柔性低頻輸電技術(shù)下低頻變壓器的發(fā)展

在電網(wǎng)朝著高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”形態(tài)邁進(jìn)時(shí)，柔性低頻輸電作為介于工頻交流與高壓直流之間的“第三道路”應(yīng)運(yùn)而生。它憑借0 - 50 Hz連續(xù)可調(diào)頻率，在中遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電、城市電網(wǎng)擴(kuò)容等場景優(yōu)勢顯著，而低頻變壓器作為能量形態(tài)變換的關(guān)鍵，其技術(shù)走向至關(guān)重要。

從“鐵芯加大”到“系統(tǒng)再設(shè)計(jì)”

頻率降至20 Hz，鐵芯磁通密度大幅提高，相同容量下低頻變壓器重量、體積增加，損耗也抬升。科研人員將視角轉(zhuǎn)向系統(tǒng)層面：
電磁反向優(yōu)化方面，在20 Hz區(qū)段重新測繪硅鋼磁化曲線，選用0.23 mm薄規(guī)格取向硅鋼，兼顧低損耗與高飽和特性；緊湊化繞組上，采用“分層 - 交錯(cuò) - 換位”混合繞法，漏抗下降，油箱直徑縮減；冷卻拓?fù)湓僭熘校Ｉ蠙C(jī)艙變首推“強(qiáng)迫油循環(huán) - 板翅式”混合冷卻，散熱功率密度提高，滿足惡劣環(huán)境需求。

標(biāo)準(zhǔn)真空被填補(bǔ)

2022年9月，浙江電科院提交的全球首部《柔性低頻變壓器技術(shù)規(guī)范》IEEE標(biāo)準(zhǔn)提案獲批立項(xiàng)，明確了20 Hz下的額定參數(shù)系列、溫升限值、噪聲及試驗(yàn)方法，為產(chǎn)業(yè)鏈提供了“通用語言”。國內(nèi)標(biāo)委會(huì)同步啟動(dòng)12項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制，預(yù)計(jì)2026年前完成，屆時(shí)低頻變壓器可套用“貨架式”規(guī)范，縮短工程交付周期30%。

示范工程“壓力測試”

多個(gè)示范工程驗(yàn)證了低頻變壓器的性能。臺(tái)州35 kV項(xiàng)目投運(yùn)世界首臺(tái)20 Hz戶外變壓器，實(shí)現(xiàn)海纜 - 風(fēng)機(jī) - 電網(wǎng)完整鏈路0.4 T磁通長期運(yùn)行，鐵芯溫升穩(wěn)定，驗(yàn)證了低頻絕緣可靠性；杭州220 kV項(xiàng)目的三相一體式低頻變壓器容量大，運(yùn)輸體積相對常規(guī)較小，通過多項(xiàng)極端工況考核，系統(tǒng)穩(wěn)定性提升；玉環(huán)二號(hào)海上風(fēng)電的全國首臺(tái)“機(jī)艙低頻升壓變”即將裝船，輸電損耗預(yù)計(jì)降低，海上平臺(tái)體積縮減，度電成本下降。

輕量化與集成化下一跳

低頻變壓器正朝著輕量化與集成化方向發(fā)展。高溫超導(dǎo)低頻變領(lǐng)域，中科院電工所2024年完成1 MVA模型機(jī)，取消鐵芯，體積縮小，損耗極低，瞄準(zhǔn)2030年前百兆瓦級示范；電力電子“半變壓器”利用M3C換流閥高頻隔離環(huán)節(jié)替代部分繞組，重量再降，已在10 kV實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)驗(yàn)證；模塊化海陸通用平臺(tái)統(tǒng)一66 kV/220 kV兩檔接口，工廠預(yù)制、整體滾裝，大幅壓縮海上施工周期。

結(jié)語

低頻變壓器在柔性低頻輸電的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了從“笨重”到“緊湊”、從“單機(jī)”到“系統(tǒng)”、從“企業(yè)規(guī)范”到“國際標(biāo)準(zhǔn)”的華麗蛻變。隨著高溫超導(dǎo)、碳化硅功率器件、數(shù)字孿生等前沿技術(shù)的滲透，低頻變壓器有望在未來五年內(nèi)進(jìn)一步降低重量、提高效率，為中遠(yuǎn)海風(fēng)電、高原光伏、城市深谷供電等多場景提供經(jīng)濟(jì)、可靠、綠色的“變頻樞紐”，成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)不可或缺的核心裝備，助力能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展。