Структура, виконання, надійність та оптимізація проектування вітрових перетворювачів

1 Базова структура, експлуатаційні характеристики та спеціальні вимоги до трансформаторів для вітрової енергетики
1.1 Базова структура трансформаторів
(1) Структура сердечника

Трансформатори для вітрової енергетики використовують матеріали з високою магнітною проникністю, щоб зменшити втрати енергії. У застосуванні середовище зазвичай потребує спеціальної обробки, щоб адаптуватися до сприятливих умов довготривалої високої вологості та солоністості. Особливо в офшорних вітрових фермах, корозійна стійкість сердечника має особливе значення.

(2) Система намоток

Намотка є важливим компонентом в трансформаторах для вітрової енергетики і зазвичай намотана медними або алюмінієвими дротами. Дизайн намоток трансформаторів для вітрової енергетики повинен враховувати часті зміни напруги та струму, спричинені коливаннями швидкості вітру, забезпечуючи стабільну роботу намоток на протязі тривалого часу при високих навантаженнях.

(3) Система охолодження та теплообміну

Трансформатори для вітрової енергетики потребують ефективної системи охолодження, щоб забезпечити, що вони не будуть пошкоджені через перегрівання під час роботи на високих навантаженнях. Звичайні методи охолодження включають масляні та натуральне повітряне охолодження. Масляні трансформатори відводять тепло через циркуляцію масла і підходять для великомістких вітрових ферм; тоді як повітряно-охолоджувальні трансформатори більш підходять для сценаріїв з меншою потужністю та пом'якшеними умовами.

1.2 Експлуатаційні характеристики

Експлуатаційні характеристики трансформаторів для вітрової енергетики: Вітрова енергетика нестабільна, і потужність генерації коливається зі зміною швидкості вітру. Тому трансформатор повинен мати високу здатність регулювання навантаження та бути здатний адаптуватися до частих коливань навантаження. Відмінно від традиційних мережевих трансформаторів, трансформатори для вітрової енергетики часто знаходяться в стані часткового навантаження, що вимагає спеціальних вимог до їх енергоефективності та здатності теплообміну.

1.3 Спеціальні вимоги в умовах вітрової енергетики
(1) Стійкість до коливань швидкості вітру

Генерація електроенергії вітровою енергетикою коливається зі зміною швидкості вітру, і ці коливання можуть призвести до нестабільності напруги. Тому трансформатори для вітрової енергетики повинні мати відповідні здатності регулювання, щоб запобігти впливу на електромережу.

(2) Припинність до складних умов середовища

Більшість вітрових ферм будуються в складних умовах. Тому трансформатори для вітрової енергетики повинні мати хорошу корозійну стійкість та водонепроникні властивості. Для альпійських вітрових ферм, трансформатори для вітрової енергетики повинні змагатися з екстремальними кліматичними умовами, такими як низькі температури та висока швидкість вітру.

(3) Вимоги до віддаленого моніторингу та обслуговування

Оскільки вітрові ферми зазвичай розташовані в віддалених районах, вартість виправлення вад трансформаторів для вітрової енергетики є високою. Тому потрібно створити систему віддаленого моніторингу, щоб в реальному часі контролювати робочий стан трансформатора.

2 Експлуатаційні характеристики трансформаторів для вітрової енергетики
2.1 Аналіз електричних характеристик
(1) Здатність регулювання напруги

Одним із основних завдань трансформаторів для вітрової енергетики є підвищення низької напруги, отриманої від вітрових турбін, до високої напруги для дальніх передач електроенергії. Тому здатність регулювання напруги є ключовим показником для вимірювання електричних характеристик трансформаторів для вітрової енергетики. Зазвичай, діапазон підвищення напруги трансформатора проектується таким чином, щоб відповідати коливанням виходу при різних швидкостях вітру, забезпечуючи стабільний вихід напруги та зменшуючи вплив на електромережу.

(2) Короткозамкнення імпедансу та захист від аварій

Короткозамкнення імпедансу трансформаторів для вітрової енергетики безпосередньо впливає на стабільність під час короткозамкнень. Нижчий імпеданс короткозамкнення може покращити швидкість реакції на аварію, але це також може призвести до збільшення коливань струму системи при коливанні швидкості вітру. Оптимізація дизайну імпедансу короткозамкнення не лише допомагає зменшити короткозамкнення струму, але й покращує безпеку роботи трансформатора та стабільність електромережі.

(3) Втрати та ефективність

Втрати трансформаторів для вітрової енергетики в основному поділяються на мідні втрати та залізні втрати. Мідні втрати - це електричні втрати, спричинені опором намоток, тоді як залізні втрати пов'язані з процесом намагнічування залізного сердечника. У сценарії вітрової енергетики, трансформатор повинен мати ефективні здатності конвертації енергії, щоб зменшити втрати під час передачі та максимально використовувати енергію вітру. Тому, вибір високоефективних матеріалів та оптимізація дизайну можуть значно зменшити втрати та покращити загальну ефективність.

2.2 Аналіз теплових характеристик
(1) Теплові втрати та теплообмін

Трансформатори для вітрової енергетики генерують велику кількість тепла під час роботи, особливо при високих навантаженнях. Чрезмірно високі температури можуть призвести до погіршення ізоляційних матеріалів намоток та навіть до аварій. Тому управління тепловими характеристиками є важливим для безпечного функціонування трансформатора. Масляні трансформатори відводять тепло через циркуляцію та охолодження трансформаторного масла та підходять для сценаріїв з високою потужністю; тоді як повітряно-охолоджувальні трансформатори відводять тепло через природний вітер та підходять для вітрових ферм з відносно високою швидкістю вітру. Оптимізація дизайну системи охолодження для забезпечення своєчасного відведення тепла є ключем до продовження терміну служби трансформатора.

(2) Тепловий стрес та прогноз терміну служби

Завдяки коливанню навантаження вітрової енергетики, тепловий стрес трансформаторів для вітрової енергетики сильно змінюється, особливо при різких змінах потужності. Під тривалим впливом коливання теплового стресу, ізоляційні матеріали трансформатора поступово старіють, що впливає на термін служби. Шляхом теплового моделювання та прогнозування терміну служби, надійність трансформатора в різних умовах роботи може бути краще оцінена, і можна запропонувати відповідні рекомендації для оптимізації.

2.3 Аналіз ізоляційних характеристик
(1) Вибір ізоляційних матеріалів

Ізоляційні характеристики трансформаторів для вітрової енергетики є основою для забезпечення їх безпечного функціонування. Ізоляційна система трансформатора включає тверді ізоляційні матеріали та рідкі ізоляційні матеріали. На вітрових фермах, особливо на офшорних, висока вологість та солоність можуть прискорити старіння та виникнення дефектів ізоляційних матеріалів.

(2) Локальні розряди та здатність до стійкості до напруги

Локальні розряди є одним з основних причин виникнення дефектів ізоляції трансформаторів для вітрової енергетики. Через великі коливання напруги в системах вітрової енергетики, трансформатор повинен мати сильну здатність до стійкості до напруги, особливо при різких змінах швидкості вітру, щоб уникнути локальних розрядів. Використання нових ізоляційних матеріалів та оптимізація розташування намоток можуть значно покращити здатність до стійкості до напруги трансформатора та зменшити виникнення локальних розрядів.

3 Оцінка надійності, фактори впливу та розв'язання типових дефектів трансформаторів для вітрової енергетики
3.1 Моделі оцінки надійності
(1) Аналіз режимів відмов та їх вплив

Аналіз режимів відмов та їх вплив є важливим інструментом для оцінки надійності трансформаторів. Аналізуючи можливі режими відмов трансформаторів для вітрової енергетики в різних умовах роботи, оцінюється їх вплив на загальну систему. Застосування аналізу режимів відмов може допомогти операторам вітрової енергетики вчасно виявити потенційні ризики, вживати профілактичні заходи та зменшити кількість відмов трансформаторів.

(2) Прогнозування терміну служби

Термін служби трансформаторів для вітрової енергетики зазвичай впливається багатьма факторами, такими як старіння матеріалів, тепловий стрес та механічні вібрації. За допомогою моделей прогнозування терміну служби, поєднуючи дані з місця, можна передбачити залишок терміну служби трансформатора, а потім розробити відповідні стратегії обслуговування. Точність прогнозування терміну служби є важливою для надійності трансформатора та може значно зменшити кількість несподіваних відмов.

3.2 Основні фактори впливу
(1) Вплив умов експлуатації

Середовище, в якому розташована вітрова ферма, має значний вплив на надійність трансформаторів для вітрової енергетики. Висока вологість та солоність офшорних вітрових ферм можуть прискорити корозію обладнання, тоді як екстремальні зміни температури на континентальних вітрових фермах (наприклад, низькі температури в альпійських регіонах) можуть збільшити швидкість старіння ізоляційних матеріалів. Тому важливо розробити спеціальні захисні заходи та вибрати матеріали для різних умов. Наприклад, на офшорних вітрових фермах можна використовувати антикорозійні покриття та матеріали, стійкі до солоного туману, для захисту компонентів трансформатора.

(2) Коливання навантаження та вплив струму

Коливання навантаження вітрової енергетики є значним, і різкі зміни швидкості вітру можуть призвести до частих коливань струму та напруги, що викликає додаткові механічні та електричні напруження внутрішніх компонентів трансформаторів для вітрової енергетики. Часті зміни навантаження збільшують механічні вібрації намоток та ризик магнітного насичення залізного сердечника, що в свою чергу впливає на термін служби та стабільність роботи трансформатора.

(3) Електромагнітні втручання та гармоніки

У системах вітрової енергетики може генеруватися велика кількість гармонік. Гармоніки можуть завадити нормальній роботі трансформаторів для вітрової енергетики, особливо впливаючи на їх електромагнітну сумісність. Трансформатор повинен мати сильну здатність до протидії електромагнітним втручанням, щоб запобігти аваріям обладнання, спричиненим втручанням гармонік.

3.3 Типові дефекти та їх вирішення
(1) Дефект перегріву

При роботі на високих навантаженнях, якщо тепло, що генерується всередині трансформатора для вітрової енергетики, не може бути своєчасно відведено, це може призвести до перегріву намоток та навіть до згоріння ізоляційного шару. Для уникнення цієї ситуації можна використовувати більш ефективну систему охолодження та додати систему реального часу для моніторингу робочої температури трансформатора.

(2) Ізоляційний дефект

Завдяки старінню або вологості ізоляційних матеріалів, може виникнути коротке замикання між намотками або між намотками та залізним сердечником. Використовуючи нові матеріали, стійкі до високих температур та вологи, можна продовжити термін служби ізоляційної системи. Одночасно, можна посилити заходи проти вологи, таких як збільшення герметичності корпусу та застосування влагозахисних покриттів.

(3) Механічні вібрації та структурне послаблення

Під час роботи трансформаторів для вітрової енергетики, вони піддаються довготривалим механічним вібраціям, спричиненим змінами швидкості вітру, що може призвести до послаблення внутрішніх компонентів. Регулярна перевірка та затягання внутрішньої структури трансформатора та використання антивібраційного дизайну можуть ефективно зменшити ризик аварій, спричинених механічними вібраціями.

4 Оптимізаційні схеми дизайну трансформаторів для вітрової енергетики
4.1 Оптимізація вибору матеріалів
(1) Застосування високопродуктивних ізоляційних матеріалів

За останні роки нові високопродуктивні ізоляційні матеріали поступово застосовуються до дизайну трансформаторів для вітрової енергетики, таких як поліестерові плівки та арамідові волокна. Ці матеріали не лише мають добре стійкість до високих температур та вологи, але також можуть ефективно продовжити термін служби трансформатора, покращити електричні ізоляційні характеристики трансформатора та зменшити ризик локальних розрядів.

(2) Дизайн залізного сердечника з низькими втратами

Втрати залізного сердечника в трансформаторах для вітрової енергетики безпосередньо впливають на ефективність обладнання. Використання залізних пластин з низькими втратами або аморфних сплавів може значно зменшити залізні втрати та зменшити генерацію тепла, одночасно забезпечуючи ефективність роботи трансформатора. Особливо у випадку високочастотних трансформаторів, аморфні сплави сердечника показують надзвичайно високу електромагнітну сумісність та низькі втрати, стаючи важливим напрямком для оптимізації дизайну вітрових трансформаторів.

4.2 Оптимізація конструкційного дизайну
(1) Компактний дизайн та легкість

На вітрових фермах, особливо офшорних, є строгі вимоги до об'єму та ваги трансформаторів для вітрової енергетики. Використання компактного дизайну та легкої конструкції не лише може зменшити площу, займану обладнанням, але також знизити витрати на встановлення та транспортування. Зменшуючи розміри залізного сердечника та намоток та оптимізуючи дизайн корпусу трансформатора, можна ефективно реалізувати мініатюрність та легкість обладнання, щоб задовольнити спеціальні потреби вітрових ферм.

(2) Оптимізація системи охолодження

Традиційні трансформатори для вітрової енергетики найчастіше використовують масляне охолодження, але на офшорних вітрових фермах, обслуговування масляного охолодження