一、项目背景
国内外发展现状及趋势
近年来，我国国民经济的持续高速发展，基础建设投资增加，国家对社会的可持续发展愈加重视，随着相关决策层对节能环保的重视，节能电力设备的市场需求将快速增长，可以预见对非晶合金变压器的应用，将带来市场增长的机会。
摘要：非晶合金变压器，作为一种节能的新技术配电设备，节能功效主要源自采用了一种新型的、具有优异软磁性能的材料、铁基非晶合金及严格的设计和制造工艺。非晶合金带材含铁78%-81%、含硼13.5%、含硅3.5%-8%，另外还含微量的镍和钴等金属元素，非晶合金变压器的空载损耗非常低，仅为S9型硅钢变压器的20%，相对降耗达80%的非晶合金变压器符合国家产业政策和电网节能降耗的要求。随着电力企业节能减排进一步推进，以及对高能耗变压器的更新替换，预计非晶变压器将获得快速推广。
关键词：非晶合金变压器 智能电网建设 设备智能化
我国新增配电对变压器需求非常巨大。截止09年底我国发电装机容量约8.7亿千瓦，预计到2020年发电装机容量将增长约一倍，达到16亿千瓦。此前配网建设投资不足，目前电网公司正加大对配网的投资建设，预计配电变压器需求将快速增长。按配网变压器和新增装机容量成正比测算，预计未来十年新增配电网变压器容量将达约26.3亿kVA，如果30%采用非晶合金变压器，则未来十年新增非晶变压器达7.9亿kVA，按每台500kVA计算，则达到158万台。
国家规划到2020年风电装机容量达1.5亿千瓦，光伏发电装机容量达2000万千瓦，可以预见，新能源领域将成非晶合金变压器新市场。截止09年我国风电累计装机容量约2630万千瓦，光伏发电装机约750万千瓦，因此未来风电、光伏装机容量将快速增长。目前国内已经开发出用于风电和光伏发电的大容量非晶合金变压器。随着非晶变压器在风电和光伏电站的应用比例提升，预计未来十年非晶合金变压器在风电和光伏领域达1100万kVA。
综上所述，在配电网和新能源领域，预计未来10年非晶合金变压器总需求量将达12.7亿kVA，该项目市场空间巨大，前景广阔。
二、项目建设的必要性
智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术和控制方法，以及先进的决策支持系统的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效的目标，使运行和管理达到最优化。
根据我国能源资源和负荷中心分布的实际状况，结合新型可再生能源接入等电网发展的最新趋势，建设智能电网是我国未来电网发展的必然选择。国家电网公司2009年年中工作会议上指出，统一坚强智能电网是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的电网。
从发电、输电、配电、用电各个环节来讲，智能电网将具备以下三个方面的能力：
（1）保证大规模分布式能源的灵活、可靠接入
为提高能源的安全性和使用效率，未来的智能电网需要能够更加方便的接纳大量可再生能源和更加清洁的分布式发电，而在几乎所有的可再生能源发电系统中，都涉及到一系列的大功率、高效、高质量的能量转换和控制问题，因为可再生能源既可产生直流电，也可产生频率变化的交流电，它们必须通过功率换流器，产生与用户或电网电压的频率、相位、幅度一致的波形，才可以直接供给用户或并入电网。
（2）适应电力系统的复杂工况
未来的智能输电网是一个分层、分区域的、多种能源可靠接入的互联大电网，要求电力系统具有灵活的可控性，能够实时监测输电线路的潮流，达到潮流的最优配置；能够充分利用输电线路的极限传输容量，充分提高线路的传输效率；能够实时监测分区内各节点的相关电气参数，使电力系统具备对故障的预警和自愈能力以及对发电机组的综合协调控制能力，这都需要电网具有强大的潮流控制能力。同时大规模分布式能源的接入带来的潮流和负荷剧烈波动，过负荷运行，系统短路冲击，系统过电压等异常工况也需要智能电网能成功应对。
（3）满足用户对电能的供需响应
未来用户对电能质量以及供电可靠性提出了更高的要求，智能电网可以根据用户对电能质量、安全性和可靠性的需求进行供电，且电网的扩建、维修和运行都是灵活优化和规划性的，并具有灵活的需求侧管理。因此，配电网的控制水平将远高于目前水平，这需要更有竞争力（更高可靠性）的电压控制和保护技术。与此同时，电力系统中诸如谐波、电压跌落、闪变等电能质量问题严重影响了电力设备的正常工作和经济运行，给用户造成了很大的经济损失。如何保证供给用户可靠和合乎标准的电能，确保用户电气设备的安全、经济运行已成为急需解决的课题。
因此，在这种未来智能电网的新战略需求下，随着日新月异的各种新技术、新材料的涌现，各种一次设备智能化也提出了新的技术需求和发展趋势。
变压器等一次设备的运行状态直接影响系统的安全运行，因此，准确判断变压器运行状态、有效及时地诊断传统型变压器故障对电力系统安全运行管理具有重要意义。随着智能电网的建设，各种大规模分布式能源接入系统，造成系统运行工况进一步复杂，而且用户对电能质量的要求越来越高，这种形势对传统变压器的运行可靠性提出了更苛刻的要求，也对变压器的智能化提出了需求。
变压器智能化通过融合集成先进的传感器和状态监测装备、可靠客观的评价方法和寿命预测手段为智能单元模块。模块以变压器的当前实际工作状况为依据来判断其运行状态，并且在变压器运行状态异常时对其进行故障分析，对故障的部位、严重程度和发展趋势做出的判断，可识别故障的早期征兆，并根据分析诊断结果在变压器性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行报警维修。同时通过建立相应的技术标准、智能模块运行维护规程、质量评价机制来确保模块的可靠性。通过传统型变压器的智能化建设，可以实时掌握变压器的运行状态，为科学调度提供依据；可以对变压器故障类型及寿命评估做出快速有效的判断，以指导运行和检修，降低运行管理成本，减小新生隐患产生几率，增强运行可靠性。
目前，现有的电力变压器在线监测系统都是基于本业务或本部门的需求，存在不同的平台、不同的应用系统、不同的数据格式，没有标准化和规范化，没有形成统一的体系结构，难以推广应用和实施。
作为电力系统输变电环节的关键设备，变压器、电抗器的安全可靠运行是保证电网正常运行的基础。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆变压器、电抗器智能化按其内外属性的要求及智能电网建设需求，在“十二五”期间，将变压器和电抗器在线监测技术、变压器和电抗器状态评估技术、变压器和电抗器通讯技术提升融合，集成为智能模块，并研制相应智能软件包及相关技术标准，建立智能模块质量评价机制及运行维护规范和规程，开展规模工程示范应用，从而实现传统变压器和电抗器智能化水平提高的目标。
根据国家电网公司公布的智能电网发展计划，智能电网在中国的发展将分3个阶段逐步推进：2009年至2010年为规划试点阶段，重点开展“坚强智能电网”发展规划工作，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制及各环节试点工作；2011年至2015年为全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用；2016年至2020年为引领提升阶段，全面建成统一的“坚强智能电网”，技术和装备全面达到国际先进水平。
三、项目基本情况
本项目以非晶合金变压器和磁阀式可控饱和电抗器为基础，通过本体结构设计和智能控制研究，引入N+1冗余模块化系统技术，研制应用于分布式发电系统的智能模块化变压器。智能模块化变压器主要有带无功补偿的非晶合金变压器标准模块、智能控制装置、远程无线监控系统组成。对变压器与无功补偿装置的配合进行优化设计，设计新的变压器运行模式以及远程监控系统，制得应用于分布式发电系统的智能模块化变压器。
我国政府已将分布式发电系统产业发展作为新能源领域的一个重要方面，并纳入了国家能源发展的基本政策之中。而分布式发电系统大范围推广，无疑将拓宽下游市场渠道，加速产业扩容。海上平台建设、海上风力发电、太阳能发电、智能电网等领域的快速发展使智能化变压器进入黄金推广时期，同时对智能化变压器的安全、可靠、高效、免维护性也提出了更高的技术要求。
本项目产品具有节能环保、可靠性高、运转效率高、免维护、使用寿命长等优点，主要用于海上风力发电、光伏发电等分布式发电系统的配变电环节。公司与国家电网公司、南方电网公司和国家电力设计总院建立了长期战略合作关系并逐步加入其重点客户网，同时还与国内七家风力发电公司达成了风场箱变的配套合作意向。公司在省内外建立了广泛、稳固、可靠的客户群体，不断开发新的市场领域，积极探索国际市场，最大限度的开发利用社会资源，提升核心竞争力。
本项目的主要创新点：
1、变压器运行模式的创新：研究N+1冗余技术应用于非晶合金变压器的运行中，通过模块化系统设计克服非晶合金变压器容量的生产限制，大幅提高变压器运行可靠性，结合电力电子智能控制技术实施模块变压器并列运行，变压器模块根据符合情况自行投切，降低变压器的空载损耗的同时，大大提升供电效率，减少无功励磁电流，改善电网功率因数，确保电网系统的经济性。
2、变压器结构的创新：把可控电抗器植入非晶合金变压器内部，在结构上形成了变压器与电抗器的组合式结构，并通过智能控制技术协商两者之间的工作配合，提高系统运行免维护性。
3、无功补偿用电抗器结构与控制技术的创新：基于磁阀式可控电抗器MCR，研究突破无漏磁铁芯自屏蔽式的MCR结构，并在智能控制方式上提出脉冲波控制技术；无漏磁自屏蔽式的结构可以实现减少漏磁，降低夹件发热，减少损耗和产生的噪音；新型脉冲波控制技术能够大幅降低电抗器自身产生的损耗，并且在不增加回路损耗的基础上，提高电抗器的响应速度，使得变压器端就地无功补偿的效果更加明显。
4、变压器运行监控技术的创新：基于智能控制技术，研究设计变压器远程无线监控系统，实现变压器在线数据实时显示，运行状态实时监控，内部故障实时诊断等功能，提高变压器在分布式发电系统中应用时的运行稳定性。
项目技术路线：本项目以非晶合金变压器和磁阀式可控饱和电抗器为主体，辅助远程无线监控系统，研制智能模块化变压器，以达到大容量、高可靠性、免维护的目的。
四、项目关键技术
1.磁阀式可控电抗器结构优化设计
为了克服磁阀式可控电抗器现有技术中存在的缺点，使其充分的发挥无功补偿效果，更好的与非晶合金变压器协调配合，对其本体结构进行优化改进，研究设计一种无漏磁的铁芯自屏蔽式的磁阀式可控电抗器结构，为后续与非晶合金变压器组合做好前期研究。
2.变压器远程无线监控系统研究
随着风力发电与光伏发电的发展，分布式发电系统不断扩大，为提高供电可靠性，减少故障停电，需要对配电变压器的运行状态进行监控。本项目将研究一种能实时监测配电变压器、提高供电可靠性的远程无线监控系统，对变压器运行状态实时在线监测，实现变压器在线数据实时显示，运行状态实时监控，内部故障实时诊断等功能，及时了解变压器的运行情况，达到提高电力系统运行稳定性的目的。
3.变压器模块化系统研究
传统的1+1冗余模式在提高变压器运行可靠度上做出了贡献，但其可靠度还有提升空间，并且自身对资源浪费比较严重。本项目将研究N+1冗余模块化系统技术在变压器运行中的应用，通过模块化克服非晶合金变压器大容量生产的限制，并且研究实现根据负荷的变化，适时对小容量模块进行投切控制，提高变压器容量利用率，在非晶合金变压器低损耗的基础上进一步减小变压器损耗，提高经济性，变压器模块化系统自身又通过各模块的并列运行智能控制提高整个系统的运行可靠度。
4.非晶合金变压器与可控电抗器组合体设计
针对目前变压器与用于无功补偿的可控电抗器分别单独工作的缺点，在两者工作协调配合性、免维护性方面需要改进，因此设计在非晶合金变压器本体结构基础上，将可控电抗器植入变压器内部，在统一的系统控制下，发挥组合电器的优势。
5.智能控制系统设计
本项目整个系统分为非晶合金变压器模块、磁阀式可控电抗器以及远程监控装置，各部分相互影响，需要有统一的智能控制系统，本项目将研究设计基于数字信号处理器、利用自适应控制技术的智能控制装置，以更好的协调系统运行，充分发挥各自功能。
参考文献：
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论文作者:李宗田
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/31
标签：变压器论文; 电网论文; 合金论文; 智能论文; 系统论文; 电抗器论文; 技术论文; 《电力设备》2017年第26期论文;