Optimized Efficiency to Minimize Transmission Losses and Reduce Overall System Operating Costs of 1100 kV Converter Transformers for Power Transmission System
本文提出并验证了一个由电磁-热-经济设计模型、谐波感知损耗计算以及运行控制策略构成的三层框架，用于优化1100 kV换流变压器，从而使超高压直流（UHVDC）输电系统的年能耗降低了19.2%，实现了显著的成本节约并减少了二氧化碳排放。
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想象一下一个由无数电力线路组成的庞大网络，它们绵延数千公里，将电力从偏远的发电站输送到拥挤的城市。为了高效地传输如此巨大的能量，工程师们使用了一种被称为高压直流电的技术，它就像是电力传输中的“超级高速公路”。在这套系统的核心位置，坐落着名为换流变压器的巨大机器。这些机器是电压的守门人，负责调节电力的电压，使其能够平稳地流入输电线路。它们是整个变电站中最大的可控能量损耗源。它们以热能形式浪费的每一瓦特能量，都意味着必须在别处进行额外的发电，从而产生成本并导致碳排放。几十年来，工程师们一直根据适用于标准变压器的规则来设计这些机器，而标准变压器处理的是稳定、平滑的电流。然而，流经这些特定高压闸门的电流远非平滑；它是锯齿状且不规则的，充满了随着系统负载增减而不断变化的电波纹。
大西洋国际大学的研究人员开展的一项新研究解决了这种不匹配问题。该团队开发了一种全新的设计这些大型1100千伏换流变压器的方法，旨在榨取每一滴被浪费掉的能量。他们没有依赖于假设电流平稳的旧规则，而是建立了一个详细的数字模型，该模型考虑了电流具有锯齿状和波纹状的特性。这个模型就像是一个三层过滤器。第一层设计物理机器，在遵守关于运输重量和高度的严格限制的同时，选择合适的铜线厚度、钢芯类型和油箱尺寸。第二层精确计算能量以热能形式损失的具体量，但有一个关键的转折：它识别出电波纹会根据当前传输功率的大小而发生变化。第三层观察机器在全年的运行情况，根据天气变化和电力需求，逐小时调整冷却风扇和电气控制的设置。
研究人员将这种方法应用于一个特定的现实场景：一个类似于中国昌吉—贵州线路的12吉瓦功率链路，该线路使用的单元额定容量为611.8兆伏安。他们将这种新优化设计与另外两种方法进行了对比。第一种是“初置成本最小化”设计，其目标是尽可能降低机器的前期建设成本，通常通过使用更厚的导线和更廉价的材料来实现。第二种是“常规”设计，它遵循标准的行业惯例，但并未针对长期节能进行积极优化。结果令人震惊。这种采用更细铜线和更先进钢材的新设计，虽然初始建造费用略高，但由于其浪费的能量极少，机器在整个生命周期内的总拥有和运行成本显著下降。具体而言，优化后的设计将机器的额定能量损耗从常规版本的1288千瓦降低到了1077千瓦。这使机器的效率达到了99.79%，这意味着几乎所有进入变压器的电量都能离开它，而不是转化为废热。
当研究人员观察包含24台此类单元的完整变电站的影响时，节省的规模变得更加惊人。通过将优化的物理设计与更智能的操作控制（例如，根据实时需求调整电气开关的触发角以及开启或关闭冷却风扇）相结合，变电站可以减少近20%的年能量损耗。具体来说，这意味着每年可以节省约29.1吉瓦时的电力。按当前价格计算，这相当于每个变电站每年节省约175万美元。这也意味着每年可以避免向大气中排放约1.66万吨二氧化碳，相当于数千辆汽车的排放量。研究还表明，旧的损耗计算方法存在缺陷；由于未能考虑到电波纹如何随负载变化，它低估了高达7%的实际能量损耗。
研究强调，换流器内部铜线的粗细是一个关键因素。优化设计使用的铜线细至1.3毫米，这减少了由电波纹引起的特定类型内部热损耗。虽然这需要更多的铜和稍大的机器，但长期的能量节省远超额外的材料成本。研究还证实，最有效率的设计几乎触及了600吨的最大运输限重，这表明未来的改进可能会受到机器运输重量限制的影响，而非设计本身的物理极限。作者强调，这些发现来自于复杂的计算机模拟和分析模型，而非工厂制造的物理原型。作者指出，尽管结果在不同的经济情景下都是稳健的，但仍需要现实世界的工厂测试来微调最终数据。尽管如此，这项研究为如何建造下一代电力传输设备提供了清晰的路线图，证明了今天的智能化设计可以在未来几十年内带来巨大的收益并创造更清洁的环境。
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