Structuur Prestatie Betrouwbaarheid en Optimalisatieontwerp van Windenergie Transformatoren

1 Basisstructuur, werkeigenschappen en speciale eisen van transformatoren voor windenergie
1.1 Basisstructuur van transformatoren
(1) Kernstructuur

Transformatoren voor windenergie gebruiken kernmaterialen met een hoge magnetische doorlaatbaarheid om energieverliezen te verminderen. In de toepassing vereist de kern meestal een speciale behandeling om zich aan te passen aan de strenge omgeving van langdurige hoge vochtigheid en hoge zoutconcentratie. Vooral in offshore windparken is de corrosiebestendigheid van de kern bijzonder belangrijk.

(2) Windingsysteem

De winding is een belangrijk onderdeel in transformatoren voor windenergie en wordt meestal gewikkeld met koper- of aluminiumdraden. Het ontwerp van de winding van transformatoren voor windenergie moet rekening houden met de frequente veranderingen in spanning en stroom die worden veroorzaakt door fluctuaties in windsnelheid, waardoor wordt gewaarborgd dat de winding stabiel kan functioneren over een lange periode onder hoge belastingen.

(3) Koelsysteem en warmteafvoer

Transformatoren voor windenergie hebben een effectief koelsysteem nodig om te voorkomen dat ze door oververhitting beschadigen tijdens het werken onder hoge belasting. Algemene koelmethoden zijn oliegedrenkte en natuurlijk luchtgekoelde types. Oliegedrenkte transformatoren voeren warmte af via de circulatie van olie en zijn geschikt voor grote kracht windparken; terwijl luchtgekoelde transformatoren meer geschikt zijn voor scenario's met kleinere krachten en milde omstandigheden.

1.2 Werkeigenschappen

De werkeigenschappen van transformatoren voor windenergie: Windenergie is onstabiel, en de opwekcapaciteit fluctueert met veranderingen in windsnelheid. Daarom moet de transformer een hoge belastingsaanpassingscapaciteit hebben en kunnen aangepast worden aan frequente belastingsfluctuaties. Anders dan traditionele nettransformatoren, staan transformatoren voor windenergie vaak in een gedeeltelijke belastingsstaat, wat speciale eisen stelt aan hun energie-efficiëntie en warmteafvoercapaciteiten.

1.3 Speciale eisen in de windenergie-omgeving
(1) Bestendigheid tegen windsnelheidsfluctuaties

De opwekking van windenergie fluctueert met veranderingen in windsnelheid, en deze fluctuatie kan leiden tot spanningsonstabiliiteit. Daarom moeten transformatoren voor windenergie de nodige aanpassingscapaciteiten hebben om impacten op het elektriciteitsnet te voorkomen.

(2) Aanpassing aan strenge omgevingscondities

De meeste windparken zijn gebouwd in strenge omgevingen. Daarom moeten transformatoren voor windenergie goede corrosiebestendigheid en vochtdichtcapaciteiten hebben. Voor alpine windparken moeten transformatoren voor windenergie extreme klimaatcondities zoals lage temperaturen en hoge windsnelheden kunnen weerstaan.

(3) Eisen voor afstandsmonitoring en -onderhoud

Omdat windparken meestal in afgelegen gebieden liggen, is het onderhoudskosten voor storingen van transformatoren voor windenergie relatief hoog. Daarom moet er een afstandsmonitorsysteem worden ingesteld om de werkstatus van de transformer in real-time te bewaken.

2 Prestaties van transformatoren voor windenergie
2.1 Analyse van elektrische prestaties
(1) Spanningsregelingscapaciteit

Een van de kernopgaven van transformatoren voor windenergie is het verhogen van de lage spanning die door windturbines wordt opgewekt naar een hoge spanning voor langetermijn elektriciteitsvervoer. Daarom is de spanningsregelingscapaciteit een belangrijke indicator om de elektrische prestaties van transformatoren voor windenergie te meten. Meestal wordt het opstuwrang van de transformer ontworpen om aan te passen aan de uitvoerfluctuaties onder verschillende windsnelheden, waardoor een stabiele spanninguitvoer wordt gegarandeerd en de impact op het elektriciteitsnet wordt verminderd.

(2) Kortsluitspanning en foutbescherming

De kortsluitimpedantie van transformatoren voor windenergie beïnvloedt direct de stabiliteit tijdens kortsluitfouten. Een lagere kortsluitimpedantie kan de foutreactiesnelheid van het systeem verbeteren, maar kan ook leiden tot een toename in stroomfluctuaties van het systeem wanneer de windsnelheid fluctueert. Het optimaliseren van de kortsluitimpedantieontwerp helpt niet alleen bij het verminderen van de kortsluitstroom, maar verbetert ook de werksveiligheid van de transformer en de stabiliteit van het elektriciteitsnet.

(3) Verlies en efficiëntie

De verliezen van transformatoren voor windenergie zijn voornamelijk verdeeld in koperverlies en ijzerverlies. Koperverlies is het elektrische energieverlies veroorzaakt door de windingweerstand, terwijl ijzerverlies gerelateerd is aan het magnetisatieproces van de ijzerkern. In het windenergiescenario moet de transformer efficiënte energieconversiecapaciteiten hebben om verliezen tijdens het vervoer te verminderen en de maximale benutting van windenergie te maximaliseren. Daarom kan het selecteren van hoge-efficiëntiematerialen en het optimaliseren van het ontwerp de verliezen significant verminderen en de algemene efficiëntie verbeteren.

2.2 Analyse van thermische prestaties
(1) Warmteverlies en warmteafvoer

Transformatoren voor windenergie genereren een grote hoeveelheid warmte tijdens de bedrijfsvoering, vooral onder hoge belasting. Overmatig hoge temperaturen kunnen leiden tot de verslechtering van de isolatiematerialen van de winding en zelfs veiligheidsincidenten veroorzaken. Daarom is de beheersing van thermische prestaties cruciaal voor de veilige bedrijfsvoering van de transformer. Oliegedrenkte transformatoren voeren warmte af door de circulatie en koeling van transformatorolie en zijn geschikt voor hoge krachtscenario's; terwijl luchtgekoelde transformatoren warmte afvoeren door natuurlijke wind en geschikt zijn voor windparken met relatief hoge windsnelheden. Het optimaliseren van het ontwerp van het koelsysteem om ervoor te zorgen dat warmte tijdig kan worden afgevoerd, is de sleutel tot het verlengen van de levensduur van de transformer.

(2) Thermische spanning en levensduurvoorspelling

Vanwege de belastingsfluctuaties van windenergie veranderen de thermische spanningen van transformatoren voor windenergie sterk, vooral wanneer de kracht plotseling verandert. Onder de lange-termijnomgeving van fluctuerende thermische spanningen zullen de isolatiematerialen van de transformer geleidelijk vervallen, wat de levensduur beïnvloedt. Door middel van thermische simulatieanalyse en levensduurvoorspellingsmodellen kan de betrouwbaarheid van de transformer onder verschillende werkcondities beter worden geëvalueerd, en corresponderende optimalisatievoorstellen kunnen worden gedaan.

2.3 Analyse van isolatieprestaties
(1) Selectie van isolatiematerialen

De isolatieprestaties van transformatoren voor windenergie zijn de basis voor het waarborgen van hun veilige bedrijfsvoering. Het isolatiesysteem van de transformer omvat vaste isolatiematerialen en vloeibare isolatiematerialen. In windparken, vooral offshore windparken, kan de omgeving van hoge vochtigheid en hoge zoutconcentratie het ouder worden en falen van isolatiematerialen versnellen.

(2) Partiële ontlading en spanningstolerantie

Partiële ontlading is een van de hoofdoorzaken van isolatiefalen van transformatoren voor windenergie. Vanwege de grote spanningfluctuaties in windenergiesystemen moet de transformer een sterke spanningstolerantie hebben, vooral wanneer de windsnelheid plotseling verandert, om partiële ontlading te voorkomen. Door gebruik te maken van nieuwe isolatiematerialen en het windinglayout te optimaliseren, kan de spanningstolerantie van de transformer significant worden verbeterd, en het optreden van partiële ontladingfenomenen worden verminderd.

3 Betrouwbaarheidsbeoordeling, invloedrijke factoren en oplossingen voor veelvoorkomende storingen van transformatoren voor windenergie
3.1 Betrouwbaarheidsbeoordelingsmodellen
(1) Foutmodus- en effectenanalyse

Foutmodus- en effectenanalyse is een belangrijk instrument voor het evalueren van de betrouwbaarheid van transformatoren. Door de mogelijke foutmodi van transformatoren voor windenergie onder verschillende werkcondities te analyseren, wordt de impact op het gehele systeem geëvalueerd. De toepassing van foutmodus- en effectenanalyse kan helpen bij het identificeren van potentiële risico's door windenergie-operatie- en onderhoudspersoneel, tijdelijke preventieve maatregelen nemen en het faalpercentage van transformatoren verlagen.

(2) Levensduurvoorspellingsmodel

De levensduur van transformatoren voor windenergie wordt meestal beïnvloed door meerdere factoren zoals materiaalveroudering, thermische spanning en mechanische trilling. Door middel van het levensduurvoorspellingsmodel, gecombineerd met ter plaatse verzamelde gegevens, kan de resterende levensduur van de transformer worden voorspeld, en vervolgens passende onderhoudsstrategieën worden opgesteld. De nauwkeurigheid van de levensduurvoorspelling is cruciaal voor de betrouwbaarheid van de transformer en kan het optreden van plotselinge storingen significant verminderen.

3.2 Hoofdinvloedrijke factoren
(1) Impact van de bedrijfsomgeving

De omgeving waarin het windpark zich bevindt heeft een significante impact op de betrouwbaarheid van transformatoren voor windenergie. De hoge vochtigheid en hoge zoutconcentratie in offshore windparken kunnen de corrosie van apparatuur versnellen, terwijl extreme temperatuurveranderingen in landelijke windparken (zoals lage temperaturen in alpine regio's) de verouderingssnelheid van isolatiematerialen verhogen. Daarom is het cruciaal om speciale beschermingsmaatregelen en materiaalselectie te ontwerpen voor verschillende omgevingen. Bijvoorbeeld, in offshore windparken kunnen corrosiebestendige coatings en zoutsneeuwbestriddende materialen worden gebruikt om de componenten van de transformer te beschermen.

(2) Belastingsfluctuaties en stroomimpact

De belastingsfluctuaties van windenergie zijn relatief groot, en scherpe veranderingen in windsnelheid kunnen frequent fluctuaties in stroom en spanning veroorzaken, wat extra mechanische en elektrische spanningen oplevert op de interne componenten van transformatoren voor windenergie. Frequent veranderende belasting zal de mechanische trilling van de winding en het risico op magnetische verzadiging van de ijzerkern verhogen, waardoor de levensduur en bedrijfsstabiliteit van de transformer worden beïnvloed.

(3) Elektromagnetische interferentie en harmonischen

In windenergiesystemen kunnen veel harmonischen worden gegenereerd. Harmonischen zullen de normale bedrijfsvoering van transformatoren voor windenergie storen, vooral hun elektromagnetische compatibiliteit. De transformer moet een sterke anti-elektromagnetische-interferentiecapaciteit hebben om apparaatfalen te voorkomen die worden veroorzaakt door harmonische interferentie.

3.3 Veelvoorkomende storingen en oplossingen
(1) Oververhittingsstoring

Bij bedrijfsvoering onder hoge belasting, als de warmte die binnen de transformer voor windenergie wordt geproduceerd niet tijdig kan worden afgevoerd, kan dit leiden tot oververhitting van de winding en zelfs tot brand van de isolatielaag. Om deze situatie te voorkomen, kan een efficiënter koelsysteem worden toegepast, en een real-time monitoresysteem kan worden toegevoegd om de bedrijfstemperatuur van de transformer te bewaken.

(2) Isolatiestoring

Door het ouder worden of vochtig worden van isolatiematerialen, kan dit leiden tot kortsluitingen tussen windingen of tussen windingen en de ijzerkern. Door gebruik te maken van nieuwe hitte- en vochtbestendige materialen, kan de levensduur van het isolatiesysteem worden verlengd. Tegelijkertijd kunnen vochtbestendige maatregelen worden versterkt, zoals het vergroten van de dichtheid van de behuizing en het aanbrengen van vochtbestendige coatings.

(3) Mechanische trilling en structurele losmaking

Tijdens de bedrijfsvoering van transformatoren voor windenergie, zijn ze langdurig blootgesteld aan mechanische trillingsimpacten veroorzaakt door veranderingen in windsnelheid, wat kan leiden tot losmaking van interne componenten. Regelmatig inspecteren en aandraaien van de interne structuur van de transformer en het gebruik van anti-trillingontwerp kan het risico van storingen door mechanische trilling effectief verminderen.

4 Optimalisatie-ontwerpschema's voor transformatoren voor windenergie
4.1 Optimalisatie van materiaalselectie
(1) Toepassing van hoogwaardige isolatiematerialen

In recente jaren worden geleidelijk nieuwe hoogwaardige isolatiematerialen toegepast in het ontwerp van transformatoren voor windenergie, zoals polyesterfilms en aramide vezels. Deze materialen hebben niet alleen goede hitte- en vochtbestendigheid, maar kunnen ook effectief de levensduur van de transformer verlengen, de elektrische isolatieprestaties van de transformer verbeteren en het risico van partiële ontlading verminderen.

(2) Ontwerp van laag-verlies ijzerkern

Het verlies van de ijzerkern in transformatoren voor windenergie beïnvloedt direct de efficiëntie van de apparatuur. Door gebruik te maken van laag-verlies siliciumstaalplaten of amorfe legersmetselmaterialen kan het ijzerverlies aanzienlijk worden verlaagd en de warmtegeneratie worden verminderd, terwijl de bedrijfsefficiëntie van de transformer wordt gewaarborgd. Vooral in de toepassing van hogefrequente transformatoren tonen amorfe legersmetselkernmaterialen uiterst hoge elektromagnetische compatibiliteit en laag-verlieskenmerken, en worden geleidelijk een belangrijke richting voor de geoptimaliseerde ontwerpen van windenergie-transformatoren.

4.2 Optimalisatie van structuurontwerp
(1) Compact ontwerp en lichtgewicht

Windparken, vooral offshore windparken, stellen strenge eisen aan de volume en gewicht van transformatoren voor windenergie. Door een compact ontwerp en lichtgewichtstructuur te gebruiken, kan niet alleen de grondoppervlakte van de apparatuur worden verkleind, maar ook de installatie- en transportkosten worden verlaagd. Door de grootte van de ijzerkern en windingen te verkleinen en het ontwerp van de transformatorbehuizing te optimaliseren, kan de miniaturisering en lichtgewicht van de apparatuur effectief worden gerealiseerd om aan de speciale behoeften van windparken te voldoen.

(2) Optimalisatie van het koelsysteem

Traditionele transformatoren voor windenergie gebruiken meestal oliegedrenkte koeling, maar in offshore windparken is de onderhoudsvoering van oliegedrenkte koeling relatief ingewikkeld. Daarom is het bijzonder belangrijk om efficiënte lucht- of waterkoelsystemen te gebruiken. De optimalisatie van het koelsysteem kan niet alleen de warmteafvoerefficiëntie verbeteren, maar ook het gebruik van koelmedia verminderen, waardoor de betrouwbaarheid en milieuvriendelijkheid van de apparatuur worden verbeterd.

4.3 Optimalisatie van het besturingssysteem
(1) Intelligent monitoring en afstandsdiagnose technologie

Met de ontwikkeling van de Internet of Things en intelligente technologie, ontwikkelt het besturingssysteem van transformatoren voor windenergie zich geleidelijk in de richting van intelligentie. Door een real-time datamonitoresysteem en afstandsdiagnosesysteem in te voeren, kan de bedrijfsstatus van de transformer in real-time worden bewaakt. Wanneer een anomalie wordt gedetecteerd, kan het systeem op tijd een alarmmelding versturen en afstandsdiagnose uitvoeren, waardoor de neerzetperiode van de apparatuur wordt verminderd.

(2) Krachtregeling en belastings optimalisatiecontrole

In windenergiesystemen moeten transformatoren voor windenergie omgaan met krachtveranderingen veroorzaakt door fluctuaties in windsnelheid. Door de krachtregelingsalgoritme te optimaliseren en een belastings optimalisatiecontrolesysteem in te voeren, kan worden gewaarborgd dat de transformer altijd de beste werkingstoestand behoudt onder verschillende windsnelheden. Dynamische krachtregeling kan niet alleen de stabiliteit van krachttransport verbeteren, maar ook effectief de levensduur van de transformer verlengen.

5 Conclusie

Transformatoren voor windenergie spelen een belangrijke rol in moderne schone energie. Hun prestaties en betrouwbaarheid beïnvloeden rechtstreeks de efficiëntie van windparken en de stabiliteit van het elektriciteitsnet. In de toekomst, met de ontwikkeling van intelligente monitoring en afstandsdiagnosetechnologie, zullen windenergie-transformatoren een grotere rol spelen in het verbeteren van de bedrijfsefficiëntie van windparken en het verminderen van onderhoudskosten.