Characteristics Analysis and Technical Prospect of Low-Frequency Main Transformer for Offshore Wind Power

随着化石能源的日渐枯竭及全球环境与气候的逐步恶化，我国政府提出了“碳达峰、碳中和”的“双碳”目标。为科学有序地推进“双碳”目标达成，能源结构低碳化转型已是大势所趋，新能源的开发与利用已成为重要的发展方向。海上风力发电具有发电利用小时数高、不占用土地资源且环境影响小等优势，已成为我国可再生能源发电领域发展的重要组成部分。近年来，我国海上风电装机迅速提升，截至2021年底，我国海风累计装机容量约为26.38 GW，跃居世界第一。大批海上风电场规划投产导致近海海域资源日益紧张。然而，中国气象局公布的数据表明，我国近海和深远海风能资源开发潜力可达约2.25 TW。我国深远海蕴涵巨大的风能资源有待挖掘，海上风电向深远海发展是未来的重要方向。国家发改委印发的《“十四五”现代能源体系规划》也指出，要推进海上风电向深远海岸区域布局。

深远海域一般指的是离岸距离大于100 km，水深超过50 m的海域^[1]。深远海海上风电场必然能实现大规模化、集群化建设和高发电利用小时数的电能送出^[2-3]。目前，德、英等发达国家已经率先实现深远海海上风电场的建设与投运，如距岸112 km、装机容量400 MW的德国Global Tech I海上风电场和距岸120 km、装机容量1.218 GW的英国Hornsea Project One海上风电场^[4-5]。目前，我国在深远海风电工程还处于起步阶段，制约其发展的主要原因是大容量风电远距离传输与并网问题尚未妥善解决。

目前，被大家广泛关注的深远海风电送出技术主要有3种，分别是：高压交流送出（High Voltage Alternating Current，HVAC）、高压直流送出（High Voltage Direct Current，HVDC）以及低频交流输电（Low Frequency Alternating Current，LFAC）技术^[6-7]。其中，HVAC和HVDC已被广泛应用于海上风电送出场景，但都存在一些技术缺陷：HVAC技术受到远距离海缆传输极限的限制，HVDC技术存在故障电流开关难的问题。因此，有学者指出，借鉴直流输电频率变化思路、借助交流输电零点断开优势的LFAC技术（Fractional Frequency Transmission System，FFTS，又称为分频输电技术）或许能为大规模深远海风电并网提供更为经济、有效的方案。柔性低频交流输电技术是一种新型高效的交流输电技术，借助电力电子技术灵活选择在0～50 Hz合适频率，以提升电网输送容量和柔性调控能力。

随着电力电子技术的逐步成熟，LFAC技术的理论研究与应用有了飞速发展。理论研究方面，国内外学者开展了大量关于变频器拓扑结构与控制策略^[8-10]、稳定性分析^[11]、振荡分析^[12]、谐波抑制^[13]、典型场景应用分析等工作。在海上风电大容量远距离送出场景下，学者们多聚焦于经济性概算评估^[14]、系统初步构建^[15]、电缆低频特性与增容分析^[16]等方向。工程应用方面，目前关键设备的开发以及成熟的低频工程设计与运行研究都处于初级阶段。国内建设了一些低频输电示范项目，包括建设中的面向城市电网的浙江杭州220 kV中埠－亭山柔性低频输电示范项目^[17]、已经投产的面向低频风机并网的国家电网浙江台州35 kV柔性低频输电示范工程。然而LFAC技术在海上风电大容量远距离送出场景下的工程应用还存在诸多障碍。低频、高电压等级和大容量无疑给变频器、海缆、断路器、主变压器等设备的研发与选型带来了难度。

海上低频主变压器作为海上风电低频送出系统中的关键设备，其低频特性、运行的安全稳定性及经济性都是需要重点关注的方面。目前尚无文献就海上低频主变压器展开深入研究。因此，文章将结合目前低频交流输电技术在深远海海上风电送出典型场景的应用，聚焦海上低频主变压器的低频特性分析，梳理并总结目前制约海上低频主变压器研制的关键问题，重点对大容量高电压等级的海上变压器低频改造技术发展方向进行总结与展望。

1994年，西安交通大学王锡凡院士提出了50/3 Hz的分频输电技术，通过倍频变压器实现低速水轮机接入工频电网，以解决远距离、大功率低频电力送出问题^[18]。

实现频率变换是LFAC技术的核心环节，20年以来，国内外学者提出了多种变频方式。早期，以倍频变压器、同步变频器^[19]为代表的铁磁、旋转变频方式是主流研究方向。该类变频方式虽然结构简单、造价较低，但效率低、谐波含量大、难以实现大规模功率变换等问题严重限制了其发展应用。因此，学者们逐渐转向研究以电力电子器件为核心的变频器，包括基于半控型晶闸管构成的周波变换器^[20]和交交变频器^[21]。这些以半控型器件为核心的变频器普遍存在换相失败、动态响应慢、需要无功补偿等问题。基于全控器件的模块化多电平矩阵换流器（Modular Multilevel Matrix Converter，M3C）具有低能量存储、高能量密度的特点，是近来的研究热点，其具体拓扑结构如图1所示。

Figure 1.  Basic topology of M3C circuit

M3C共有9个桥臂，两侧分别连接工频系统和低频系统，适用于大功率高电压等级的变频场景。M3C虽然控制逻辑较为复杂，但是能实现两侧有功无功解耦控制，具备黑启动能力和较强的故障穿越能力。同时，大量子模块组合和灵活的开关模式能大幅降低谐波含量，实现多电平输出。

海上风电低频交流输电系统拓扑图如图2所示。海上风机发出低频电力进行汇集到海上升压站平台，经过海上低频主变压器升压，再通过低频海缆远距离输送到陆上交交换流站，陆上变频器再将低频电能转换为工频接入电网。

Figure 2.  Topology of low-frequency alternating current transmission system for offshore wind power

若忽略海缆电阻，根据线路静态稳定极限功率传输公式（1）和线路电压降落公式（2），当线路频率$f$下降时，线路电抗$X$成正比下降，理论上线路静态稳定有功传输极限${P_{\max }}$成反比上升，同时线路的电压降落也有所降低。

式中：

P_max ——线路静态稳定有功传输极限（W）；

U ——系统线电压（V）；

X ——线路感抗（Ω）；

$f$ ——系统频率（Hz）；

L ——线路电感（H）；

$ \Delta U％ $ ——系统线电压、线路电压降百分数；

Q ——线路无功功率（Var）。

实际上，电缆特别是长距离海底电缆，由于容升效应，其传输容量直接受到电缆的充电功率限制，因而远低于静态稳定有功传输极限${P_{\max }}$。根据式（3）和式（4），理论上频率$f$下降时，电缆充电无功功率${Q_{\rm{C}}}$成正比下降，使得电缆可用于传输的有功功率$P$提升。

式中：

${X}_{{\rm{C}}}$ ——海缆容抗（Ω）；

C ——单位长度下的电容值（F/km）；

l ——电缆长度（km）；

${S}_{{\rm{N}}}$ ——电缆额点视在功率（VA）。

除去低频传输能够提升海缆电能传输距离这一特性外，LFAC技术在海上风电送出场景下的应用还有如下优势：

1）大功率海上风机主要采用直驱/半直驱风机，变流器可灵活改变输出频率，不需要改动风机侧变流器本体。

2）在中长距离海上风电送出应用场景下，由于低频送出使得海缆无功充电功率的降低，与HVAC技术相比，采用LFAC技术能减少甚至取消海上无功补偿装置的配置。

3）LFAC技术不需要进行海上变频，无海上换流平台，低频海上升压站与工频升压站相当。因此在一定输送距离范围内，采用LFAC的技术经济性能高于HVDC技术。

黄明煌等^[1]从技术性和经济性的角度分析HVAC、HVDC和LFAC技术在海上风电送出场景下的适用性，以400 MW风电场为例，各技术的经济适用区间划分如图3所示。

Figure 3.  Economic application range of three transmission technologies in offshore wind power scenario

海上低频主变压器是海上风电低频交流输电系统的关键设备之一。LFAC技术仍属于交流输电范畴，研究海上低频变压器，可以先从研究交流变压器的低频特性着手。

变压器是主要由原边绕组、副边绕组和铁心（磁芯）构成的能够改变交流电压的装置。其工作原理是基于电磁感应现象，即在变压器原边绕组通上交变的电流后，变压器铁心感应产生主磁通，进一步在主磁通交链的原边绕组和副边绕组都感应出主电动势，通过两侧绕组的匝数不同实现不同电压等级的变换及功率传输。变压器的感应电动势$E$如式（5）。

式中：

E ——变压器的感应电动势（V）；

N ——变压器绕组匝数（匝）；

Φ_m ——绕组内磁通量（Wb）；

B_sat ——铁心中的磁通密度（T）；

A_core——变压器铁心有效截面积（m²）。

变压器本体结构导致其重量和体积的决定性因素是铁心截面${A_{{\rm{core}}}}$和绕组匝数$N$。根据变压器感应电动势$E$的公式（5）可知，若要求变压器的额定电压${U_1}$不变，也就是变压器感应电动势$E$不变，变压器运行的频率$f$降低时，必然要求绕组匝数$N$、绕组内磁通量${\varPhi _{\rm{m}}}$增加或者两者均增加。进一步地，交流变压器铁心截面${A_{{\rm{core}}}}$与变压器容量的设计经验公式为：

式中：

${K_{\rm{A}}}$ ——变压器铁心截面积设计经验系数；

$ P' $ ——额定工况下每柱的容量（W）；

${\phi _{\rm{k}}}$ ——等效漏磁通（Wb）；

$ \rho $ ——罗氏系数；

$ k $ ——横向漏磁通导致的附加电抗系数；

${H_{\rm{k}}}$ ——绕组平均电抗（Ω）；

${U_{\rm{x}}}$ ——电抗压降百分数（%）。

根据经验公式（6）可知，${A_{{\rm{core}}}} \propto {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {\sqrt[2]{f}}}} \right. } {\sqrt[2]{f}}}$，也就是说，在其他条件不变的情况下，交流变压器铁心截面${A_{{\rm{core}}}}$与频率的平方成反比。

因此，在对变压器进行低频化改造时，常规思路有以下两种：

1）增大铁心的有效截面积${A_{{\rm{core}}}}$；

2）增加绕组匝数$N$。

显然无论采取上述哪种方式对变压器进行低频化改造，都会使得变压器的质量和体积增加。特别是频率下降到20 Hz之后，变压器的质量、体积都将大幅提升。以1 GW风电场配置2台的220 kV，550/275-275 MVA分裂双绕组变压器（全穿越阻抗电压14%、半穿越阻抗26%）为例。若不进行额外的优化措施，单台变压器重量与体积与频率的关系如图4所示。20 Hz的低频变压器的重量为870 t左右，是同等电气参数工频变压器的1.7倍，体积则是1.5倍。

Figure 4.  Relationship between weight, volume and frequency of transformer (taking 220 kV, 550/275-275 MVA split double-winding transformer as an example)

变压器损耗也是影响远距离大容量海上风电低频交流送出方案的一个关键因素。变压器的损耗主要是由空载损耗（铁损）和负载损耗（铜损）两部分组成。空载损耗是由铁心材料的磁滞和涡流现象产生的，铁心损耗密度${P_{\rm{v}}}$可以用Steinmetz经验公式^[22]简要表示为：

式中：

${P_{\rm{v}}}$ ——铁心损耗密度（W/mm²）；

${k_{\rm{h}}}$ ——磁滞效应系数，其值与材料有关；

${k_{\rm{e}}}$ ——涡流效应系数，其值与材料有关；

${B_{{\rm{sat}}}}$ ——铁心中的磁通密度（T）；

$\alpha $ ——Steinmetz公式的经验参数，其值与材料有关。

根据公式（7）可知，铁心材料的磁滞损耗密度与频率成正比，铁心材料的涡流损耗密度与频率的平方成正比。在低频运行情况下，变压器的铁损密度呈指数下降。

变压器的铜损是指基本损耗和附加损耗。其中，由于基本损耗主要是由绕组的直流电阻决定，因此频率变化几乎不引起其数值变化。附加损耗是由漏磁通在绕数内产生的涡流${k_{\rm{a}}}$引起的，如式（8）所示。显然，当绕组相关参数不发生变化时，其附加损耗与频率的平方成正比，频率降低会使得附加损耗也随之下降。

式中：

${k_{\rm{a}}}$ ——附加损耗（W）；

${\rho _{\rm{r}}}$ ——绕组导线的电阻率（Ω·mm²/m⁻¹）；

m ——绕组导线的单根净截面（mm²）；

${H_{\rm{k}}}$、$ \rho $ ——经验公式计算系数。

通过上述理论分析可知，在变压器铁心和绕组参数恒定不变的情况下，变压器的空载损耗和负载损耗均能随频率下降而降低。然而为保持额定电压不变，变压器低频化改造势必需要增大铁心截面或增大绕组匝数，因此总体的负载损耗会随之增大。且变压器负载损耗要远高于空载损耗，因而在同一设计磁密下，低频变压器的总损耗要高于工频变压器。赵国亮等^[23]指出，20 Hz 220 kV/180 MVA变压器（短路阻抗14%）的空载损耗较工频降低57%，负载损耗则较工频增加61%。

由前文分析可知，对交流变压器的低频化改造的常规思路就是增大铁心的有效截面积和增加绕组匝数，虽然给变压器的质量和体积带来了大幅增长，但对变压器整体的生产制造影响不大。目前，国内的浙江杭州220 kV中埠-亭山柔性低频输电示范项目和浙江台州35 kV柔性低频输电示范工程都验证了变压器采用常规思路进行低频化改造的可行性。然而，对于大容量高电压等级的低频海上主变压器而言，质量、体积及损耗的增加都会给整体海上风电低频送出方案经济性、海上升压站布置、变压器运输方案等带来巨大挑战。因此，需要从海上低频变压器小型化、轻量化设计和降损设计这两个角度对海上主变压器低频化改造的关键技术开展进一步的研究。

由式（5）变压器的感应电动势$E$可知，频率降低时，除了增大变压器绕组匝数$N$、铁心有效截面积${A_{{\rm{core}}}}$这两种带来变压器体积和重量增加的方案，提升铁心中的磁通密度${B_{{\rm{sat}}}}$也可以实现变压器的额定电压不发生改变。为实现低频变压器优化设计，学者们纷纷展开低频变压器铁心用取向硅钢的低频电磁特性研究。

目前制造大型电力变压器铁心选取的是高磁感（${B_{\rm{m}}} \geqslant 1.88\;{\rm{T}}$）取向硅钢片。考虑到大容量高电压等级海上低频主变压器存在的重量、体积问题已成为海上风电低频送出工程应用的关键问题，其中一个低频变压器小型化、轻量化改造的方式是未来通过开发应用超高磁感（${B_{\rm{m}}} \geqslant 1.95\;{\rm{T}}$）取向硅钢片，以达到提高铁心设计磁密的目的^[24]。然而，若采用超高磁感（${B_{\rm{m}}} \geqslant 1.95\;{\rm{T}}$）取向的硅钢片，变压器造价将会提高。未来实际工程应用时，需要综合考虑采用超高磁感取向的硅钢片后带来的造价提升和变压器总体积质量的降低这两方面来最终确定海上低频变压器硅钢片的选型。

此外，虽然低频条件下变压器的铁心损耗已经要低于工频条件下，但仍然可以考虑在一定范围内减小硅钢片的厚度来进一步降低铁损。程灵^[25]指出，低频条件下，0.18~0.30 mm取向硅钢片的铁损随着硅钢片厚度下降而下降，18QH065牌号（0.18 mm薄规格极低损耗取向）硅钢片在20 Hz下有最低铁损优势，${P_{1.7/20}} = 0.188\;{\rm{W}}/{\rm{kg}}$，仅为工频铁损的29.7%左右。

若要实现海上低频主变压器小型化、轻量化改造，除去对变压器本体优化的方式外，设计合适的变压器冷却方式，降低变压器冷却设备的体积和重量，也不失为一种可行的思路。

变压器常见的冷却方式可以分为以下几类：油浸自冷/风冷式（ONAN/ONAF）、油浸强迫油循环风冷/水冷式（OFAF/OFWF）、强迫油循环导向风冷/水冷式（ODAF/ODWF）。其中，目前海上工频主变压器的主流冷却方式为油浸自冷式（ONAN），即绕组浸在变压器油中，依靠变压器油的自然热循环将热量带到油管或散热片，通过油管或散热片与外界自然通风冷却。其原因是海上升压站长期无人值守，通过散热片自然散热的可靠性与经济性均要高于装设循环水冷却器的水冷方式或冷却风机的风冷方式。特别是在同一设计磁密下，低频变压器较工频情况下总损耗更大，温升更严酷，必然导致散热需求增加，冷却设备的体积和重量增加。若低频变压器仍采用油浸自冷式，需要更多的散热片，该部分的体积和重量有所增加。

对于变压器冷却方式的改造主要有2个思路。首先是可以考虑取消散热片，利用海上取水便捷的特点，将选用油浸强迫油循环水冷式（OFWF）冷却，同时优化冷却水系统的布置，使得变压器与冷却装置整体的体积和重量减小。赵云等^[26]提出了在海上升压站的主变水冷系统采用闭式循环水冷系统，将换热器置于海水中，并从安全性、冷却效果、可靠性、运行维护、经济性和设备防腐几个方面将该方案和传统的开环水冷系统进行对比，验证了所提方案的可行性与优越性。再者，可以通过设计变压器冷却系统检测与智能控制结合的方案对变压器冷却系统优化。结合可编程逻辑控制器智能控制技术，戴鹏^[27]研究了冷却方式对变压器损耗的影响，设计了变压器智能冷却与经济运行综合控制装置，实现了变压器低损耗经济运行与冷却系统的减配。

油浸式变压器中的绝缘油的主要作用是绝缘和散热，按照基础油的种类可以将其分为4大类，分别是矿物油、硅油、合成酯和天然酯（俗称植物油）。将矿物油作为变压器绝缘油的技术成熟，已被广泛应用。其中#10、#25和#45油都是变压器行业常用的矿物绝缘油。硅油早期是为了替代有毒的多氯联苯（PCB）被用于有宽温域要求的变压器上，但价格昂贵、粘度系数高等缺点限制了其被推广使用。合成酯和天然酯的基本成分都是酯类有机物，他们的燃点都高于300 ℃，因此也被归类为高燃点绝缘油。

随着酯类高燃点绝缘油研制与应用技术的不断发展，酯类高燃点绝缘油变压器已被认为是一种新型安全环保的变压器。与常规的矿物绝缘油变压器相比，酯类高燃点绝缘油变压器能更适用于远距离大容量海上风电低频送出场景的原因有以下几点：

1）从防火性能方面来看，高燃点绝缘油的闪点超过275 ℃，且饱和蒸汽气压较低，因此其引燃难度远低于矿物油。同时高燃点绝缘油的粘度较高，降低火灾扩散的能力，有利于火灾得到控制。据美国消防协会公布的统计数据来看，全球有不少于15万应用FR3绝缘油（一类植物绝缘油）的变压器在10余年间均未发生火灾事故^[28]。西门子的研究人员表示，利用酯类高燃点绝缘油替代矿物油，能够减免部分消防设备^[29]。因此，若在海上使用高燃点绝缘油变压器，可以尝试对海上升压站平台消防系统减配，减轻低频变压器体积重量大给升压站平台布置带来的问题。

2）从安全距离方面来看，由于酯类高燃点绝缘油的难燃特性，上海市发布的《10 kV预装式变电站应用设计规范》规定了高燃点绝缘油变压器在建筑物耐火等级下间距要求方面，与干式变压器相同，小于普通矿物油变压器的距离要求^[30]。因此，酯类高燃点绝缘油变压器能节省空间，更适用于海上升压平台。

3）从大型电力变压器研制方面来看，目前研究表明，相较传统矿物油变压器，酯类高燃点绝缘油变压器能够节约3%的变压器制造材料和15%的液体绝缘油^[31]。因此，在海上低频变压器若使用酯类绝缘油，能实现变压器自身的轻量化与小型化。同时植物绝缘油也能提升绝缘纸的寿命，使其达到在矿物油中寿命的8倍，更加契合海上变压器对可靠性的高要求。

4）从环保性能方面来看，学者通过实验测量得到植物绝缘油RDB、植物绝缘油FR3和矿物油#25的微生物降解率分别为98.87%、99.57%和37.73%^[32]。《新化学物质危害评估导则》（HJ/T 154－2004）判定RDB、FR3属于易生物降解的化学物质，而#25变压器油则被归类为难生物降解的化学物质。其原因主要在于植物绝缘油主要构成是甘三酯，容易发生水解反应，而矿物油主要由难水解的烷烃构成。高燃点绝缘油的环保特性使得其泄露不会造成生态风险，更适用于海上。若未来政策允许将可降解的高燃点绝缘油直接排放到海洋，还可以进一步考虑取消变压器事故油池的设置。

近年来，低频交流输电技术的理论研究与应用有了飞速发展。然而，低频交流输电技术在远距离大容量海上风电送出场景下的工程应用还存在诸多障碍。低频、高电压等级和大容量给海上主变压器的研发与选型带来了难度。若只采用增加铁心截面和绕组匝数来改造变压器的常规思路，将使得海上低频主变压器的重量和体积大幅增长，给海上升压站荷载与布置，整体海上风电低频送出方案的经济性都带来巨大挑战。同时，低频运行给变压器带来的总损耗增加也值得关注。因此，文章分析总结并展望了以下3个海上主变压器低频化改造的关键技术。

1）研发高性能取向硅钢作为铁心材料，主要思路包括开发应用能够提高铁心设计磁密的超高磁感（${B_{\rm{m}}} \geqslant 1.95\;{\rm{T}}$）取向硅钢片和优化硅钢片的厚度来进一步降低铁损。

2）变压器冷却方式对变压器的重量和体积也有着极大影响。可以通过考虑取消散热片，水冷（OFWF）冷却方式，同时优化冷却水系统的布置，使得变压器与冷却装置整体的体积和重量减小。此外，设计智能检测与控制的变压器冷却系统以实现降损和变压器冷却器减配，也是值得研究的方向。

3）酯类高燃点油变压器具有优越的防火性能与环保性能，同时其安全距离要求低于普通矿物油变压器。在布置紧凑、需要尽可能提高运行可靠性和尽可能降低海上平台体积的场景下，选择酯类高燃点油变压器作为海上低频变压器的方案将更为适用。

相信随着上述技术研究的逐步深入，高电压等级、大容量变压器的制造、安装及工程应用的问题将得到妥善解决，低频交流输电技术也将在大容量远距离海上风电送出场景下的工程实现得到更快发展。