風(fēng)力發(fā)電場主變壓器選擇及優(yōu)化設(shè)計

高立剛，田莉莎

( 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著陸上風(fēng)電“平價時代”的到來，如何降低風(fēng)電場投資成本、提高風(fēng)電場發(fā)電量和整體收益率，成為風(fēng)電項目投資領(lǐng)域關(guān)注的焦點。影響風(fēng)點項目投資收益的因素較多，主設(shè)備選型、設(shè)備集成方案、設(shè)計方案、安裝工藝及棄風(fēng)限電等都會對投資收益產(chǎn)生影響。

本文通過比較分析風(fēng)電場主變壓器的選型，從系統(tǒng)設(shè)計方案、變壓器特性、出力曲線等方面綜合分析，提出有利于降低投資、提高收益率的風(fēng)電場變壓器選擇及優(yōu)化設(shè)計方案。

1 陸上風(fēng)電項目投資面臨的形勢

截至2020 年底，中國可再生能源發(fā)電總裝機(jī)9.34 億kW，同比增長17.5%，占電力總裝機(jī)42.5%,其中風(fēng)電裝機(jī)容量為2.81 億kW，占電力總裝機(jī)的12.8%。至2020 年底，中國可再生能源年發(fā)電量22 154 億kWh，風(fēng)電發(fā)電量為4 665 億kWh，占全部發(fā)電量的6.10%，根據(jù)國家能源局發(fā)布的《2021 年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知》，2021 年，全國風(fēng)電、光伏發(fā)電量占全社會用電量的比重達(dá)到11%左右，后續(xù)逐年提高，確保2025 年非化石能源消費占一次能源消費的比重達(dá)到20%左右。陸上風(fēng)電全面實現(xiàn)平價上網(wǎng)[1]。如何降低初始投資、提高風(fēng)電場發(fā)電量和整體收益率越來越受到關(guān)注。

2 風(fēng)場區(qū)主要設(shè)備

陸上風(fēng)電場主要設(shè)備有風(fēng)力發(fā)電機(jī)(含塔筒)、就地升壓箱變、主變壓器等，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加，就地升壓箱變?nèi)萘恳蚕鄳?yīng)增大，目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量為3.0 MW，根據(jù)GB 51096—2015《風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，機(jī)組變壓器的容量應(yīng)按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定視在功率選取[2]，對應(yīng)就地升壓箱變?nèi)萘窟x擇為3.15 MVA 的無勵磁調(diào)壓變壓器。

3 升壓站主要設(shè)備選擇

3.1 主變壓器容量

根據(jù)GB 51096—2015《風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定：匯集站(或升壓站)的主變壓器容量宜按照風(fēng)電場有效容量選擇、采用有載調(diào)壓變壓器[2]。所謂有效容量指的是根據(jù)風(fēng)電出力概率分布綜合考慮系統(tǒng)調(diào)峰和送出工程，使系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的風(fēng)電最大出力[3]。

3.1.1 主變壓器常規(guī)設(shè)計方案

目前陸上風(fēng)電場實際設(shè)計過程中，主變壓器往往根據(jù)風(fēng)電場總的裝機(jī)容量和GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》所列標(biāo)準(zhǔn)容量來選擇。

以200 MW 風(fēng)電場為例，常規(guī)設(shè)計方案如下。

1)若此項目為單體新建工程，配套110 kV升壓站，一般可以選擇兩臺100 MVA 主變壓器采用單母線接線方式。

2)若為風(fēng)電基地項目，采用合建330 kV 的匯集站的形式，主變?nèi)萘恳话惆凑?40 MVA 設(shè)計，如圖1、圖2 所示。

圖1 110 kV主接線方案

圖2 330 kV主接線方案

3.1.2 主變壓器負(fù)荷特性

根據(jù)油浸式變壓器相關(guān)規(guī)范要求，110 kV及以上主變有一定的過載能力，如表1 所示[4]。

表1 大型油浸式電力變壓器負(fù)載超過銘牌額定值時的電流和溫度限制

如表2 所示為某變壓器廠家提供的110 kV及以上主變過載能力一覽表。

表2 某變壓器廠家110 kV及以上主變過載能力一覽表

由表1 和表2 可知，油浸式變壓器有一定的過載能力，其過載倍數(shù)與變壓器的運(yùn)行環(huán)境及發(fā)電機(jī)組的出力特性等有關(guān)。

一般情況下，過載運(yùn)行會使導(dǎo)體發(fā)熱、繞組和絕緣油溫度升高、降低絕緣強(qiáng)度和繞組機(jī)械強(qiáng)度，縮短變壓器使用壽命。根據(jù)DL/T 572—2010《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定，電力變壓器負(fù)載狀態(tài)分為3 類[5]，分別為正常周期性負(fù)載、長期急救周期性負(fù)載和短期急救負(fù)載。

從風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)驗和出力特性可知，風(fēng)電場達(dá)到額定出力的情況較少，風(fēng)電場主變壓器大多數(shù)時間都低于額定電流運(yùn)行。在風(fēng)電場周期性負(fù)載中，某一小段時間在環(huán)境溫度較高或者超過額定電流下運(yùn)行可以由其他時間環(huán)境溫度較低或低于額定電流所補(bǔ)償。且風(fēng)電場運(yùn)行年限為20 a，小于主變壓器的要求使用年限(30 a)，因此風(fēng)電場配套升壓站主變壓器可考慮降容配置。

3.1.3 項目實例

為確定主變壓器降容系數(shù)，以酒泉地區(qū)某200 MW 風(fēng)電基地項目為例，對風(fēng)電場實測出力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

該項目采用三家合建330 kV 匯集站的形式，每個風(fēng)電場以8 回35 kV 集電線路接入合建的330 kV 匯集站，對應(yīng)每個風(fēng)電場設(shè)置1 臺330 kV、240 MVA 的主變，330 kV 匯集站共設(shè)3 臺240 MVA 主變壓器，330 kV 側(cè)采用3/2 接線，35 kV 側(cè)采用三段單母線接線。

根據(jù)2019 年1 ～12 月及典型月的實測出力情況，該風(fēng)電場出力曲線如圖3、圖4 所示，其中縱坐標(biāo)為風(fēng)電場出力功率，單位為MW，橫坐標(biāo)為時間。圖3 為風(fēng)電場年出力曲線，統(tǒng)計出每天最大出力情況。圖4 為典型月(3 月份)出力曲線，以15 min 為一個單位進(jìn)行統(tǒng)計。如表3 所示為不同出力情況下最大持續(xù)時間表。

圖3 風(fēng)電場年出力曲線

圖4 風(fēng)電場年典型月出力曲線

表3 典型月出力統(tǒng)計

由圖3、圖4 和表3 可知，該風(fēng)電場裝機(jī)容量為200 MW，而主變壓器工作額定容量的80%以下的時間占比達(dá)到94.08%。

主變壓器若選擇降容10%～20%(即選擇容量為180 MVA ～160 MVA 的主變壓器、不考慮功率因數(shù))則完全滿足風(fēng)電場出力要求，且無需棄風(fēng)、棄電。

經(jīng)調(diào)研，變壓器制造廠商生產(chǎn)GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》所列標(biāo)準(zhǔn)容量以外容量并無技術(shù)難度，且容量與價格成正比(如變壓器按降容20%設(shè)計，設(shè)備投資約減小20%)。以本項目主變?yōu)槔壳?30 kV、240 MVA 油浸式變壓器市場價格約為700 萬元，則主變按降容20%設(shè)計，可節(jié)約投資140 余萬元。

如表4 所示， 假設(shè)變壓器容量為120 MVA(降容40%)時的月出力持續(xù)時間統(tǒng)計。

根據(jù)DL/T 572—2010《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定，須對變壓器負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行分類、結(jié)合熱點溫度和頂層油溫等對過載情況進(jìn)行分析。當(dāng)過載1.5 倍按短期急救負(fù)載考慮，假設(shè)此時熱點溫度≤160℃、頂層油溫≤115℃，則風(fēng)電場過載時間不應(yīng)大于0.5 h，而表4 中過載1.5 倍時最大持續(xù)運(yùn)行時間為4.25 h，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，須棄風(fēng)棄電以滿足變壓器安全運(yùn)行要求。

表4 出力月持續(xù)時間(變壓器容量按120 MVA選擇)

上述分析可知，風(fēng)電場配套升壓站主變壓器有一定降容空間，具體降容比應(yīng)依據(jù)裝機(jī)容量，并應(yīng)考慮風(fēng)電場出力特性、變壓器過載能力及壽命等，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

3.2 主變數(shù)量確定

主變數(shù)量分配應(yīng)考慮主變的運(yùn)輸情況，分期建設(shè)情況，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較情況進(jìn)行。

一般情況下，單臺主變?nèi)萘吭酱螅髯償?shù)量越少、主變以及與其連接的35 kV 設(shè)備一次性投資越少。但設(shè)備運(yùn)行的靈活性相應(yīng)降低。若風(fēng)電場分期開發(fā)，開發(fā)周期較長，可能造成前期一次性投資較大，且前期變壓器容量選擇較大會造成空載損耗也較大。

因此對于200 MW 及以下的單體新建項目，無擴(kuò)建需求時，宜采用單臺或兩臺主變，采用線變組或單母線的主接線方案。對于單體為200 MW 及以下風(fēng)電基地項目、合建匯集站的方式時，考慮每個對應(yīng)的風(fēng)電場設(shè)置單臺主變，匯集站主變高壓側(cè)宜采用雙母線或者3/2 接線方案。

3.3 主變冷卻方式確定

從主變制造能力而言，目前市面上大部分廠家240 MVA 及以下的電力變壓器可采用自然油循環(huán)自冷方式，480 MVA 及以下電力變壓器可采用自然油循環(huán)風(fēng)冷方式。根據(jù)GB/T 17468—2019《電力變壓器選用導(dǎo)則》規(guī)范要求：在滿足溫升限值的情況下，180 MVA 及以下產(chǎn)品采用自然油循環(huán)自冷方式，240 MVA 及以下產(chǎn)品采用自然油循環(huán)風(fēng)冷方式[6]。

由于風(fēng)電場年利用小時數(shù)較低，一般在1 600 h ～2 400 h 之間。主變的冷卻方式可按規(guī)范執(zhí)行：180 MVA 及以下變壓器冷卻方式宜采用自然油循環(huán)自冷方式，240 MVA 及以下變壓器冷卻方式宜采用自然油循環(huán)風(fēng)冷方式。

3.4 變壓器繞組形式選擇

風(fēng)電升壓站主變壓器一般采用雙繞組變壓器或帶平衡繞組的三繞組主變壓器2 種形式。主變繞組2 種方案的低壓側(cè)均需滿足以下要求。

1)抑制高次諧波，改善感應(yīng)電動勢波形，使相電壓更接近正弦波；

2)提高變壓器帶不平衡負(fù)載能力，以穩(wěn)定電壓中性點，并使變壓器得到充分利用；

3)降低變壓器的零序電抗。

其不同在于雙繞組變壓器本身無法引出中性點，需借助接地變壓器制造人為中性點并接地，增加1 面35 kV 開關(guān)柜和接地變成套裝置，而帶平衡繞組的三繞組變壓器只需增加一臺中性點接地裝置(電阻器、消弧線圈)。

圖5 雙繞組變壓器及帶平衡繞組的三繞組變壓器接線示意圖

就經(jīng)濟(jì)性而言，330 kV、240 MVA 雙繞組變壓器目前市場價約700 萬元，而該規(guī)格帶平衡繞組的三繞組變壓器相比雙繞組變壓器投資成本高約100 萬元。

采用雙繞組變壓器方案，需配置1 面35 kV開關(guān)柜和1 套35 kV 接地變和接地電阻成套裝置。目前35 kV 開關(guān)柜市場價為15 萬元/面(空氣柜、充氣柜價格差異不大)，35 kV 接地變和接地電阻成套裝置目前市場價為20 萬元/套。

由表5 比較可知，330 kV、240 MVA 主變壓器采用帶平衡繞組的三繞組變壓器比雙繞組變壓器方案總投資成本高約77 萬元。

表5 相同容量、不同繞組類型的主變壓器及配套中性點設(shè)備投資估算萬元

因此在風(fēng)電場設(shè)計中，升壓站主變的繞組形式主要依據(jù)其經(jīng)濟(jì)性選擇。220 kV 變壓器采用兩種繞組的方案總價格相差不大，而隨著電壓等級升高，采用雙繞組變壓器的經(jīng)濟(jì)性更好。此外，無論是采用帶平衡繞組的三繞組變壓器還是雙繞組變壓器，都需嚴(yán)格按照接入系統(tǒng)要求，遵循風(fēng)電場當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行習(xí)慣(如甘肅風(fēng)電項目傾向于采用帶平衡繞組的三繞組變壓器，青海、新疆等地區(qū)傾向于采用雙繞組變壓器)。

4 結(jié)論

本文通過比較分析風(fēng)電場主變壓器的選型，從變壓器容量、出力曲線比較、系統(tǒng)設(shè)計方案等方面綜合分析，提出有利于降低投資、提高收益率的風(fēng)電場變壓器選擇及優(yōu)化設(shè)計方案。

1)風(fēng)電場配套升壓站主變壓器有降容空間，一般可降容10%～20%左右，具體降容比應(yīng)依據(jù)裝機(jī)容量，并應(yīng)考慮機(jī)組出力特性、變壓器過載能力及壽命，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

2)風(fēng)電場配套升壓站變壓器數(shù)量應(yīng)根據(jù)裝機(jī)容量及是否分期建設(shè)確定。若無擴(kuò)建需求，在開關(guān)設(shè)備選型滿足要求的前提下，選擇單臺大容量主變，通過減少主變及相應(yīng)開關(guān)設(shè)備數(shù)量來減少設(shè)備初始投資。若風(fēng)電場分期建設(shè)，根據(jù)分期容量，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定主變數(shù)量。

3)根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)行的特點，風(fēng)電場升壓站變壓器冷卻方式宜按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。在滿足溫升限值的情況下，180 MVA 及以下變壓器冷卻方式宜采用自然油循環(huán)自冷方式，240 MVA 及以下變壓器冷卻方式宜采用自然油循環(huán)風(fēng)冷方式。

選擇變壓器繞組形式時須按照接入系統(tǒng)方案要求，若無相關(guān)要求，主要依據(jù)經(jīng)濟(jì)性來選擇，110 kV 主變壓器宜采用雙繞組變壓器；220 kV主變壓器雙繞組或帶平衡繞組的三繞組形式差異不大，采用兩種方式均可；330 kV 及以上的主變壓器宜采用雙繞組變壓器作為風(fēng)電場升壓站的主變壓器。