија од ветер е релативно висока. Затоа, потребно е да се изгради систем за надворешен мониторинг за да се следи оперативното состојба на трансформаторот во реално време.

2 Перформанса на трансформаторите за производство на енергија од ветер
2.1 Анализа на електричната перформанса
(1) Капацитет за регулација на напонот

Една од основните задачи на трансформаторите за производство на енергија од ветер е да ја подигнат ниската напонска излезна вредност од ветрени генератори до висок напон за долготрајна пренос на енергија. Затоа, капацитетот за регулација на напонот е кључен индикатор за мерење на електричната перформанса на трансформаторите за производство на енергија од ветер. Обично, опсегот на подигнување на напонот на трансформаторот е дизајниран да се прилагоди на флуктуациите на излезот при различни брзини на ветер, осигурувајќи стабилен напонски излез и намалувајќи влијанијата на мрежата за електрична енергија.

(2) Импеданса при кратко поврзување и заштита против грешки

Импедансата при кратко поврзување на трансформаторите за производство на енергија од ветер директно влијае на стабилноста при грешки при кратко поврзување. Ниска импеданса при кратко поврзување може да подобри брзината на одговор на системот при грешки, но истовремено може да доведе до зголемена флуктуација на стројот на системот кога брзината на ветерот варира. Оптимизирањето на дизајнот на импедансата при кратко поврзување не само помогнува да се намали стројот при кратко поврзување, туку и подобрува безбедносната работа на трансформаторот и стабилноста на мрежата за електрична енергија.

(3) Губитоци и ефикасност

Губитоците на трансформаторите за производство на енергија од ветер се главно поделени на меден губиток и железен губиток. Меден губиток е губиток на електрична енергија причинет од отпорот на витачките системи, додека железен губиток е поврзан со магнетизацијата на железното језгро. Во сценарот за производство на енергија од ветер, трансформаторот треба да има ефикасни капацитети за конверзија на енергија за да се намалат губитоците при пренос и максимално да се исползува потенцијалот на енергијата од ветер. Затоа, изборот на материјали со висока ефикасност и оптимизацијата на дизајнот значително можат да намалат губитоците и да подобрат целокупната ефикасност.

2.2 Анализа на термичката перформанса
(1) Губитоци на топлина и отстранување на топлина

Трансформаторите за производство на енергија од ветер генерираат голем количества топлина во време на работа, особено под високи оптоварувања. Прекумерно високи температури можат да доведат до одeterioration of winding insulation materials and even cause safety accidents. Therefore, the management of thermal performance is crucial for the safe operation of the transformer. Oil-immersed transformers dissipate heat through the circulation and cooling of transformer oil and are suitable for high-power scenarios; while air-cooled transformers dissipate heat through natural wind and are suitable for wind farms with relatively high wind speeds. Optimizing the design of the cooling system to ensure that heat can be dissipated in a timely manner is the key to extending the service life of the transformer.

(2) Thermal Stress and Life Prediction

Due to the load fluctuation of wind power generation, the thermal stress of transformers for wind power generation changes greatly, especially when the power changes sharply. Under the long-term environment of thermal stress fluctuation, the insulation materials of the transformer will gradually age, affecting the service life. Through thermal simulation analysis and life prediction models, the reliability of the transformer under different working conditions can be better evaluated, and corresponding optimization suggestions can be put forward.

2.3 Analysis of Insulation Performance
(1) Selection of Insulation Materials

The insulation performance of transformers for wind power generation is the basis for ensuring their safe operation. The insulation system of the transformer includes solid insulation materials and liquid insulation materials. In wind farms, especially offshore wind farms, the environment of high humidity and high salinity may accelerate the aging and failure of insulation materials.

(2) Partial Discharge and Withstand Voltage Capability

Partial discharge is one of the main causes of insulation failure of transformers for wind power generation. Due to the large voltage fluctuations in wind power generation systems, the transformer needs to have a strong withstand voltage capability, especially when the wind speed changes sharply, to avoid the occurrence of partial discharge. By using new insulation materials and optimizing the winding layout, the withstand voltage capability of the transformer can be significantly improved, and the occurrence of partial discharge phenomena can be reduced.

3 Reliability Evaluation, Influencing Factors and Solutions to Common Faults of Transformers for Wind Power Generation
3.1 Reliability Evaluation Models
(1) Failure Mode and Effects Analysis

Failure Mode and Effects Analysis is an important tool for evaluating the reliability of transformers. By analyzing the possible failure modes of transformers for wind power generation under different working conditions, its impact on the overall system is evaluated. The application of Failure Mode and Effects Analysis can help wind power operation and maintenance personnel identify potential risks in advance, take preventive measures in a timely manner, and reduce the failure rate of transformers.

(2) Life Prediction Model

The service life of transformers for wind power generation is usually affected by multiple factors such as material aging, thermal stress, and mechanical vibration. Through the life prediction model, combined with on-site data, the remaining life of the transformer can be predicted, and then corresponding maintenance strategies can be formulated. The accuracy of life prediction is crucial to the reliability of the transformer and can significantly reduce the occurrence rate of sudden failures.

3.2 Main Influencing Factors
(1) Impact of Operating Environment

The environment where the wind farm is located has a significant impact on the reliability of transformers for wind power generation. The high humidity and high salinity environment of offshore wind farms may accelerate the corrosion of equipment, while the extreme temperature changes in inland wind farms (such as the low temperature in alpine regions) will increase the aging speed of insulation materials. Therefore, it is crucial to design special protective measures and material selection for different environments. For example, in offshore wind farms, anti-corrosion coatings and salt-fog-resistant materials can be used to protect transformer components.

(2) Load Fluctuation and Current Impact

The load fluctuation of wind power generation is relatively large, and the sharp changes in wind speed may cause frequent fluctuations in current and voltage, resulting in additional mechanical and electrical stresses on the internal components of transformers for wind power generation. The frequent changes in load will increase the mechanical vibration of the winding and the risk of magnetic saturation of the iron core, thereby affecting the service life and operating stability of the transformer.

(3) Electromagnetic Interference and Harmonics

A large number of harmonics may be generated in wind power generation systems. Harmonics will interfere with the normal operation of transformers for wind power generation, especially affecting their electromagnetic compatibility. The transformer needs to have a strong anti-electromagnetic interference capability to prevent equipment failures caused by harmonic interference.

3.3 Common Faults and Solutions
(1) Overheating Fault

When operating under high load, if the heat generated inside the transformer for wind power generation cannot be dissipated in a timely manner, it may cause the winding to overheat and even cause the insulation layer to burn out. To avoid this situation, a more efficient cooling system can be adopted, and a real-time monitoring system can be added to monitor the operating temperature of the transformer.

(2) Insulation Fault

Due to the aging or moisture of insulation materials, it may lead to short circuits between windings or between windings and the iron core. By using new high-temperature-resistant and moisture-resistant materials, the service life of the insulation system can be extended. At the same time, moisture-proof measures can be strengthened, such as increasing the tightness of the shell and applying moisture-proof coatings.

(3) Mechanical Vibration and Structural Loosening

During the operation of transformers for wind power generation, they are subject to mechanical vibration impacts caused by changes in wind speed for a long time, which may lead to the loosening of internal components. Regularly inspecting and tightening the internal structure of the transformer and adopting anti-vibration design can effectively reduce the risk of faults caused by mechanical vibration.

4 Optimization Design Schemes for Transformers for Wind Power Generation
4.1 Optimization of Material Selection
(1) Application of High-Performance Insulation Materials

In recent years, new high-performance insulation materials have been gradually applied to the design of transformers for wind power generation, such as polyester films and aramid fibers. The above materials not only have good high-temperature resistance and moisture resistance but also can effectively extend the service life of the transformer, improve the electrical insulation performance of the transformer, and reduce the risk of partial discharge.

(2) Design of Low-Loss Iron Core

The loss of the iron core in transformers for wind power generation directly affects the efficiency of the equipment. Using low-loss silicon steel sheets or amorphous alloy materials can significantly reduce iron loss and reduce heat generation while ensuring the operating efficiency of the transformer. Especially in the application of high-frequency transformers, amorphous alloy core materials show extremely high electromagnetic compatibility and low-loss characteristics and gradually become an important direction for the optimized design of wind power transformers.

4.2 Optimization of Structural Design
(1) Compact Design and Lightweight

Wind farms, especially offshore wind farms, have strict requirements on the volume and weight of transformers for wind power generation. Adopting a compact design and lightweight structure can not only reduce the floor area of the equipment but also reduce the installation and transportation costs. By reducing the size of the iron core and windings and optimizing the design of the transformer shell, the miniaturization and lightweight of the equipment can be effectively realized to meet the special needs of wind farms.

(2) Optimization of Cooling System

Traditional transformers for wind power generation mostly use oil-immersed cooling, but in offshore wind farms, the maintenance of oil-immersed cooling is relatively complicated. Therefore, it is particularly important to adopt efficient air-cooling or water-cooling systems. Optimizing the cooling system can not only improve the heat dissipation efficiency but also reduce the use of cooling media, improving the reliability and environmental protection of the equipment.

4.3 Optimization of Control System
(1) Intelligent Monitoring and Remote Diagnosis Technology

With the development of the Internet of Things and intelligent technology, the control system of transformers for wind power generation is gradually developing in the direction of intelligence. By introducing a real-time data monitoring and remote fault diagnosis system, real-time monitoring of the operating status of the transformer can be realized. When an abnormality is detected, the system can send out an alarm signal in a timely manner and perform remote fault diagnosis, reducing the equipment downtime.

(2) Power Regulation and Load Optimization Control

In wind power generation systems, transformers for wind power generation need to cope with power changes caused by wind speed fluctuations. By optimizing the power regulation algorithm and introducing a load optimization control system, it can be ensured that the transformer always maintains the best working state under different wind speeds. Dynamic power regulation can not only improve the stability of power transmission but also effectively extend the service life of the transformer.

5 Conclusion

Transformers for wind power generation play an important role in modern clean energy. Their performance and reliability directly affect the efficiency of wind farms and the stability of the power grid. In the future, with the development of intelligent monitoring and remote diagnosis technology, wind power transformers will play a greater role in improving the operating efficiency of wind farms and reducing maintenance costs.