风电光伏并网变压器的损耗分析及节能改造技术

一、引言

在全球积极推动清洁能源发展的大背景下，风电与光伏作为重要的可再生能源，装机容量持续攀升。并网变压器作为连接风电光伏发电系统与电网的关键设备，其运行效率直接关乎整个发电系统的经济性与稳定性。然而，由于风电光伏输出功率的波动性与间歇性，并网变压器面临复杂工况，损耗问题突出。深入研究其损耗并实施节能改造，对促进清洁能源高效利用意义重大。

二、风电光伏并网变压器损耗类型

2.1 铁损耗

铁损耗又称空载损耗，主要源于铁芯在交变磁场下产生的磁滞损耗与涡流损耗。当变压器初级绕组通电，磁通在铁芯中流动，铁芯因感应电势产生 “涡流”，引发能量损耗与铁芯发热。磁滞损耗则是铁芯反复磁化、退磁过程中，磁畴不断翻转导致的能量消耗。铁损为不变损耗，基本与负载电流无关，却受运行电压与分接头电压影响。在风电光伏并网场景中，即便发电功率波动致变压器负载变化，铁损依旧稳定存在，成为不可忽视的能量损失部分。

2.2 铜损耗

铜损耗即负载损耗或短路损耗，由变压器原、副绕组电阻在电流通过时产生。电流流经绕组，遵循焦耳定律，电能转化为热能，造成损耗。其大小与负载电流平方以及绕组阻值成正比，属于可变损耗。在不同负载下，风电光伏并网变压器的铜损随负载系数平方及定额铜损耗乘积变化。例如，当光伏电站光照强度突变或风电场风速大幅波动，发电功率骤变，并网变压器负载电流随之大幅改变，铜损也会显著变化。

2.3 杂散损耗

杂散损耗发生在引线、外壳及其他结构性金属零件上，与负荷相关。其产生原因多样，如磁通泄漏在金属结构件中感应出涡流，引发能量损耗；绕组漏磁场与金属部件相互作用，也会造成额外损耗。尽管杂散损耗在变压器总损耗中占比较铁芯损耗和铜损耗小，但在风电光伏并网变压器长期运行过程中，其累积效应不容忽视，尤其在高负荷、复杂电磁环境下，杂散损耗可能显著增加，影响变压器整体性能。

三、影响风电光伏并网变压器损耗的因素

3.1 铁芯材料与结构

铁芯材料的磁导率、电阻率等特性对铁损影响巨大。传统硅钢片铁芯在交变磁场下磁滞与涡流损耗较大，而新型非晶合金铁芯凭借高磁导率、低电阻率，能大幅降低铁损。铁芯结构方面，叠片式铁芯通过减小磁通密度，降低涡流损耗；合理设计铁芯气隙与通风结构，可减少铁芯发热，提升散热效率，间接降低损耗。在风电光伏频繁波动的工况下，高性能铁芯材料与优化结构的变压器，能更好维持低损耗运行。

3.2 绕组设计与负载率

绕组设计包括导线材料、截面积、匝数比以及绕组排列方式等。选用高导电率的铜或铝导线，可降低绕组电阻，减少铜损；优化绕组排列，如采用同心式绕组，能减小绕组间电磁干扰与漏磁损耗。负载率是影响铜损的关键因素，当变压器长期处于低负载率运行，铜损占比虽小，但因铁损相对突出，整体效率降低；而过高负载率会使铜损剧增，甚至可能导致变压器过热。

3.3 运行环境与散热条件

运行环境温度、湿度以及海拔高度等因素，会改变变压器绕组电阻与铁芯磁导率，进而影响损耗。例如，高温环境下绕组电阻增大，铜损上升；高海拔地区空气稀薄，散热条件变差，也会导致变压器损耗增加。散热条件方面，冷却方式与冷却介质性能至关重要。自然空气冷却适用于小容量变压器，对于大容量风电光伏并网变压器，强迫油循环冷却等方式更为高效。若冷却系统故障或冷却介质性能下降，变压器温升加剧，损耗显著上

升，严重时危及设备安全运行。

四、风电光伏并网变压器节能改造技术

4.1 选用新型铁芯材料

采用非晶合金或高磁导率硅钢片等新型铁芯材料是降低铁损的有效手段。非晶合金铁芯原子呈无序排列，磁导率极高，磁滞回线狭窄，可大幅降低磁滞损耗，同时其低电阻率能有效抑制涡流损耗，这使得它在应对风电光伏并网时的复杂电磁环境时表现出色。相比传统硅钢片铁芯变压器，采用非晶合金铁芯的并网变压器，空载损耗可降低 70%80% ，在大规模风电光伏基地中，这种损耗的降低所带来的能源节约是相当可观的。在光伏电站夜间低负载或风电场无风时段，此时变压器往往处于轻载或空载状态，铁损在总损耗中占比极大，新型铁芯材料的节能优势尤为明显，能显著减少变压器无负载或轻负载状态下的能量消耗，进而提升整个发电系统在不同工况下的综合效益，为电站带来更显著的经济回报。

4.2 优化绕组设计

从绕组材料选择上，优先采用高导电率的铜材，并合理增加导线截面积，这一举措能直接降低绕组电阻，根据焦耳定律，在相同电流下可有效减少铜损，尤其在风电光伏功率输出较大、电流较高的时段，效果更为突出。在绕组结构设计方面，采用多股导线并绕、交错排列的方式，能有效降低电流密度，不仅减小了绕组电阻损耗，还能降低因电流分布不均产生的附加损耗；优化绕组匝数比与线径，可使变压器在不同电压转换工况下都能高效稳定运行，无论是风电光伏输出电压的波动还是电网侧电压的变化，都能将负载损耗控制在较低水平。

4.3 改进冷却系统

根据变压器容量与运行环境，合理选择冷却方式，是保证变压器高效运行的关键，如将自然油循环冷却升级为强迫油循环风冷或水冷系统，能大幅提高散热效率，即使在夏季高温或风电光伏满发导致变压器负荷较高的情况下，也能及时将热量散发出去，避免因温度过高而增加损耗。同时，采用环保型、高散热性能的冷却介质，既能降低冷却介质粘度，减少循环过程中的摩擦损耗，又符合绿色发展的要求，与风电光伏等清洁能源的环保属性相契合。引入智能温控与监测系统，通过分布在变压器关键部位的传感器，实时监测温度、电流、电压等参数，一旦温度异常，系统能自动调整散热装置工作状态，如增加风扇转速或启动备用冷却设备，避免因过热导致的损耗增加，确保变压器始终处于最佳运行温度范围，不仅降低了损耗，还能延长设备使用寿命，减少维护成本，为风电光伏并网系统的稳定运行提供有力保障

五、结论

风电光伏并网变压器损耗受多种因素影响，铁损、铜损和杂散损耗在不同工况下共同作用，降低了发电系统的能源利用效率。通过选用新型铁芯材料、优化绕组设计以及改进冷却系统等节能改造技术，可有效降低变压器损耗，提升其运行效率与稳定性。在实际工程应用中，应综合考虑风电光伏项目的规模、运行环境以及成本效益等因素，针对性地选择节能改造方案，以实现清洁能源的高效并网传输，推动风电光伏产业可持续发展。未来，随着材料科学与电力技术的不断进步，风电光伏并网变压器节能改造技术有望取得更大突破，为全球能源转型贡献更多力量。

参考文献

[1]田京京,邢康.基于复杂网络与电气特性的风电光伏并网脆弱性分析[J].科学技术与工程,2025,25(06):2379-2388.

[2] 张永明. 风电光伏并网储能容量优化配置方法[J]. 自动化应用,2023,64(21):72-74.

[3]国家能源局：加大力度推进大型风电光伏发电基地建设[J].中国设备工程,2023,(05):1.