风机机舱内置升压变压器电损及经济性分析

张林通，陈冰，罗小林，张敬华

（1.650093 云南省 昆明市 昆明理工大学 信息工程与自动化学院；2.650500 云南省 昆明市 中国电建集团昆明勘测设计研究院）

0 引言

近年来，随着政府对新能源产业的支持，以及市场的持续扩大，风力发电作为新能源中关键的一环，单机容量不断扩大，单机电能损耗的降低和经济效益的提升，无疑成为了风力发电机工程实际中要考虑的关键问题。升压变压器作为风力发电机组的关键设备，其选型和布置都将直接影响风力发电机组的实际并网发电效率。

目前，国内的大型陆上风电场均采用 “一机一变”的单元接线方式，从机端电压升至35 kV，经中压集电线路汇集，接入升压变电站，二次升压至220 kV 后并入高压电网[1]。对于升压变压器内置技术的研究主要集中在运行环境特殊的海上风力发电机组，一些海上风电设备厂家已经对内置塔筒式变压器系统进行了相应的研究和改进[2-3]。对陆上风力发电机机舱内置升压变压器的相关研究相对较少。文献[4-6]对风电机舱用干式变压器进行了相关研究设计；文献[7]对内置干式变压器进行了电磁和热仿真，为内置干式变压器电磁设计和散热设计提供依据；文献[8]对内置变压器的风机组机舱进行了通风系统设计；文献[9]对升压变压器内置机舱所产生的过电压保护进行了相关研究，为风机组避雷器的选择提供建议。

以上均为相关设备的设计研究，国内此前尚未有相关升压变压器内置风机机舱的整机工程实例。

本文结合云南地区某高海拔山地风电场项目风机实例，简单阐述国产内置升压变压器于机舱型机组相关设备布置及选型，通过数值计算并结合现场数据对该技术方案电能损耗及经济效益进行研究分析，为陆上大型风电场建设提供参考，对变压器内置机舱型风机组经济效益提供数据及理论依据。

1 变压器内置风机设计方案及关键设备选型

1.1 变压器内置风机设计方案

将升压变压器内置于风机机舱内，需对整机设备重新布置，电气接线图如图1 所示。较传统外置箱变风机组，其电气系统接线方案、监控系统、集电线路不变，改变的是变压器、线缆及布置方案。

图1 变压器内置机舱电气接线图Fig.1 Electrical wiring diagram of transformer built-in nacelle

根据本风电场变压器内置于机舱的设计方案，将传统机组塔筒底部换流柜内置于风机机舱内，升压变压器高压侧 35 kV 开关柜布置于塔筒底部。内置于机舱的变压器底部由弹性支撑固定，顶部由2个斜拉杆固定，且采用封闭门与其余机舱设备隔开，保证整机的安全运行。同时为防止机舱内温度及湿度过高，在机舱内加设轴流风机和电加热除湿装置。

1.2 变压器及传输电缆选型

对于变压器内置机舱型风机组，机舱空间利用、日常维护、塔筒的机械强度以及舱内其他设备的安全运行均是变压器选型的关键。对本工程风场实际内置变压器与外置箱变主要技术参数进行对比，变压器技术参数对比见表1。由表1 可知，外置箱变造价低、损耗小，但由于内置干式变压器质量轻、体积小、设计寿命长的特点，更适合作为内置机舱型变压器。

表1 变压器技术参数对比表Tab.1 Comparison of transformer technical parameters

箱变一次接线示意图如图2 所示。35 kV 及0.69 kV 出线方式均为电缆出线，风机到箱变为11根ZR-YJV22-0.6/1kV-3×240+1×120 电缆并联。升压变压器内置机舱后，塔筒内及箱变至风机路段由内置前的低压大电流转变为高压小电流，相应的传输电缆需相应调整，其塔筒内电缆（长度100 m左右）由24 根1×185 mm2电缆变为单根3×95 mm2+3×10 mm2电缆，箱变至风机的电缆（20 m 左右）由 11×（ZC-YJV22-3×240 mm2）+2×（ZC-YJV-1 240 mm2) 变为单根3×95 mm2电缆。

图2 箱变一次接线示意图Fig.2 Primary wiring diagram of box-type transformer

2 单机并网发电量损耗对比研究分析

2.1 升压变压器电能损耗对比研究分析

本项目升压变压器内置机舱风机组用内置机舱的干式变压器替代外置箱变，单机变压器损耗改变，从而影响单机并网发电量。对于变压器损耗的计算，均方根负载计算法理论最严谨，计算精度最高，但在实际应用较为困难，其计算得到变压器耗能为ΔAj：

在实际工程应用中，均方根电流法和τ值当量法是两种最常用方法[10]。本文以均方根电流法分别计算本项目传统外置箱变损耗和内置干式变压器损耗，对比分析单风机组变压器损耗。由于本文计算分析变压器年电能损耗量，假定变压器无功补偿合格，其无功损耗不计入变压器损耗计算中。电网公司计算变压器损耗常用变压器损耗公式为：

由此可知，变压器年损耗量与其额定容量、运行时间、负载率及功率因数有关，整理式（1）—式（5）可得：

经计算，式（6）可简化为

使用相应负载率曲线进行积分后，推出均方根电流系数K 值，均方根电流系数与负载率关系如表2 所示。

表2 不同负载率均方根电流系数对应表Tab.2 Corresponding table of RMS current coefficients at different load rates

依据本项目内置干式变压器与外置箱变数据，以负载率为0.5 和0.7 工况代入式（7）进行数值计算，绘制变压器年损耗电量对比表，如表3 所示。

表3 变压器年损耗电量对比表Tab.3 Comparison of annual power loss of transformer

由表3 可知，无论负载率为0.5 还是0.7，内置干式变压器年损耗大于外置箱变。负载率为0.5 时，内置干式变压器比外置箱变多损耗约44 080 kW·h/年；当负载率为0.7 时，内置干式变压器比外置箱变多损耗约为50 595 kW·h/年。根据本风电场负载情况，后文以负载率为0.7 时损耗进行相关分析与计算。

2.2 电缆电能损耗研究分析

升压变压器上移前，塔筒内电压为690 V 低电压，载流量大，电缆根数多；升压变压器内置机舱后，电压升压至35 kV，塔筒内电缆电压升高，电流变小。故传输电缆数量和型号进行了调整，塔筒内电缆（长度100 m 左右）由24 根1×185 mm2电缆变为单根3×95 mm2+3×10 mm2电缆，箱变至风机的电缆（20 m 左右）由11×（ZC-YJV22-3×240 mm2+2×（ZC-YJV-1 240 mm2）变为单根3×95 mm2电缆。

对于线损的计算，升压变压器上移内置机舱后电流很小，故内置后线损可忽略。内置前箱变至风机塔筒底部距离短，线损小，故这部分线损也可忽略。本文主要计算塔筒内电缆由低压传输转变为高压传输所减少的损耗值。分析可知，风力发电机组升压变压器内置后减少的线损Pr主要由发电机组定子侧减少的线损Pr1和转子侧减少的线损Pr2构成。

n 芯电缆的损耗功率计算公式为

式中：Ic——电缆的计算负荷电流，A；ρt——电缆运行时平均温度为 20 ℃时电缆芯电阻率，Ω·mm，对于铜芯电缆，ρt=0.017 5×10-3Ω·mm；L——电缆长度，mm；S——电缆芯截面，mm2。

将风电场电缆数据代入式（8）计算可得：

若机组年运行时间T 按8 670 h 计算，内置升压变压器线损可降低346 466.76 (kW·h)/年。结合负载率为0.7 时，内置干式变压器比传统箱变多损耗约为50 595 (kW·h)/年。内置升压变压器型机组可降损295 871 (kW·h)/年，提高约 1% 的发电量。

3 风机组现场风功率数据对比验证及经济效益分析

3.1 风机组现场风功率对比验证分析

风机组现场风功率预测硬件设备如图3 所示。依据其连续记录的内置变压器型机组和传统外置箱变型机组风功率现场风功率预测数据，绘制风机组有功功率对比折线图，如图4 所示。由图4 可知，处于同一风场的内置变压器型机组与传统外置箱变型机组在当月的有功功率输出波动基本一致，内置变压器型机组有功功率总体上略高于传统外置箱变型机组。同时，风场风速不均，可能出现个别时间如19 日至21 日的波动差异。

图3 风机组现场风功率预测硬件设备图Fig.3 Hardware equipment diagram of field wind power forecast of wind turbine

图4 风机组实际输出有功功率对比折线图Fig.4 Line chart of actual active power output of wind turbine

当月，内置变压器型机组输出有功功率均值为1 301.212 kW，传统外置箱变型机组输出有功功率均值为1 270.56 kW，差值30.562 kW。若机组年工作时间T 取值8 760 h，则内置变压器型机组比传统外置箱变型机组实际多发电约267 723 (kW·h)/年。依据上文内置变压器型机组增损50 595 (kW·h)/年，线缆减损346 466 (kW·h)/年的数值计算结果，内置变压器型机组理论多发电295 871 (kW·h)/年。考虑线损计算时忽略了内置后线损及内置前箱变至风机塔筒底段线损，年多发电量计算值略大于实际值是可接受的结果。

3.2 经济效益分析

经济效益问题无疑是工程实际中考虑的首要问题。机组升压变压器内置机舱后，风机电力系统施工工程量及关键设备选型将有一定改变，其中机组升压变压器内置后，机舱吊装同样可以采用分体吊装方案，内置干式变压器不影响机舱的正常吊装，不会增加安装成本。故单机项目成本将主要体现在设备选型上，对升压变压器内置前后项目相关成本进行一一比较分析。升压变压器内置前后单机造价对比如表4 所示。干式变压器及塔筒内高压柜成本高于油浸式变压器及常规箱变配套，但由于升压变压器内置机舱方案节省了大量塔简段电缆及箱变基础建设成本，其单机组建设成本可节约20 万元。

表4 变压器内置前后单机造价对比表Tab.4 Cost comparison of single machine before and after transformer built-in nacelle

以内置变压器型机组单机建设成本节约20 万元为其静态经济效益，依据上文升压变压器内置机舱型机组年增发电量实际值267 723 kW·h，以上网电价0.55 元/(kW·h)进行计算，则内置变压器型机组比传统外置箱变型机组年增益14.724 7 万元为其动态经济效益，动态经济效益随时间改变。可用数学模型表示其随时间的函数关系，假设增益为y（万元），时间为t（年）。则有y=20+14.724 7t，绘制内置变压器型机组单机增益线性变化如图5 所示。若假设机组使用寿命20 年，则升压变压器内置机舱型机组增益可达300 万元以上。

图5 内置变压器型机组单机增益线性变化图Fig.5 Diagram of gain linear variation in transformer built-in nacelle

4 结论

在不改变传统外置箱变型机组电气系统接线图基础上，通过改变变压器、换流柜、高压开关柜、线缆等关键设备的型号及布置方式，可将机组升压变压器内置于风力发电机组机舱内，通过数值计算并结合现场风功率数据得出以下结论：

（1）风机机舱内置升压变压器技术方案可大大缩短大电流在风机机组与变压器之间的流通距离，节省了电缆的使用量。

（2）单台风机组提高发电效率约1%，年可降低电能损耗295 871 kW·h。

（3）节约建设成本20 万元，发电增益14.7247 万元并随时间呈线性增长，20 年内置变压器型风机组单机增益可达300 万以上。