Китай обладает значительными ресурсами морской ветроэнергии. Морская ветроэнергетика характеризуется такими преимуществами, как высокая эффективность эксплуатации, относительно короткие расстояния передачи электроэнергии, централизованное потребление энергии и минимальное использование земельных ресурсов. В условиях реализации глобальных целей по достижению углеродной нейтральности («двойной углерод») морская ветроэнергетика становится одним из ключевых направлений развития возобновляемой энергетики Китая.
Однако рабочая частота систем морской ветроэнергетики относительно низкая, что приводит к снижению полного сопротивления линий электропередачи и значительному увеличению пропускной способности передачи мощности. По сравнению с наземными ветроэнергетическими установками морские системы эксплуатируются в более суровых условиях окружающей среды, включая повышенную влажность, экстремальные температуры, образование плесени и воздействие соляного тумана. Эти факторы приводят к увеличению затрат на техническое обслуживание и ремонт оборудования, что делает выбор подходящих материалов для трансформаторов особенно важным.
Являясь ключевым оборудованием систем передачи и распределения электроэнергии, трансформаторы играют решающую роль в проектах морской ветроэнергетики. Магнитопроводы трансформаторов обычно изготавливаются из листовой электротехнической стали (кремнистой стали), характеристики которой — такие как электрическая проводимость, магнитная проницаемость, потери в магнитопроводе и магнитная индукция — изменяются в зависимости от температуры и частоты. Эти изменения напрямую влияют на эффективность работы трансформатора. Поэтому выбор оптимальных материалов для трансформаторов имеет критическое значение для применения в морской ветроэнергетике.
С целью изучения закономерностей изменения потерь трансформаторов при низкой частоте и низких температурах в системах морской ветроэнергетики исследовательская группа под руководством Ли Сяна из Шанхайского университета электроэнергетики провела комплексное исследование. Работа была выполнена при поддержке Национальной программы ключевых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Китая (2021YFB2401100), а также научно-технического проекта Государственной электросетевой корпорации Китая.
1. Изменение магнитных свойств электротехнической стали при различных температурах и частотах в условиях низкочастотного возбуждения
В ходе исследования были использованы испытания на установке типа рамка Эпштейна (Epstein frame) и метод конечных элементов (FEM) для измерения магнитных свойств листовой электротехнической стали. Были получены кривые намагничивания и удельных потерь при различных температурах
(-40°C, 0°C, 23°C, 40°C, 80°C)
и частотах
50 Гц и 20 Гц.
Результаты показали следующее:
Напряжённость магнитного поля при магнитном насыщении увеличивается с ростом температуры.
При одинаковой напряжённости магнитного поля магнитная индукция уменьшается с повышением температуры.
В ненасыщенном состоянии влияние температуры на характеристики намагничивания относительно незначительно.
Удельные потери в магнитопроводе электротехнической стали зависят от:
рабочей частоты трансформатора
магнитной индукции
температуры
С увеличением температуры удельные потери в магнитопроводе постепенно уменьшаются. Наиболее выраженная температурная зависимость наблюдается при магнитной индукции в диапазоне:
1,25 Тл – 1,75 Тл
2. Изменение потерь трансформатора при различных температурах и частотах
С использованием метода конечных элементов исследователи смоделировали долю:
гистерезисных потерь
вихревых потерь
в трансформаторах при различных рабочих частотах и температурах.
Паразитные потери (добавочные потери) в данном исследовании не учитывались, а анализ был сосредоточен на доле гистерезисных потерь.
Результаты показали:
При промышленной частоте *50 Гц** гистерезисные потери составляют значительную долю потерь холостого хода магнитопровода.
При пониженной частоте *20 Гц** доля гистерезисных потерь уменьшается.
С увеличением температуры доля гистерезисных потерь снижается.
При низкой частоте *20 Гц** влияние температуры на долю гистерезисных потерь выражено значительно сильнее, чем при более высоких частотах.