Struktura performanse pouzdanosti i optimizacija dizajna transformatora za vetroelektrane

1 Osnovna struktura, operativne karakteristike i posebni zahtevi transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra
1.1 Osnovna struktura transformatora
(1) Struktura jezgra

Transformatori za proizvodnju elektricne energije iz vetra koriste materijale sa visokom magnetnom propustljivošću kako bi se smanjile gubitke energije. U praksi, jezgro obično zahteva posebnu obradu kako bi se prilagodilo surovim uslovima dugotrajne visoke vlažnosti i saliniteta. Posebno u morskim vetrovima, otpornost na koroziiju jezgra je posebno važna.

(2) Sistem ovinjanja

Ovinjanje je važan deo transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra i obično se ovliva bakarnim ili aluminijumskim žicama. Dizajn ovinjanja transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra treba da uzme u obzir česte promene napona i struje koje su posledica fluktuacija brzine vetra, osiguravajući stabilnu radnju ovinjanja duže perioda pod visokim opterećenjem.

(3) Sistem hlađenja i odvajanja toplote

Transformatori za proizvodnju elektricne energije iz vetra potrebnih je efikasan sistem hlađenja kako bi se sprečilo oštećenje zbog prekomernog zagrevanja tokom rada pod visokim opterećenjem. Zajednički metodi hlađenja uključuju masno zaronjene tipove i prirodno zrak-hlađene tipove. Masno zaronjeni transformatori odvode toplinu kroz cirkulaciju ulja i su pogodni za velike snage vetrova; dok su zrak-hlađeni transformatori pogodniji za scenarije sa manjom snagom i blagim okruženjima.

1.2 Operativne karakteristike

Operativne karakteristike transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra: Proizvodnja elektricne energije iz vetra je nestabilna, a snaga proizvodnje fluktuira u skladu sa promenama brzine vetra. Stoga, transformator mora imati visoku sposobnost prilagođavanja opterećenja i sposobnost da se prilagodi čestim fluktuacijama opterećenja. Različito od tradicionalnih mrežnih transformatora, transformatori za proizvodnju elektricne energije iz vetra često su u delimičnom stanju opterećenja, što postavlja posebne zahteve za njihovu energetsku efikasnost i sposobnost odvajanja toplote.

1.3 Posebni zahtevi u okruženju proizvodnje elektricne energije iz vetra
(1) Otpornost na fluktuacije brzine vetra

Proizvodnja elektricne energije iz vetra fluktuira u skladu sa promenama brzine vetra, a ova fluktuacija može dovesti do nestabilnosti naponske mreže. Stoga, transformatori za proizvodnju elektricne energije iz vetra moraju imati odgovarajuće sposobnosti prilagođavanja kako bi se sprečio uticaj na električnu mrežu.

(2) Prilagodba surovim uslovima okruženja

Većina vetrova izgrađena je u surovim uslovima. Stoga, transformatori za proizvodnju elektricne energije iz vetra moraju imati dobru otpornost na koroziiju i sposobnost da se štite od vlage. Za planinske vetrove, transformatori za proizvodnju elektricne energije iz vetra moraju da se suoče sa ekstremnim klimatskim uslovima, poput niske temperature i visoke brzine vetra.

(3) Zahtevi za daljinsko nadgledanje i održavanje

Zbog toga što su vetrovi obično situirani u udaljenim područjima, troškovi otklanjanja grešaka transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra su relativno visoki. Stoga, potrebno je uspostaviti sistem daljinskog nadgledanja kako bi se u stvarnom vremenu praćio radni status transformatora.

2 Performanse transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra
2.1 Analiza električnih performansi
(1) Sposobnost regulacije napona

Jedan od ključnih zadataka transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra jeste da poveća niski napon koji proizvode vetroelektrane na visoki napon za dalekovodnu prenos električne energije. Stoga, sposobnost regulacije napona je ključni pokazatelj za merenje električnih performansi transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra. Obično, raspon step-up-a transformatora dizajniran je da se prilagodi fluktuacijama ispisa pod različitim brzinama vetra, osiguravajući stabilni naponski izlaz i smanjujući uticaj na električnu mrežu.

(2) Kratko-kolonska impedansa i zaštita od grešaka

Kratko-kolonska impedansa transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra direktno utiče na stabilnost tijekom kratko-kolonskih grešaka. Niža kratko-kolonska impedansa može poboljšati brzinu odgovora sistema na grešku, ali može također dovesti do porasta fluktuacija struje sistema kada se brzina vetra menja. Optimizacija dizajna kratko-kolonske impedanse ne samo smanjuje kratko-kolonsku struju, već unapređuje radnu sigurnost transformatora i stabilnost električne mreže.

(3) Gubitci i efikasnost

Gubitci transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra uglavnom su podeljeni u bakrene gubitke i željezne gubitke. Bakreni gubitci su gubitci električne energije uzrokovani otporom ovinjanja, dok su željezni gubitci vezani za proces magnetizacije željeznog jezgra. U scenariju proizvodnje elektricne energije iz vetra, transformator mora imati efikasne sposobnosti pretvorbe energije kako bi se smanjili gubitci tokom prenosa i maksimalno iskoristila snaga vetra. Stoga, biranjem materijala visoke efikasnosti i optimizacijom dizajna može se značajno smanjiti gubitci i poboljšati ukupnu efikasnost.

2.2 Analiza termalnih performansi
(1) Gubitci toplote i odvajanje toplote

Transformatori za proizvodnju elektricne energije iz vetra generišu veliku količinu toplote tokom rada, posebno pod visokim opterećenjima. Prekomerno visoka temperatura može dovesti do deteriogene insulacionih materijala ovinjanja i čak do sigurnosnih incidenta. Stoga, upravljanje termalnim performansama ključno je za siguran rad transformatora. Masno zaronjeni transformatori odvode toplinu kroz cirkulaciju i hlađenje transformatorskog ulja i su pogodni za scenarije velike snage; dok zrak-hlađeni transformatori odvode toplinu kroz prirodni zrak i su pogodni za vetrovine sa relativno visokim brzinama vetra. Optimizacija dizajna sistema hlađenja kako bi se toplina odvajala na vreme ključna je za produženje vremena trajanja transformatora.

(2) Termalni stres i predviđanje vremena trajanja

Zbog fluktuacija opterećenja proizvodnje elektricne energije iz vetra, termalni stres transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra se značajno menja, posebno kada se snaga dramatično menja. Pod dugotrajnim uticajem fluktuacija termalnog stresa, insulacioni materijali transformatora će se postepeno stariti, utičući na vreme trajanja. Kroz termalnu simulaciju i modele predviđanja vremena trajanja, može se bolje proceniti pouzdanost transformatora pod različitim radnim uslovima, te se mogu dati odgovarajući saveti za optimizaciju.

2.3 Analiza insulacionih performansi
(1) Izbor insulacionih materijala

Insulaciona performansa transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra je osnova za osiguranje njihovog sigurnog rada. Insulacioni sistem transformatora uključuje čvrste insulacione materijale i tečne insulacione materijale. U vetrovinama, posebno u morskim, okruženje visoke vlažnosti i saliniteta može ubrzati staranje i otkazivanje insulacionih materijala.

(2) Delimični isparkavanja i sposobnost otpornosti na napon

Delimično isparkavanje je jedan od glavnih uzroka otkaza insulacije transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra. Zbog velikih fluktuacija napona u sistemima proizvodnje elektricne energije iz vetra, transformator mora imati jaku sposobnost otpornosti na napon, posebno kada se brzina vetra dramatično menja, kako bi se sprecilo pojavljivanje delimičnog isparkavanja. Upotrebom novih insulacionih materijala i optimizacijom rasporeda ovinjanja, sposobnost otpornosti na napon transformatora može biti značajno poboljšana, a pojave delimičnog isparkavanja mogu se smanjiti.

3 Procena pouzdanosti, faktori uticaja i rešenja za česte greške transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra
3.1 Modeli procene pouzdanosti
(1) Analiza načina otkaza i njihovog uticaja

Analiza načina otkaza i njihovog uticaja je važno sredstvo za procenu pouzdanosti transformatora. Analizom mogućih načina otkaza transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra pod različitim radnim uslovima, procenjuje se njihov uticaj na celokupni sistem. Primena analize načina otkaza i njihovog uticaja može pomoći ljudima za održavanje vetrovina da unaprijed identifikuju potencijalna rizika, poduze u vreme preventivne mere i smanje stopu otkaza transformatora.

(2) Model predviđanja vremena trajanja

Vreme trajanja transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra obično je uticano više faktora, kao što su staranje materijala, termalni stres i mehanička vibracija. Kroz model predviđanja vremena trajanja, kombinovan sa podacima sa terena, može se predvideti preostalo vreme trajanja transformatora, a zatim formulirati odgovarajuće strategije održavanja. Tačnost predviđanja vremena trajanja ključna je za pouzdanost transformatora i može značajno smanjiti stopu naglog otkaza.

3.2 Glavni faktori uticaja
(1) Uticaj radnog okruženja

Okruženje u kojem se nalazi vetrovina ima značajan uticaj na pouzdanost transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra. Visoko vlažno i salino okruženje morskih vetrovina može ubrzati koroziju opreme, dok ekstremne promene temperature u kontinentalnim vetrovinama (poput niske temperature u planinskim regijama) mogu povećati brzinu starjenja insulacionih materijala. Stoga je ključno dizajnirati specifične zaštitne mere i biranje materijala za različita okruženja. Na primer, u morskim vetrovinama, mogu se koristiti protivkorozijske pregrade i materijali otporni na solanu maglu kako bi se zaštitili komponenti transformatora.

(2) Fluktuacije opterećenja i uticaj struje

Fluktuacije opterećenja proizvodnje elektricne energije iz vetra su relativno velike, a dramatične promene brzine vetra mogu dovesti do čestih fluktuacija struje i napona, što rezultira dodatnim mehaničkim i električnim stresom na interne komponente transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra. Česte promene opterećenja povećavaće mehaničku vibraciju ovinjanja i rizik od magnetske nasitnosti željeznog jezgra, time utičući na vreme trajanja i stabilnost rada transformatora.

(3) Elektromagnetska interferencija i harmonici

U sistemima proizvodnje elektricne energije iz vetra može se generisati veliki broj harmonika. Harmonici će interfirirati normalnom radu transformatora za proizvodnju elektricne energije iz vetra, posebno utičući na njihovu elektromagnetsku kompatibilnost. Transformator mora imati jaku sposobnost odpornosti na elektromagnetsku interferenciju kako bi se sprečili otkazi opreme uzrok