使用加权平均负载优化变压器效率: 超越能源部 2016 — 米鲁斯国际
01 美国能源部 2016 问题: 一个负载点是不够的
一月 2016, 美国能源部针对商业建筑中使用的配电变压器推出更新的最低效率标准, 编入法典下 10 CFR部分 431.192 — 通常称为 DOE 2016.[2] 该法规要求 30% 损失低于以前的标准, 测量于 35% 额定负载, 这被确定为商业建筑变压器最常见的工作点.[1]
其意图是合理的——提高变压器在其大部分运行时间的负载水平上的效率. 意想不到的后果同样是可以预见的: 通过仅指定一个负载点的效率, 该法规激励制造商准确地优化其设计 35% 负载同时接受其他负载水平下的更高损耗. 设计用于通过单点测试的变压器 35% 可能会有明显更高的损失 50%, 65%, 或 75% 负载 — 正是医院常见的负载水平, 数据中心, 以及中度至高利用率的商业设施.
1.1 太阳能逆变器先例——CEC加权效率
加州能源委员会 (中电公司) 认识到太阳能逆变器也存在类似问题, 其运行负载范围非常宽——夜间为零, 阳光明媚的正午，满载. 单点效率规范将产生针对一种条件进行优化而在其他条件下表现不佳的逆变器. CEC 解决方案是一个加权平均效率方程，通过估计的运行时间比例对每个负载点进行加权:[1][3]
重权重为 75% (0.53) 和 50% (0.21) 反映了这样的现实：太阳能逆变器在白天的大部分生产时间都处于中等到高输出水平. 美国能源部 2016 改造, 专门针对 35% 加载中, 对于太阳能逆变器应用来说是完全不合适的——CEC 方程会暴露其在对此用例最重要的负载水平上的低效率.[1]
Mirus International 应用此逻辑开发了太阳能变压器系列，可优化 CEC 加权效率而不是 DOE 2016 单点效率. 一 50 kVA Mirus ULL-Solar 变压器实现 CEC 加权效率 0.45 比传统 DOE 高出几个百分点 2016 设计——翻译为 21% 典型太阳能系统运行时的平均损耗较低.
02 将加权效率扩展到商业变压器
CEC 加权是为太阳能逆变器开发的，反映了太阳能负载曲线 - 峰值加权 75% 因为太阳能发电在中午左右达到高峰. 商业建筑变压器具有不同的负载曲线. 医院的变压器负载通常为 40–60%. 学校负荷可能为 20-30%. 数据中心和工业设施可能会以更高的利用率运行. 适当的权重取决于安装的实际负载曲线.[1]
原理, 但, 是普遍适用的: 反映预期负载曲线的加权平均效率方程将比任何固定负载水平下的单点测试产生更好的变压器选择. 当变压器在其实际运行的负载水平上保持高效时，总拥有成本（购买价格加上使用寿命期间的能量损失）可以最小化, 不在可能与应用不匹配的监管测试点.
无花果. 1. 效率曲线 75 全负载范围内的 kVA 变压器: ULL 太棒了 (宽负载优化), 惊人的 ULL-L (轻载优化), 和能源部 2016 标准设计. 美国能源部 2016 设计实现了其单点目标 35% 但在较高负载水平下会出现偏差. 源: 米鲁斯国际 / 今日电力 2019.[1]
| 加载 % | 美国能源部 2016 | ULL 太棒了 | 惊人的 ULL-L |
|---|---|---|---|
| 10% | 97.06 | 96.65 | 97.70 |
| 20% | 98.30 | 98.11 | 98.54 |
| 25% | 98.46 | 98.37 | 98.66 |
| 30% | 98.54 | 98.53 | 98.70 |
| 35% (DOE 测试点) | 98.60 | 98.62 | 98.69 |
| 50% | 98.55 | 98.68 | 98.64 |
| 65% | 98.34 | 98.66 | 98.55 |
| 75% | 98.14 | 98.60 | 98.44 |
| 100% | 97.42 | 98.15 | 97.80 |
| 加权 η (更宽的负载范围) | 98.47% | 98.62% | - |
该表揭示了 DOE 2016 设计的弱点显而易见: 它的峰值接近 35% 加载中 (它的测试点) 但上面明显下降 50%. Mirus ULL 保持高效率 35% 通过 100% — 中度到高利用率设施实际运行的负载范围. Mirus ULL-L 针对轻载进行了优化, 保持卓越的效率低于 35% 以较高负载下的一些效率为代价.
03 建议的商用变压器加权效率方程
Hoevenaars 为商用变压器规范提出了两个加权效率方程，其中一个适用于负载主要为轻负载的应用 (下面 35%), 一种适用于中等至重载安装的典型负载范围. 两者都使用六个负载点, 对 CEC 方程进行修改，以更好地反映商业建筑荷载曲线.[1]
轻载方程将 87% 其重量为 25% 和 35% 负载——适合学校, 设备密度低的办公室, 或实际负载始终低于的任何应用 35%. 更宽的负载范围方程 72% 其重量为 50% 和 65% 负载——适合医院, 数据中心, 工业设施, 及设备利用率高的商业建筑.[1]
3.1 工作示例—— 75 千伏安比较
将更宽的载荷范围方程应用于 75 kVA 效率数据:
美国能源部 2016: 或者特兰HL = 0.01×97.06 + 0.03×98.46 + 0.22×98.60 + 0.50×98.55 + 0.22×98.34 + 0.02×97.42 = 98.47%
不同之处: 0.15 百分点——大约代表 15% 加权平均运行条件下的损失较低.
建议指定 DOE 2016 合规性于 35% 相同效率水平下的负载和加权平均效率合规性, 使用适合预期负载曲线的方程. 这种双重要求保证了变压器在监管测试点和实际工作范围内都保持高效，而无需接受单点优化设计的隐藏能量损失.
04 是什么让 ULLTRA 与众不同: 交错核心技术
在宽负载范围内实现高效率需要解决空载损耗 (磁芯损耗) 和负载损耗 (铜损) 不牺牲一者来改善另一者. Mirus ULLTRA 使用专有的磁芯配置（交错磁芯），解决了传统交错磁芯和绕线磁芯的基本限制.[1]
4.1 交错核心——标准设计
传统变压器铁芯采用晶粒取向 (去) 硅钢片——晶粒结构沿轧制方向排列的钢, 当磁通平行于晶粒流动时，提供低磁滞损耗. 在交错核心中, 每个支路的磁通是所有三相磁通的矢量和. 通量矢量均匀混合, 总通量大小为√3 (= 1.732) 乘以单相磁通 — 平衡三相运行的预期值.
交错核心的问题在于角落. 垂直腿与水平轭相交的地方, 通量必须改变方向. 当磁通逆着晶粒流动时，以及在交错磁芯的拐角处，晶粒取向钢的损耗高出 2-3 倍, 通量总是逆流而行. 这是传统变压器空载损耗过大的主要原因.[1]
无花果. 2. 交错变压器铁芯中的磁通方向. 每条支路承载所有三相磁通的矢量和 — 总磁通大小 = √3 × 各相磁通. 通量在腿部均匀混合，但必须在拐角处改变方向, 晶粒取向钢的角损增加. 源: 米鲁斯国际 / 今日电力 2019.[1]
4.2 卷绕铁芯——埃文斯 (分布间隙) 设计
缠绕核心配置 - 最常见的是埃文斯核心 (也称为分布式间隙或 DG 核心) — 通过保持磁通方向与整个磁芯的晶粒一致来解决角损耗问题, 包括角落. 这消除了拐角处的晶向不匹配并减少了空载损耗.
然而, 卷绕磁芯带来了一个经常被忽视的不同问题. 在卷绕铁芯中, 磁通路径往往保留在每个缠绕部分内，而不是在磁芯上自由混合. 通量对仍然求和, 但它们是算术求和而不是向量求和. 结果是总通量大小为 1.73 + 1.73 = 3.46 乘以单相通量 — 大约 15% 高于 √3 = 1.73 × 交错磁芯的各相磁通. 这 15% 较高的磁通会相应地产生较高的磁芯损耗, 部分抵消角损减少.[1]
无花果. 3. 埃文斯中的通量方向 (分布间隙) 卷绕铁芯. 磁通路径包含在每个缠绕部分内, 防止均匀混合. 总通量= 1.73 + 1.73 = 3.46 × 各相磁通 — 15% 高于交错核心. 这种更高的通量部分抵消了角损节省. 源: 米鲁斯国际 / 今日电力 2019.[1]
4.3 交错核心 — ULLTRA 解决方案
Mirus ULLTRA 采用交错核心配置，可捕捉两种方法的最佳特性. 关键的创新是在核心的不同部分使用两种不同的钢类型:[1]
- 粮食导向 (去) 腿上有钢 — 腿中的通量与纹理平行流动, 因此，GO 钢在磁芯承载磁通最多的地方提供最小的磁滞损耗
- 非晶粒导向 (非政府组织) 角落里的钢 — 通量在拐角处改变方向; NGO钢铁在各个方向都有类似的损失, 所以它不会影响角通量方向的变化
这种组合消除了拐角损失 (NGO 钢不会受到通量方向变化的影响) 同时让焊剂在腿中均匀混合 (与绕线铁芯不同，绕线铁芯中的助焊剂会阻碍均匀混合). 结果是，与传统的交错磁芯或绕线磁芯设计相比，磁芯的总磁芯损耗更低.
无花果. 4. Mirus ULLTRA 变压器的低损耗交错磁芯配置. 粮食导向 (去) 所有腿均采用钢 — 通量随颗粒流动而损耗低. 非晶粒导向 (非政府组织) 所有角落均采用钢——磁通方向变化不会造成任何损失. 焊剂在腿部均匀混合, 与卷绕铁芯不同. 源: 米鲁斯国际 / 今日电力 2019.[1]
05 电能质量视角
5.1 变压器效率和电能质量——共同的根本原因
本文涉及变压器效率工程和电能质量的交叉点——这种组合可能看起来不寻常，但与任何具有显着 VSD 或其他非线性负载的设施直接相关. 在配电母线上造成电能质量问题的谐波电流也会在配电变压器中造成额外损耗. 设计为在谐波负载下高效工作的变压器同时不易受到谐波发热的影响，从而缩短变压器的使用寿命.
ULLTRA 较低的空载损耗和 HMT 型号的谐波消除能力满足了变压器作为能量转换设备和电能质量环境组成部分的角色. 这种双重考虑与 IPQDF 系列的更广泛主题是一致的: 电能质量和能源效率不是独立的问题——它们是同一潜在电气系统设计挑战的各个方面.
5.2 加权平均规格方法——采购课程
本文的核心工程论点——单点规格产生次优设计，而加权平均规格更好地匹配实际性能——远远超出了变压器效率的适用范围. 同样的论点支持在整个工作范围内通过 ITDD 指定谐波滤波器，而不是 THD我 在单个负载点 (如 WQCP 涡轮鼓风机案例研究所示). 基于谐波缓解负载而不是未缓解负载乘以经验法则系数来指定发电机容量也是同样的论点.
共同点是: 使规格与实际操作条件相匹配, 没有到方便的测试点. 当工程规范描述了设备在使用中必须执行的操作时，总拥有成本可以降至最低, 不是通过标准化测试必须做的事情.
5.3 变压器规模调整——与发电机规模调整相同的逻辑
本文的结论是，使用更宽的负载范围加权效率方程可以实现变压器的合理选型——为实际负载选择正确的 kVA 额定值，而不是过度选型以在工作点实现可接受的效率. 这与 EGSA Powerline 文章中关于发电机规模调整的论点直接平行: 过大以通过单点测试, 并且您支付的资本成本和运营损失超出了必要的水平. 根据实际负载曲线进行设计, 资本和运营成本都被最小化.
适合从事配电系统设计或设备采购的 IPQDF 读者, 这里提出的加权平均效率框架是一个实用的工具. 这两个方程——轻负载和更宽的负载范围——可以应用于负载曲线已知或可以估计的任何变压器采购规范. 计算很简单, 以及所需的数据 (六个负载点的效率) 应可从任何可靠的变压器制造商处获得.
参考文献
- [1] Ţ. Hoevenaars, 工程硕士, “使用加权平均的最佳变压器效率,” 今日电力, 变形金刚特别版, 飞行. 32, 不. 3, PP. 14–16, 2019. 米鲁斯国际公司, 布兰普顿, Ontario, 加拿大.
- [2] 美国能源部, “配电变压器节能标准,” 10 CFR部分 431.192 (美国能源部 2016), 联邦公报, 2016.
- [3] 加州能源委员会 (中电公司), “逆变器的资格标准和测试方法,” CEC-400-2019-013, 2019.