Трансформатор повышающий для ветропарка: как рассчитать мощность (0,69 кВ → 33 кВ), почему гармоники турбины определяют спецификацию и что меняется в береговом и морском исполнении

Сначала ответ: ветропарк повышает напряжение в две ступени — трансформатор гондолы выбирается по полной мощности генератора в кВА и гармонической нагрузке, а трансформатор парка — по суммарной совпадающей мощности и требованиям сетевого кодекса

Ветропарк повышает напряжение в две ступени. Трансформатор гондолы (также называемый трансформатором WTG или агрегатным трансформатором) повышает низкое напряжение генератора — обычно 0,69 кВ, или 0,9–1,14 кВ на самых крупных машинах — до коллекторного напряжения парка 20 кВ, 33 кВ или 35 кВ, и выбирается по номинальной полной мощности генератора в кВА (а не по активной мощности в кВт), с небольшим запасом на нагрев от температуры окружающей среды и гармоник. Трансформатор парка (подстанции) затем поднимает напряжение всей сборной шины с 33 кВ до уровня подключения к сети 110 кВ, 132 кВ или 220 кВ, выбираясь по суммарной мощности парка с поправкой на коэффициент совпадения, а не по сумме паспортных мощностей всех гондол. Три фактора отличают ветровой трансформатор от обычного распределительного трансформатора: гармоники преобразователя, увеличивающие потери в обмотках, циклический ветровой режим, при котором потери холостого хода доминируют в стоимости жизненного цикла, и суровые условия размещения — морской соляной туман на шельфе, высота над уровнем моря на суше и широкие термические циклы. Правильно учтите эти три фактора — и трансформатор выдержит 20-летний расчётный срок службы гондолы.

Ключевые выводы

• Две ступени, два правила выбора. Трансформатор WTG выбирается по полной мощности генератора (обычно 1,0–1,1× от кВА генератора); трансформатор парка выбирается по суммарной мощности парка с использованием коэффициента совпадения, а не арифметической суммы номиналов всех гондол.
• Гармоники определяют тепловой запас. Как гондолы с полным преобразователем (тип 4), так и гондолы с двойным питанием (тип 3) вносят искажение тока; укажите номинал по K-фактору или документированный запас по IEEE C57.110, а также электростатический экран между обмоткой НН генератора и обмоткой СН коллектора.
• Ветровой режим циклический, а не постоянный. Мощность следует за ветром, поэтому потери холостого хода (в стали) накапливаются тысячи часов в год, тогда как нагрузочные потери — только при сильном ветре; более высокий класс потерь (S13/S20) или аморфный сердечник часто оправданы по стоимости жизненного цикла.
• Шельф меняет тип, а не только оболочку. Агрегаты, устанавливаемые в гондоле, тяготеют к сухим или эфирно-заполненным конструкциям с защитой от коррозии C5-M и герметичными оболочками со степенью защиты IP; коллекторные трансформаторы на суше — обычно масляные трансформаторы в кожухе.
• Соответствие сетевому кодексу — требование к трансформатору. Сквозная проводимость при низком напряжении, способность к реактивной мощности, ограничения гармоник и координация уровней токов КЗ — всё это влияет на полное сопротивление, диапазон регулирования и тепловой расчёт.

Почему трансформатор ветроэнергетической установки — не стандартный распределительный трансформатор

Распределительный трансформатор понижает напряжение стабильной низковольтной сети до потребителя и работает при почти постоянной нагрузке. Трансформатор ветроэнергетической установки делает почти противоположное. Он принимает низковольтный выход генератора с силовой электроникой и повышает его до коллекторного напряжения в трёх условиях, которые перестраивают конструкцию.

Во-первых, источник богат гармониками. Ветроэнергетическая установка промышленного масштаба — это либо асинхронный генератор с двойным питанием (тип 3), преобразователь на стороне ротора которого вносит низкочастотные гармоники, либо машина с полным преобразователем (тип 4), статор которой питается полностью через преобразователь, коммутируемый на высокой частоте. Оба типа подчиняются определённым ограничениям качества электроэнергии — искажение тока в точке подключения регулируется IEEE 519 и IEC 61000-3-6, а характеристики гондол измеряются по IEC 61400-21 — но даже соответствующие требованиям машины оставляют коммутационные пульсации и низкочастотные гармоники (5-ю, 7-ю, 11-ю, 13-ю), которые увеличивают потери от вихревых токов и добавочные потери в обмотках трансформатора. Это тот же механизм, что лежит в основе нагрева трансформатора от гармоник и выбора по K-фактору.

Во-вторых, нагрузка следует за ветром. Трансформатор гондолы находится под напряжением всякий раз, когда машина доступна — часто более 8 000 часов в год — но достигает полной нагрузки только при сильном ветре. Поэтому его потери холостого хода накапливаются почти каждый час года, тогда как нагрузочные потери — лишь часть времени. Эта асимметрия перестраивает аргументацию эффективности, точно так же, как для повышающих трансформаторов солнечных фотоэлектрических установок.

В-третьих, окружающая среда сурова. Шельфовые агрегаты подвергаются воздействию насыщенного солью воздуха, высокой влажности и ограниченного обслуживания; наземные агрегаты располагаются в степных, пустынных, горных и прибрежных зонах с высокой или очень низкой температурой окружающей среды, интенсивной солнечной радиацией и широкими суточными колебаниями температуры. Трансформатор, рассчитанный на закрытое помещение с температурой 25 °C, не обязательно подходит для наружной площадки с 45 °C или для площадки с холодным пуском при −30 °C.

Как выбрать повышающий трансформатор ветроэнергетической установки (WTG): метод из трёх шагов

Арифметика проста; выбрать правильные исходные данные — нет.

Шаг 1 — Начните с номинальной полной мощности генератора (кВА)

Используйте номинальную полную мощность генератора, а не его номинальную активную мощность. Ветроэнергетическая установка мощностью 5 МВт, работающая при коэффициенте мощности 0,95, предъявляет к своему трансформатору около 5,26 МВА; машина мощностью 6 МВт при том же коэффициенте мощности — около 6,32 МВА. Выбор только по МВт занижает ток, который должна нести обмотка.

Шаг 2 — Добавьте запас на температуру окружающей среды, высоту над уровнем моря и гармоники

Примените конструктивный запас — обычно 5–15% в качестве отправной точки — на температуру окружающей среды в жаркий день на площадке, высоту над уровнем моря (которая снижает воздушное охлаждение, см. руководство по снижению номинала на большой высоте) и гармонический состав машины. Округлите вверх до следующего стандартного номинала, например 5,5 МВА или 6,3 МВА для гондолы класса 5 МВт. Завышение более чем примерно на 15% в основном добавляет потери холостого хода и стоимость.

Шаг 3 — Зафиксируйте гармонические, тепловые характеристики и регулирование

Установите K-фактор (или документированный запас по IEEE C57.110), превышение температуры обмотки и класс изоляции для расчётной температуры окружающей среды, класс охлаждения (ONAN для масляных, AN для сухих) и диапазон регулирования без возбуждения — обычно ±2 × 2,5% — чтобы коллекторное напряжение можно было подстраивать при изменении условий сети. Добавьте электростатический экран между обмотками НН и СН, чтобы разделить возмущения со стороны преобразователя и со стороны сети. Общие требования установлены IEC 60076-16 (трансформаторы для ветроэнергетических применений), с IEC 60076-1 и IEEE C57.12.00 в качестве родительских стандартов.

Как выбрать трансформатор ветропарка (подстанции)

Шаг 1 — Сложите выходную мощность переменного тока парка, затем примените коэффициент совпадения

Просуммируйте общую мощность переменного тока парка в точке общего присоединения, затем примените коэффициент совпадения: не каждая гондола выдаёт паспортную мощность в один и тот же момент, даже в хорошо расположенном массиве. Парк из двадцати гондол по 5 МВт (установленная мощность 100 МВт) может достигать совпадающей мощности примерно 90–97% установленной мощности при идеальном ветре, поэтому расчётной базой трансформатора парка является изученный пиковый экспорт площадки, а не арифметическая сумма номиналов трансформаторов каждой гондолы.

Шаг 2 — Переведите в кВА и округлите до стандартного размера

Переведите совпадающую мощность переменного тока в МВт в МВА, используя договорный коэффициент мощности парка (часто от 0,95 отстающего до 0,95 опережающего по современным сетевым кодексам), затем округлите вверх до стандартного номинала — например, парк мощностью 100 МВт при коэффициенте мощности 0,95 даёт около 105 МВА, поэтому агрегат на 120 МВА или 125 МВА — типичный выбор.

Шаг 3 — Укажите полное сопротивление, ответвления и охлаждение для соответствия сетевому кодексу

Установите напряжение короткого замыкания (Uk%) для баланса между ограничением уровня токов КЗ и регулированием напряжения и сквозной проводимостью (обычно 10–14% для агрегата класса 110–220 кВ); выберите регулирование под нагрузкой или без возбуждения в соответствии с требованиями сетевого кодекса к диапазону напряжения и реактивной мощности; и подтвердите класс охлаждения и профиль перегрузки относительно требуемой реактивной способности. Трансформатор не должен подрывать сквозную проводимость парка при КЗ или соответствие по реактивной мощности — это системный вопрос, а не выбор из каталога.

Архитектура напряжений: от 0,69 кВ до 220 кВ в две ступени

Место установки каждого трансформатора определяет его коэффициент трансформации и его номинал. Четыре схемы охватывают почти каждый наземный и шельфовый ветропарк.

Наземные коллекторные напряжения группируются вокруг 33 кВ (Европа и большая часть Азии), 34,5 кВ (Северная Америка), 35 кВ (Китай) и 20 кВ; уровень подключения к сети выбирается местным оператором передачи. На шельфе коллекторное напряжение часто повышается до 66 кВ для снижения потерь в кабеле, а экспортное напряжение определяется длиной кабеля и наземной сетью.

Гармоники преобразователя и K-фактор: почему современные гондолы нагревают трансформатор

Тип гондолы определяет гармонический спектр, который должен выдерживать трансформатор.

• Тип 3 — асинхронный генератор с двойным питанием (DFIG). Статор подключён напрямую, поэтому трансформатор видит в основном низкочастотные гармоники (5-ю, 7-ю, 11-ю, 13-ю) от преобразователя ротора частичной мощности. Искажение умеренное, но постоянное.
• Тип 4 — полный преобразователь. Выход генератора полностью выпрямляется и повторно инвертируется, поэтому трансформатор видит пульсации коммутационной частоты плюс низкочастотные боковые полосы, величина которых зависит от топологии преобразователя и его фильтра. Суммарное искажение часто ниже, но высокочастотный состав богаче.

Потери от вихревых токов и добавочные потери растут пропорционально квадрату гармонического тока и частоте, поэтому трансформатор, рассчитанный на чистую синусоиду, работает горячее, чем предполагает его паспортная табличка, при нагрузке от преобразователя. Два варианта спецификации решают эту проблему: номинал по K-фактору (K-4 — K-9 охватывает большинство современных гондол) или стандартный агрегат с документированным запасом по IEEE C57.110. Оба должны сочетаться с электростатическим экраном между обмотками НН и СН, который также защищает преобразователь гондолы от переходных перенапряжений со стороны сети. Основные методы см. в руководстве по гармоникам и руководстве по K-фактору.

Циклический ветровой режим и экономика потерь: какой класс потерь окупается

Рабочий цикл трансформатора гондолы определяется часами, а не нагрузкой. Он находится под напряжением всякий раз, когда машина доступна, и его потери холостого хода (P0) накапливаются каждый из этих часов, тогда как нагрузочные потери (Pk) накапливаются только во время генерации под нагрузкой. На площадке с коэффициентом использования установленной мощности, скажем, 35%, трансформатор может работать вблизи полной нагрузки лишь часть года. Именно поэтому расчёты стоимости жизненного цикла для ветровых трансформаторов придают потерям холостого хода больший вес, чем для промышленного трансформатора — и поэтому лучший класс потерь (S13 или S20) или сердечник из аморфного металла может окупиться в течение нескольких лет, несмотря на более высокую начальную стоимость. Метод тот же, что изложен в руководстве по TCO, а компромисс между классами потерь рассмотрен в сравнении S11/S13/S20 и руководстве по аморфным сердечникам.

Из циклического режима следуют два тепловых последствия: суточное термическое циклирование (расширение и сжатие обмоток и изоляции, которое старит бумажную изоляцию и со временем может ослабить прессовку) и переключение вентиляторов или принудительного охлаждения, если используется ONAF. Оба аргумента говорят в пользу надёжной прессовки, консервативного превышения температуры обмотки и конструкции охлаждения, не зависящей от частых переключений. Основы срока службы изоляции изложены в руководстве по классам изоляции.

Наземные и шельфовые: что меняется в спецификации

Шельфовые агрегаты также несут сейсмические и вибрационные требования, очень низкие температуры холодного пуска в некоторых регионах и более строгие ограничения пожарной нагрузки внутри гондолы. На суше наибольшие практические проблемы — снижение номинала на высоте, пыль и насекомые в каналах охлаждения и проникновение влаги и грызунов в конструкциях в кожухе. Для масляных систем выбор между расширительным баком и герметично закрытым баком рассмотрен в руководстве по сохранению масла, а выбор жидкости — в руководстве по трансформаторному маслу.

Контрольный список спецификации трансформатора ветропарка

• Расчётная база — полная мощность генератора (кВА) при номинальном коэффициенте мощности, с отдельно указанным запасом на температуру окружающей среды в жаркий день и высоту над уровнем моря.
• Коэффициент трансформации зафиксирован: 0,69 / 0,9 / 1,14 кВ НН до 20 / 33 / 35 / 66 кВ коллектора — одна ступень или две.
• K-фактор или документированный запас по IEEE C57.110, соответствующий типу гондолы (тип 3 или тип 4).
• Электростатический экран между обмотками НН и СН.
• Группа соединений — Dyn11 является обычным значением по умолчанию; подтвердите по проекту заземления и защиты парка (см. руководство по группам соединений).
• Напряжение короткого замыкания (Uk%) установлено для баланса уровня токов КЗ, регулирования напряжения и сквозной проводимости.
• Ответвления без возбуждения (±2 × 2,5%) для подстройки коллекторного напряжения; регулирование под нагрузкой только если этого требует сетевой кодекс.
• Класс потерь или аморфный сердечник выбирается по стоимости потерь холостого хода за жизненный цикл, а не по начальной стоимости.
• Класс охлаждения и расчётная температура окружающей среды соответствуют площадке (например, расчёт на 45–50 °C в жаркий день).
• Класс коррозии (C4 на суше / C5-M на шельфе по ISO 12944), степень защиты IP и герметичная конструкция.
• Ограничители перенапряжений и защита скоординированы с уровнем токов КЗ трансформатора и номиналами гондол (см. руководство по молниезащите и руководство по устройствам защиты).
• Типовые и приёмо-сдаточные испытания по IEC 60076-16 плюс родительская серия IEC 60076, с приёмо-сдаточными испытаниями на заводе перед отгрузкой (см. контрольный список предотгрузочной инспекции) и проверенным аудитом производителя (см. контрольный список аудита поставщика).

Часто задаваемые вопросы о трансформаторах ветропарков

Как рассчитать номинальную мощность в кВА трансформатора ветроэнергетической установки?

Разделите номинальную активную мощность гондолы на её коэффициент мощности, чтобы получить полную мощность, затем добавьте запас 5–15% на температуру окружающей среды, высоту над уровнем моря и гармоники и округлите вверх до стандартного размера. Гондола мощностью 5 МВт при коэффициенте мощности 0,95 — это около 5,26 МВА, поэтому трансформатор на 5,5 МВА или 6,3 МВА — типичный выбор.

Трансформатор ветроэнергетической установки — масляный или сухой?

На суше нормой являются масляные трансформаторы в кожухе или у основания башни. На шельфе, и особенно внутри гондолы, предпочтительны сухие или эфирно-заполненные агрегаты, поскольку они снижают пожарную нагрузку и риск разлива масла в месте, труднодоступном для обслуживания.

Почему ветропарки используют две ступени трансформации?

Напряжение генератора (около 0,69 кВ) слишком низкое для передачи по парку, поэтому каждая гондола повышает его до коллекторного уровня класса 33 кВ, а один центральный трансформатор поднимает коллектор до сетевого уровня 110–220 кВ. Передача при коллекторном напряжении позволяет удерживать потери в кабеле и его сечение на приемлемом уровне.

В чём разница между трансформатором WTG и трансформатором подстанции ветропарка?

Агрегатный трансформатор WTG повышает выход одной гондолы до коллекторного напряжения и выбирается по полной мощности этой гондолы. Трансформатор подстанции ветропарка повышает напряжение всей коллекторной шины до сетевого напряжения и выбирается по суммарной совпадающей мощности парка.

Источники / 资料来源

• Источник: IEC 60076-16 — Силовые трансформаторы — Часть 16: Трансформаторы для ветроэнергетических применений
• Источник: IEC 60076-1 / 60076-2 / 60076-3 — Силовые трансформаторы (общие требования, превышение температуры, уровни изоляции и диэлектрические испытания)
• Источник: IEC 60076-11 — Силовые трансформаторы — Сухие трансформаторы
• Источник: IEC 61400-1 — Системы генерации ветровой энергии — Требования к проектированию
• Источник: IEC 61400-21 — Системы генерации ветровой энергии — Измерение и оценка характеристик качества электроэнергии ветроэнергетических установок, подключённых к сети
• Источник: IEC 61000-3-6 — Электромагнитная совместимость — Оценка пределов эмиссии для искажающих нагрузок в системах среднего и высокого напряжения
• Источник: IEEE C57.12.00 — Общие требования к распределительным, силовым и регулирующим трансформаторам с жидким диэлектриком
• Источник: IEEE C57.12.01 — Общие требования к сухим распределительным и силовым трансформаторам
• Источник: IEEE C57.110 — Рекомендуемая практика установления нагрузочной способности трансформатора при питании несинусоидальными токами нагрузки
• Источник: IEEE 519 — Рекомендуемая практика и требования к контролю гармоник в электроэнергетических системах
• Источник: серия GB/T 1094 — 电力变压器 (Силовые трансформаторы)
• Источник: GB/T 19963.1 — 风电场接入电力系统技术规定 第1部分：陆上风电 (Технические требования к подключению ветропарков к электроэнергетической системе — Часть 1: Наземная ветроэнергетика)
• Источник: VDE-AR-N 4120 — Технические требования к подключению и эксплуатации установок потребителей в сети высокого напряжения
• Источник: ISO 12944 — Защита стальных конструкций от коррозии лакокрасочными системами
• Источник: DNV-ST-0145 — Шельфовые подстанции
• Источник: Инженерная команда QDTB — отраслевой опыт по типичным запасам при выборе трансформаторов WTG, выбору K-фактора и проектированию с учётом температуры окружающей среды на площадке