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摘要目前在风力发电中,风电机组的主要设计是按一机一变配置。随着风力发电容量和机组单机容量的不断增加,风机变的数量和容量也在不断增长,风机传统硅钢变压器空载损耗大的问题逐渐显现。非晶合金材料作为一种新型导磁材料,具有优越的空载性能,因此非晶合金变压器一直受到行业关注。为了降低风力发电的空载损耗,非晶合金变压器必将会在风力发电中快速得到应用。本文对比分析了非晶合金变压器S9-M-1600/35与同容量S11型硅钢变压器的年负载能耗,由此说明了非晶合金变压器在风力发电中推广应用的工程意义。
关键词非晶合金变压器 风力发电 负载损耗比较
中图分类号:TM61文献标识码:A
0 引言
所谓晶态材料,是指材料内部原子排列遵循一定规律。反之,内部原子排列处于无规则状态,则为非晶态材料。
非晶合金材料是在20世纪70年代问世的一种新型合金工艺产品。由于其单位铁损低(仅为冷轧硅钢片的70%～80%),涡流损耗小,因此已经诞生其很快就在变压器领域得到应用。第一台非晶合金铁心变压器于1982年4月由美国通用电气公司研制成功并投入运行。同期,美国中央电力研究所还斥资800万美元进行一项为期5年的非晶合金研究计划,通过该计划共试制了1000台非晶合金铁心变压器供商业运行。截至目前美国共有9家以上企业生产非晶合金配电变压器,其中GE公司年生产能力更是超过30万台,达到2000万kVA。欧洲(主要指西欧国家)生产厂家主要有瑞士ABB公司、英国GEC-阿尔斯通公司、西班牙Bilbao-ABB TrofodldSA公司。①另外,如日本、印度、东南亚和南亚以及我国台湾地区在非经合金变压器应用上也都相应的取得了较大成绩。而我国在1986年利用从美国信联(Alliedsignal)公司购买的非晶合金材料,由上海变压器厂和长沙变压器厂等单位研制成功第一台非晶合金铁心变压器。1998年,上海置信电气股份有限公司则率先从美国通用电器公司引进了非晶合金变压器生产技术,在探索中已形成了自有技术。据不完全统计,国内如特变电工、杭州钱江电器集团、天威保变、顺特电气等知名变压器厂家,也纷纷进入非晶合金变压器领域,非晶合金变压器行业已逐渐形成了规模。截止2007年,国内已有近百家变压器企业加入非晶合金变压器的生产行业。②
1 非晶合金变压器特点
(1)材料特点:由于非晶合金材料具有非常优异的导磁性能,因此非晶合金材料较常规金属材料的去磁与被磁化过程更易完成,从而较硅钢材料铁芯损耗大大降低。(2)环保特点:当非晶合金铁芯用于油浸变压器时,经技术检测可有效降低CO、SO、NO等有害气体向大气中的排放量,降低了对大气污染。(3)综合成本特点:由于非晶合金变压器采用了新材料、新技术,制造工艺复杂,致使其产品价格较传统变压器高大约30%左右;但其节能效果显著,运行维护成本较低。在整个使用的过程中(一般使用年限20年)非经合金变压器的综合运行成本要较传统变压器较低。(4)结构性能特点:非晶合金变压器不仅结构先进合理、运行效率高,同时采用了全密封式结构,具有免维护等优点。
2 风力发电特点
哥本哈根会议召开后,节能减排和低碳经济也逐渐成为世界各国发展的主旋律。而风电更是在近几年中保持着较高增长速度,世界风电装机容量截止到2008年已经达到12210万千瓦时。而我国风电装机容量截止到2008年也已达到1200万千瓦。③在目前,风力发电机组主要配置方式是一机一变。即风力发电机发出690伏电流经过风机变一次升压后(一般升至10千伏或35千伏)并入集电线路然后送到升压站主变,经过主变升压后送入电网。随着单体风力发电场以及区域性风电场的容量不断增加,风电场内风力发电机组台数也变得越来越多,对应风机变台数也越来越多。同时我国整体风资源水平不高,风力发电机满负荷发电小时数较少,风机变具有运行负责率较低的特点。
3 非晶合金变压器节能效益分析
对目前主流机型单机容量为1500千瓦风力发电机组配置的两种风机变进行简单比较。非晶合金变压器与S11系列变压器相比,其主要损耗的降低取决于空载损耗的大幅度降低。
通过直接比较两种变压器年负载损耗成本,来计算年节电费用,可简单直观地体现非晶合金变压器的节能效益。1600kVA的10kV变压器为例来进行两种能耗对比。两种规格变压器基础参数如下表:
变压器损耗计算:
(1)有功损耗:
(1)
(2)无功损耗:
(2)
(3)综合功率损耗:
(3)
其中,
式中:P0—— 空载损耗,kW
KT —— 负载波动损耗系数
—— 平均负载系数
PK—— 额定负载损耗,kW
Q0—— 空载无功损耗,kvar
QK—— 额定负载漏磁功率,kvar
KQ—— 无功经济当量,kW/kvar
SN—— 变压器额定容量,kVA
IO%—— 变压器空载电流百分比
UK% —— 短路电压百分比
计算条件
(1)取KT = 1.05;
(2)变压器容量SN= 1600kVA;
(3)无功当量KQ= 0.1kW/kvar;
(4)平均负载系数取30%(此数是由36台风机变统计);
S11型变压器的年综合功率损耗为:
如果采用目前风电电价为0.54 元/kw·h,
目前非晶合金变压器的售价大约比S11贵1.5万元/台,每年非晶合金变压器可节约的电费是4752元,简单计算,购买非晶合金变压器多增的投资,静态回收期是3.2年,即多增投资在产品运行3.2年后,即可通过少支付电费的节约来回收。风力发电机组运行年限一般设计为20年,在剩余16.8年中,共可节约电费79834元。假设一个五万千瓦装机的风电场,那么整个风电场的风机变台数为33台,则在余下的16.8年之间在风机变上所能够产生的要以就会达到2634508.8元。如果在一些风电电价更高地区,则经济效益更加显著。
4 结束语
风力发电是一个运行时间长、投资风险大的新能源产业,只有在不断提高风力发电产业抗风险能力才能够更好更快的促进风力发电产业的快速进步。非晶合金变压器从发展至今已取得突出性进步,不论是在技术还是材料上早已达到商业化程度。尤其是在大型风电场或区域性风电场中,风机变整体负荷率较低。变压器空载损耗占总损耗比重较大。如果采用非晶合金变压器,降低设备空载损耗,对降低总损耗和提高风电经济效益,意义将十分重大。从长远眼光来看,非晶合金变压器的使用既可为国家节约大量能源,又会取得显著的经济效益和环保效益,从节能降耗、落实科学发展观的角度来看,也是值得在风电行业大力推广使用。
注释
①徐泽玮.我国非晶合金配电变压器的应用现状和发展建议.江苏电机工程,2006.6.13(3).
②宋天林.非晶合金变压器发展前景探析.电器工业,2008.6.
③2008年度中国风电建设成果统计报告.中国水电工程顾问集团公司.2009.3.
关键词非晶合金变压器 风力发电 负载损耗比较
中图分类号:TM61文献标识码:A
0 引言
所谓晶态材料,是指材料内部原子排列遵循一定规律。反之,内部原子排列处于无规则状态,则为非晶态材料。
非晶合金材料是在20世纪70年代问世的一种新型合金工艺产品。由于其单位铁损低(仅为冷轧硅钢片的70%～80%),涡流损耗小,因此已经诞生其很快就在变压器领域得到应用。第一台非晶合金铁心变压器于1982年4月由美国通用电气公司研制成功并投入运行。同期,美国中央电力研究所还斥资800万美元进行一项为期5年的非晶合金研究计划,通过该计划共试制了1000台非晶合金铁心变压器供商业运行。截至目前美国共有9家以上企业生产非晶合金配电变压器,其中GE公司年生产能力更是超过30万台,达到2000万kVA。欧洲(主要指西欧国家)生产厂家主要有瑞士ABB公司、英国GEC-阿尔斯通公司、西班牙Bilbao-ABB TrofodldSA公司。①另外,如日本、印度、东南亚和南亚以及我国台湾地区在非经合金变压器应用上也都相应的取得了较大成绩。而我国在1986年利用从美国信联(Alliedsignal)公司购买的非晶合金材料,由上海变压器厂和长沙变压器厂等单位研制成功第一台非晶合金铁心变压器。1998年,上海置信电气股份有限公司则率先从美国通用电器公司引进了非晶合金变压器生产技术,在探索中已形成了自有技术。据不完全统计,国内如特变电工、杭州钱江电器集团、天威保变、顺特电气等知名变压器厂家,也纷纷进入非晶合金变压器领域,非晶合金变压器行业已逐渐形成了规模。截止2007年,国内已有近百家变压器企业加入非晶合金变压器的生产行业。②
1 非晶合金变压器特点
(1)材料特点:由于非晶合金材料具有非常优异的导磁性能,因此非晶合金材料较常规金属材料的去磁与被磁化过程更易完成,从而较硅钢材料铁芯损耗大大降低。(2)环保特点:当非晶合金铁芯用于油浸变压器时,经技术检测可有效降低CO、SO、NO等有害气体向大气中的排放量,降低了对大气污染。(3)综合成本特点:由于非晶合金变压器采用了新材料、新技术,制造工艺复杂,致使其产品价格较传统变压器高大约30%左右;但其节能效果显著,运行维护成本较低。在整个使用的过程中(一般使用年限20年)非经合金变压器的综合运行成本要较传统变压器较低。(4)结构性能特点:非晶合金变压器不仅结构先进合理、运行效率高,同时采用了全密封式结构,具有免维护等优点。
2 风力发电特点
哥本哈根会议召开后,节能减排和低碳经济也逐渐成为世界各国发展的主旋律。而风电更是在近几年中保持着较高增长速度,世界风电装机容量截止到2008年已经达到12210万千瓦时。而我国风电装机容量截止到2008年也已达到1200万千瓦。③在目前,风力发电机组主要配置方式是一机一变。即风力发电机发出690伏电流经过风机变一次升压后(一般升至10千伏或35千伏)并入集电线路然后送到升压站主变,经过主变升压后送入电网。随着单体风力发电场以及区域性风电场的容量不断增加,风电场内风力发电机组台数也变得越来越多,对应风机变台数也越来越多。同时我国整体风资源水平不高,风力发电机满负荷发电小时数较少,风机变具有运行负责率较低的特点。
3 非晶合金变压器节能效益分析
对目前主流机型单机容量为1500千瓦风力发电机组配置的两种风机变进行简单比较。非晶合金变压器与S11系列变压器相比,其主要损耗的降低取决于空载损耗的大幅度降低。
通过直接比较两种变压器年负载损耗成本,来计算年节电费用,可简单直观地体现非晶合金变压器的节能效益。1600kVA的10kV变压器为例来进行两种能耗对比。两种规格变压器基础参数如下表:
变压器损耗计算:
(1)有功损耗:
(1)
(2)无功损耗:
(2)
(3)综合功率损耗:
(3)
其中,
式中:P0—— 空载损耗,kW
KT —— 负载波动损耗系数
—— 平均负载系数
PK—— 额定负载损耗,kW
Q0—— 空载无功损耗,kvar
QK—— 额定负载漏磁功率,kvar
KQ—— 无功经济当量,kW/kvar
SN—— 变压器额定容量,kVA
IO%—— 变压器空载电流百分比
UK% —— 短路电压百分比
计算条件
(1)取KT = 1.05;
(2)变压器容量SN= 1600kVA;
(3)无功当量KQ= 0.1kW/kvar;
(4)平均负载系数取30%(此数是由36台风机变统计);
S11型变压器的年综合功率损耗为:
如果采用目前风电电价为0.54 元/kw·h,
目前非晶合金变压器的售价大约比S11贵1.5万元/台,每年非晶合金变压器可节约的电费是4752元,简单计算,购买非晶合金变压器多增的投资,静态回收期是3.2年,即多增投资在产品运行3.2年后,即可通过少支付电费的节约来回收。风力发电机组运行年限一般设计为20年,在剩余16.8年中,共可节约电费79834元。假设一个五万千瓦装机的风电场,那么整个风电场的风机变台数为33台,则在余下的16.8年之间在风机变上所能够产生的要以就会达到2634508.8元。如果在一些风电电价更高地区,则经济效益更加显著。
4 结束语
风力发电是一个运行时间长、投资风险大的新能源产业,只有在不断提高风力发电产业抗风险能力才能够更好更快的促进风力发电产业的快速进步。非晶合金变压器从发展至今已取得突出性进步,不论是在技术还是材料上早已达到商业化程度。尤其是在大型风电场或区域性风电场中,风机变整体负荷率较低。变压器空载损耗占总损耗比重较大。如果采用非晶合金变压器,降低设备空载损耗,对降低总损耗和提高风电经济效益,意义将十分重大。从长远眼光来看,非晶合金变压器的使用既可为国家节约大量能源,又会取得显著的经济效益和环保效益,从节能降耗、落实科学发展观的角度来看,也是值得在风电行业大力推广使用。
注释
①徐泽玮.我国非晶合金配电变压器的应用现状和发展建议.江苏电机工程,2006.6.13(3).
②宋天林.非晶合金变压器发展前景探析.电器工业,2008.6.
③2008年度中国风电建设成果统计报告.中国水电工程顾问集团公司.2009.3.