風力発電所変圧器の最適設計選択と主要な考慮事項

1 風力発電所における風力タービン変圧器の選択と最適設計の重要性

風力発電システムが広まるとともに、より多くの電力変圧器が統合され、設備の総容量と運転損失が増加します。変圧器は主に高価な珪素鋼板、銅巻線、箔で構成されており、設計も難しくなります。したがって、技術的、国際標準、ユーザー要件を満たすためには、最適な設計と科学的な選択が必要です。

変圧器の安定した動作を確保するためには、その動作条件、使用シナリオ、設計プロセス、原則を研究し、最適な設計モデルを構築し、科学的な方法で分析と問題解決を行い、コスト効率の高い設計を行う必要があります。

要するに、最適な設計は風力エネルギーの利用、クリーンエネルギーの推進、電力網の損失制御、製品品質、変圧器の安定性を向上させ、風力発電の発展を促進します。設計時には、風力発電所用の変圧器を科学的に選択します。さらに深く研究すると、専門家たちはITを組み合わせて、遺伝的アルゴリズム、粒子群アルゴリズム、ニューラルネットワークアルゴリズムなどの手法を開発しています。これらの手法を適用することで、より適切な変圧器を設計することができます。

2 風力発電所用電力変圧器の特徴と技術的要件

現在の風力発電所用電力変圧器は、しばしば複合構造を使用しています。外観と高・低圧制御ボックスは、設置場所に応じて「ピン」または「メッシュ」形状で配置されます。低圧ボックスは風力タービンの出力に接続されています。

タービンと変圧器間の送電線では相間ショートが発生する可能性があります。タービンには自動保護機能があり、変圧器を保護します。変圧器保護側にナイフ型ヒューズスイッチを設置します。設計者は高圧側に電流制限器と負荷制御スイッチを追加します。高圧および配電網側での送電線サージへの脆弱性から、高圧側に雷保護を設置します。

2.1 動作特性

発電機の容量は小さいです。強風によりタービンの定格を超える場合、自動保護機能が作動して動作を制限または停止します。その後、接続された変圧器は低負荷で動作し、全体的な過負荷時間は短くなります。

変圧器には強固な構造設計が必要です。風力発電所は高原、ゴビ砂漠、または海上など複雑な地域にあります。これらは専門的な構造設計と機能を必要とします（図1参照）。

3 技術的要件

• 低発熱:風力発電所は季節によって大きく影響を受け、変圧器は長期間無負荷状態になることがあります。設計時には無負荷損失を減らすことが求められます。効果的な放熱のために設置場所を科学的に選択し、負荷下でも高速動作が可能となるようにします。

• 強い耐候性、耐食性、耐腐食性:海岸近くの風力豊富な地域では、厳しい気候条件下で変圧器が損傷する可能性があります。発電機の保護装置がない場合、露出や腐食により動作障害が発生する可能性があります。

• 軽量、コンパクト、高強度、簡単な設置・操作:狭く不規則な設置スペースに対応するために、変圧器を選択する際には、設備間の安全距離、単位容量、重量を考慮します。コンパクトなサイズ、形状、適切な重量を設計します。風力タービンユニットは輸送・吊り上げ時に距離に基づいてカスタマイズされ、衝突や振動を避けて機械的強度を高めます。

• 変圧器の技術的特徴:一部の風力発電所では、風力タービンが交通や自然環境の課題に直面しており、メンテナンスが困難で費用がかかります。大規模なオーバーホールは長期の停止を引き起こし、効率を損ないます。したがって、経済的で信頼性が高く安全な変圧器を選択します。複数の角度から設計し、負荷スイッチと変圧器の接続には分割タンク構造を使用します。タンクは国家基準に適合するサイズと密閉性を持つ必要があります。高圧ケーブルについては、「一入一出」を遵守します。衝突や油漏れを防ぐために冷却フィンに保護装置を設置します。変圧器タンク構造は図2に示されています。

4 風力発電所における主要変圧器の選択と最適設計
4.1 変圧器の冷却方式

変圧器はさまざまな冷却方式を使用します。主に油浸式、乾式、ガス絶縁式があります。油浸式は小型で高電圧に強く、熱放出性能が良いですが、高温故障時の油漏れ、注入、燃焼のリスクがあり、エネルギー消費が多く環境汚染を引き起こします。慎重に選択する必要があります。乾式は安全で清潔、難燃性、保守が容易で短絡抵抗性がありますが、大型で設置が難しいです。ガス絶縁式は非毒性、非可燃性のガスを媒体として使用し、油浸式に似た構造を持ちます。上記の欠点を避けやすく、保守が容易で推奨されます。

4.2 冷却フィンの保護

風力発電所の変圧器キャビネットは、ラジエータ、油タンク、前室の3つの部分から構成されています。特にラジエータには重要な保護が必要です。これらはしばしば荒れた海岸地帯に設置されるため、人為的な損傷にさらされやすいです。そのため、ラジエータの周りには通常鋼板カバーが設置されます。これは衝突を防ぎ、熱放出を確保します。キャビネットとカバーは科学的に設計する必要があります。

4.3 負荷スイッチ用の分割キャビネット設計

風力発電所の変圧器の動作環境と条件を考えると、負荷スイッチと変圧器には分割キャビネット設計が必要です：

• 変圧器の出口をメインラインに接続し、通常の複合変圧器における負荷スイッチの高効率動作を確保します。

• 内部の負荷スイッチの動作中に発生するアークは、絶縁油の劣化と炭素堆積を引き起こし、絶縁を損ないます。したがって、変圧器自体のタンクとは独立して設計された固定油タンクを設置することで、安定した動作を確保できます。

5 最適設計の実際の適用

改良された粒子群アルゴリズムを用いてパラメータ、変数、動作条件を最適化することで、最適な変圧器設計を得ることができます。一般的な設計と比較して、材料使用量とコストを削減し、負荷損失、無負荷電流、コイル対油温度上昇を改善します。ただし、材料使用量が減少すると負荷損失が増加する場合があります。したがって、実際の動作に基づいて設計し、材料、損失、設計コストを分析して最良の設計を選択します。

6 結論

風力発電所の建設と運転において、安定した電力システムの運転を確保するために、実際のニーズと基準に基づいて科学的に変圧器を選択し、その役割を最大限に発揮することが求められます。特殊な設計と動作条件があるため、国家基準、経験、具体的な状況に基づいて科学的に設計し、プロセスを最適化し、新しい概念を取り入れ、計画を比較して最終的な設計が要件を満たすようにします。