Struktura, delovanje, zanesljivost in optimizacijski dizajn vetrnih transformatorjev

1 Osnovna struktura, delovne značilnosti in posebne zahteve transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra
1.1 Osnovna struktura transformatorjev
(1) Struktura jedra

Transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra uporabljajo materiale s visoko magnetno vodljivostjo, da zmanjšajo izgube energije. V uporabi je običajno potrebno posebno ravnanje s jдром, da se prilagodi trdnemu okolju z dolgoročno visoko vlago in solanostjo. Zlasti v pomorskih vetrnih parkih je odpornost jedra na korozijo zlasti pomembna.

(2) Sistem navijanja

Navijanje je pomembna komponenta v transformatorjih za proizvodnjo električne energije iz vetra in je običajno navitek s bakrenimi ali aluminijevimi čevmi. Oblikovanje navijanja v transformatorjih za proizvodnjo električne energije iz vetra mora upoštevati pogoste spremembe napetosti in toka, ki so posledica nihanja hitrosti vetra, in zagotavljati stabilno delovanje navijanja ob visokih obremenitvah.

(3) Sistem hladnjenja in odvzema toplote

Transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra potrebujejo učinkovit sistem hladnjenja, da se prepreči poškodba zaradi prekomerne segrevanja med delovanjem pri visokih obremenitvah. Skupni načini hladnjenja vključujejo oljni in naravno zračno hladnjenje. Oljni transformatorji odvzemajo toplotu preko cirkulacije olja in so primerni za velikomocne vetrne parke; medtem ko so zračno hlajeni transformatorji bolj primernejši za scene z manjšo močjo in lažjim okoljem.

1.2 Delovne značilnosti

Delovne značilnosti transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra: Proizvodnja električne energije iz vetra je nestabilna in zmogljivost proizvodnje nihava z nihanjem hitrosti vetra. Zato transformator mora imeti visoko sposobnost prilagajanja obremenitvi in biti sposoben se prilagoditi pogostim nihanjem obremenitve. Različno od tradicionalnih omrežnih transformatorjev, transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra so pogosto v stanju delne obremenitve, kar postavlja posebne zahteve glede energetske učinkovitosti in sposobnosti odvzema toplote.

1.3 Posebne zahteve v okolju proizvodnje električne energije iz vetra
(1) Odpornost na nihanje hitrosti vetra

Proizvodnja električne energije iz vetra nihava z nihanjem hitrosti vetra, in to nihanje lahko povzroči nestabilnost napetosti. Zato transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra potrebujejo ustrezne sposobnosti prilagajanja, da se preprečijo vplivi na elektroenergetska omrežja.

(2) Prilagoditev trdnim okoljskim pogoji

Večina vetrnih parkov je zgrajena v trdnih okoljih. Zato morajo transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra imeti dobro odpornost na korozijo in vlažnost. Za alpske vetrne parke morajo transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra uspešno premagovati ekstremne klimatske pogoje, kot so nizke temperature in visoke hitrosti vetra.

(3) Zahteve glede oddaljenega nadzora in vzdrževanja

Ker so vetrni parki običajno postavljeni v oddaljenih območjih, so stroški popravila krhk v transformatorjih za proizvodnjo električne energije iz vetra relativno visoki. Zato je potrebno ustanoviti sistem oddaljenega nadzora, ki bo v realnem času spremljal delovno stanje transformatorja.

2 Učinkovitost transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra
2.1 Analiza električne učinkovitosti
(1) Sposobnost regulacije napetosti

Ena od ključnih nalog transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra je podaljšanje nize napetosti, ki jo izdelajo vetrne turbine, do višje napetosti za dalečnino prenos električne energije. Zato je sposobnost regulacije napetosti ključni kazalec za merjenje električne učinkovitosti transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra. Običajno je razpon podaljšanja transformatorja oblikovan, da se prilagodi nihanju izhoda pri različnih hitrostih vetra, zagotavljajuč stabilni izhod napetosti in zmanjšujuci vplive na elektroenergetska omrežja.

(2) Krajši-krmilni upor in zaščita pred krhki

Krajši-krmilni upor transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra neposredno vpliva na stabilnost med kratkimi krmili. Nižji krajši-krmilni upor lahko izboljša hitrost odziva sistema na krhke, vendar lahko tudi poveča nihanje toka v sistemu, ko nihajo hitrosti vetra. Optimizacija oblikovanja krajši-krmilnega upora ne le pomaga zmanjšati tok pri kratkem krmilu, ampak tudi izboljša varnost delovanja transformatorja in stabilnost elektroenergetskega omrežja.

(3) Izgube in učinkovitost

Izgube transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra so glavno razdeljene na bakrene in železne izgube. Bakrene izgube so električne izgube, povzročene upori navijanja, medtem ko so železne izgube povezane s procesom magnetizacije železnega jedra. V scenariju proizvodnje električne energije iz vetra mora transformator imeti učinkovito sposobnost pretvorbe energije, da zmanjša izgube med prenosom in maksimalno izkoristi stopnjo uporabe vetrne energije. Zato izbira materialov z visoko učinkovitostjo in optimizacija oblikovanja lahko zelo zmanjša izgube in izboljša celotno učinkovitost.

2.2 Analiza termalne učinkovitosti
(1) Toplotne izgube in odvzem toplote

Transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra generirajo veliko toplote med delovanjem, še posebej ob visokih obremenitvah. Prekomerno visoke temperature lahko povzročijo degradacijo izolacijskih materialov navijanja in celo varnostne nesreče. Zato je upravljanje termalne učinkovitosti ključno za varno delovanje transformatorja. Oljni transformatorji odvzemajo toplotu preko cirkulacije in hladnjenja olja in so primerni za scenarije z visokimi močmi; medtem ko zračno hlajeni transformatorji odvzemajo toplotu preko naravnega zraka in so primerni za vetrne parke z relativno visokimi hitrostmi vetra. Optimizacija oblikovanja sistema hladnjenja, da se zagotovi, da se toplota odvzame v pravočasnu, je ključ za podaljšanje življenjske dobe transformatorja.

(2) Termalni stres in napoved življenjske dobe

Zaradi nihanja obremenitve pri proizvodnji električne energije iz vetra se termalni stres transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra bistveno spreminja, zlasti ob nenadnih spremembah moči. V dolgoročnem okolju nihanja termalnega stresa se izolacijski materiali transformatorja postopoma starajo, kar vpliva na življenjsko dobo. Skozi termalno simulacijsko analizo in modele napovedi življenjske dobe je mogoče bolje oceniti zanesljivost transformatorja v različnih delovnih pogoji in predlagati ustrezne optimizacijske predloge.

2.3 Analiza izolacijske učinkovitosti
(1) Izbor izolacijskih materialov

Izolacijska učinkovitost transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra je osnova za zagotavljanje njihove varne operacije. Izolacijski sistem transformatorja vključuje trde in tekoče izolacijske materiali. V vetrnih parkih, zlasti v pomorskih vetrnih parkih, lahko okolje z visoko vlažnostjo in solanostjo pospeši staranje in propade izolacijskih materialov.

(2) Delni razboj in sposobnost odporu proti napetosti

Delni razboj je ena izmed glavnih vzrokov propada izolacije transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra. Zaradi velikih nihanj napetosti v sistemih proizvodnje električne energije iz vetra mora transformator imeti močno sposobnost odporu proti napetosti, zlasti ob nenadnih spremembah hitrosti vetra, da se prepreči pojav delnega razboja. Z uporabo novih izolacijskih materialov in optimizacijo razporeditve navijanja se lahko zelo izboljša sposobnost odporu proti napetosti transformatorja in zmanjša pojav delnega razboja.

3 Ocena zanesljivosti, vplivajoči faktorji in rešitve za skupne krhke transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra
3.1 Modeli ocene zanesljivosti
(1) Analiza načinov propada in učinkov

Analiza načinov propada in učinkov je pomembno orodje za oceno zanesljivosti transformatorjev. S tem, da se analizirajo možni načini propada transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra v različnih delovnih pogoji, se oceni njegov vpliv na celoten sistem. Uporaba analize načinov propada in učinkov lahko pomaga osebju za vzdrževanje in delovanje vetrne energije, da zazna potencialne tveganja vnaprej, sprejme preventivne ukrepe v pravočasnu in zmanjša stopnjo propada transformatorjev.

(2) Model napovedi življenjske dobe

Življenjska doba transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra je običajno vpljana z večimi faktorji, kot so staranje materialov, termalni stres in mehansko vibracije. Skozi model napovedi življenjske dobe, kombiniran z lokalnimi podatki, se lahko napove ostala življenjska doba transformatorja, in nato formulirajo ustrezne strategije vzdrževanja. Natančnost napovedi življenjske dobe je ključna za zanesljivost transformatorja in lahko zelo zmanjša stopnjo pojavljanja nenadnih propadov.

3.2 Glavni vplivajoči faktorji
(1) Vpliv delovnega okolja

Okolje, kjer je vetrni park postavljen, ima bistven vpliv na zanesljivost transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra. Visoka vlažnost in solanost v pomorskih vetrnih parkih lahko pospeši korozijo opreme, medtem ko ekstremne spremembe temperature v notranjih vetrnih parkih (na primer, nizka temperatura v alpskih regijah) povečajo hitrost staranja izolacijskih materialov. Zato je ključno, da se oblikujejo posebni zaščitni ukrepi in izbor materialov za različna okolja. Na primer, v pomorskih vetrnih parkih se lahko uporabijo protikorozne presene in materiali, odporni na solno mlazo, za zaščito komponent transformatorja.

(2) Nihanje obremenitve in vpliv toka

Nihanje obremenitve pri proizvodnji električne energije iz vetra je relativno veliko, in nenadne spremembe hitrosti vetra lahko povzročijo pogosta nihanja toka in napetosti, kar povzroči dodatne mehanske in električne stresne vplive na notranje komponente transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra. Pogosta sprememba obremenitve poveča mehansko vibracijo navijanja in tveganje magnetne nasititve železnega jedra, kar vpliva na življenjsko dobo in stabilnost delovanja transformatorja.

(3) Elektromagnetska motnja in harmoniki

V sistemih proizvodnje električne energije iz vetra se lahko ustvari veliko harmonik. Harmoniki bodo motili normalno delovanje transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra, zlasti pa vplivajo na njihovo elektromagnetsko združljivost. Transformator mora imeti močno sposobnost odporu proti elektromagnetskim motnjam, da se preprečijo propadi opreme, povzročeni s harmoniki.

3.3 Skupni propadi in rešitve
(1) Propad zaradi prekomernega segrevanja

Med delovanjem ob visoki obremenitvi, če se toplota, ki se gradi znotraj transformatorja za proizvodnjo električne energije iz vetra, ne odvzema v pravočasnu, lahko do pride do prekomernega segrevanja navijanja in celo do zgorevanja izolacijskega sloja. Da bi se to situacija preprečila, se lahko uporabi bolj učinkovit sistem hladnjenja in dodatek sistema pravočasnega nadzora, da se spremlja delovna temperatura transformatorja.

(2) Izolacijski propad

Zaradi staranja ali vlage izolacijskih materialov se lahko pojavi kratki krmil med navijanjem ali med navijanjem in železnim jedrom. Z uporabo novih materialov, odpornih na visoke temperature in vlago, se lahko podaljša življenjska doba izolacijskega sistema. Hkrati se lahko okrepita ukrepi za zaščito pred vlago, kot so povečanje tesnosti lupine in nanese presene za zaščito pred vlago.

(3) Mehanska vibracija in strukturno slabljenje

Med delovanjem transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra so dolgočasno izpostavljeni mehanskim vibracijskim utripom, povzročenim s spremembami hitrosti vetra, kar lahko povzroči slabljenje notranjih komponent. Redno pregledovanje in zategovanje notranje strukture transformatorja ter uporaba anti-vibracijskega oblikovanja lahko učinkovito zmanjšata tveganje propadov, povzročenih z mehanskimi vibracijami.

4 Optimalni oblikovalski shemi za transformatorje za proizvodnjo električne energije iz vetra
4.1 Optimizacija izbora materialov
(1) Uporaba visoko učinkovitih izolacijskih materialov

V zadnjih letih so novi visoko učinkoviti izolacijski materiali postopoma uporabljeni v oblikovanju transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra, kot so poliesterske folije in aramidne vlaknine. Zgoraj navedeni materiali ne le imajo dobro odpornost na visoke temperature in vlago, ampak tudi učinkovito podaljšajo življenjsko dobo transformatorja, izboljšajo električno izolacijsko učinkovitost transformatorja in zmanjšajo tveganje delnega razboja.

(2) Oblikovanje jedra z nizkimi izgubami

Izgube jedra v transformatorjih za proizvodnjo električne energije iz vetra neposredno vplivajo na učinkovitost opreme. Z uporabo silikatnih listov z nizkimi izgubami ali amorfnih legur se lahko zelo zmanjšajo železne izgube in zmanjša nastanek toplote, hkrati pa se zagotavlja učinkovitost delovanja transformatorja. Zlasti pri uporabi visokofrekvenčnih transformatorjev se amorfni legurni materiali jedra izkazujejo z izjemno elektromagnetsko združljivostjo in nizkimi izgubami in postajajo pomembno smerjo za optimalno oblikovanje vetrnih transformatorjev.

4.2 Optimizacija strukturnega oblikovanja
(1) Kompaktno oblikovanje in lahek nosilec

Vetrni parki, zlasti pomorski vetrni parki, imajo stroge zahteve glede prostornine in teže transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra. Z uporabo kompaktnega oblikovanja in lahega nosilca se lahko ne le zmanjša površina zasedenega prostora, ampak tudi zmanjša stroške nameščanja in prevoza. Z zmanjšanjem velikosti jedra in navijanja ter optimizacijo oblikovanja lupine transformatorja se lahko učinkovito doseže miniaturizacija in lahek nosilec, da se ustreza posebnim potrebam vetrnih parkov.

(2) Optimizacija sistema hladnjenja

Tradicionalni transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra največ uporabljajo oljno hladnjenje, vendar je v pomorskih vetrnih parkih vzdrževanje oljnega hladnjenja relativno zapleteno. Zato je zlasti pomembno uporabiti učinkovite sisteme zračnega ali vodnega hladnjenja. Optimizacija sistema hladnjenja ne le izboljša učinkovitost odvzema toplote, ampak tudi zmanjša uporabo hladilne medije, kar izboljša zanesljivost in okoljsko prijaznost opreme.

4.3 Optimizacija kontrolnega sistema
(1) Inteligentni nadzor in tehnologija oddaljene diagnostike

S razvojem interneta reči in inteligentne tehnologije se kontrolni sistem transformatorjev za proizvodnjo električne energije iz vetra postopoma razvija v smeri inteligentnosti. S predstavitvijo sistema pravočasnega nadzora podatkov in oddaljene diagnostike propadov se lahko doseže pravočasen nadzor delovnega stanja transformatorja. Ko se zazna anomalija, sistem lahko v pravočasnu posreduje alarmni signal in izvede oddaljeno diagnostiko propada, zmanjša čas nedelovanja opreme.

(2) Regulacija moči in optimizacija nadzora obremenitve

V sistemih proizvodnje električne energije iz vetra morajo transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra obvladati spremembe moči, povzročene s spremembami hitrosti vetra. Z optimizacijo algoritma regulacije moči in uvedbo sistema optimizacije nadzora obremenitve se lahko zagotovi, da transformator vedno ohranja najboljše delovno stanje pri različnih hitrostih vetra. Dinamična regulacija moči ne le izboljša stabilnost prenosa moči, ampak tudi učinkovito podaljša življenjsko dobo transformatorja.

5 Zaključek

Transformatorji za proizvodnjo električne energije iz vetra igrajo pomembno vlogo v sodobni čisti energiji. Njihova učinkovitost in zanesljivost neposredno vplivata na učinkovitost vetrnih parkov in stabilnost elektroenergetskega omrežja. V prihodnosti bo z razvojem inteligentnega nadzora in tehnologije oddaljene diagnostike vetrni transformatorji igrali še večjo vlogo pri izboljšanju učinkovitosti delovanja vetrnih parkov in zmanjšanju stroškov vzdrževanja.