海上风电系统中低频变压器铁损特性研究

中国拥有丰富的海上风能资源，海上风电具有运行效率高、输电距离短、用电集中、占地少等优势。在全球“双碳”目标下，海上风电有望成为中国可再生能源发展的重要方向。

然而，海上风电系统的运行频率相对较低，这会降低输电线路阻抗，显著提升输电能力。与陆上风电相比，海上系统的运行环境更为严酷，面临高湿度、极端温度、霉菌和盐雾腐蚀等挑战。这些环境条件导致维护和检修成本上升，因此选择合适的变压器材料至关重要。

作为输配电系统中的核心设备，变压器在海上风电项目中发挥着举足轻重的作用。变压器铁芯通常由叠片硅钢制成，其电导率、磁导率、铁芯损耗、磁通密度等特性会随温度和频率的变化而变化，这些变化直接影响变压器的运行效率。因此，为海上风电应用选择合适的变压器材料至关重要。为探究海上风电系统低频、低温运行工况下变压器损耗的一般规律，上海电力大学李翔带领的研究团队开展了一项深入研究。该研究获得国家重点研发计划（2021YFB2401100）和国家电网公司科技项目的支持。

1. 低频励磁下不同温度和频率时硅钢片磁性能的变化

研究人员采用爱泼斯坦方圈试验和有限元分析测量硅钢片的磁性能，评估了硅钢片在不同温度（-40°C、0°C、23°C、40°C、80°C）和频率（50 Hz和20 Hz）下的磁化曲线和损耗曲线。

研究结果显示：

磁饱和时的磁场强度随温度升高而增大；但在相同磁场强度下，磁通密度随温度升高而减小。在未饱和状态下，温度变化对磁化性能的影响相对较小。

硅钢片的比铁芯损耗受变压器铁芯工作频率、磁通密度和温度的影响。随着温度升高，比铁芯损耗逐渐降低，其中温度效应在磁通密度介于1.25 T至1.75 T之间时最为显著。

2. 不同温度和频率下变压器损耗的变化

研究人员采用有限元方法，仿真了变压器在不同运行频率和温度下磁滞损耗与涡流损耗的占比。本研究未计入杂散损耗，仅聚焦于磁滞损耗占比。

结果表明：

在50 Hz工频下，磁滞损耗占硅钢片空载铁芯损耗的主要部分；在较低的20 Hz频率下，磁滞损耗占比有所下降。

磁滞损耗占比随温度升高而降低。

与较高频率相比，在20 Hz低频下，磁滞损耗占比受温度变化的影响更为显著。

这项研究深入揭示了低频、低温条件下变压器损耗机理，为降低变压器损耗以及优化未来海上风电系统设计提供了指导。