论文部分内容阅读
摘要：风电场风机侧升压变压器是风电场电力系统的重要组成部分。韩国分布式能源对于风机直接并网的特殊规定决定了必须选择特殊配置的中压变压器来符合当地电网要求.而中压线路短路电流的设计计算就是变压器选型中安全性的重要因素. 通过科学合理的短路电流较核计算，不仅能在满足安全可靠的前提下经济地选择合适的设备， 也为整个风电项目合理配置做出贡献. 并且有利于我们对周边国家相关电力工程熟悉当地要求和积累经验，完善并提高自身技术水平。
关键词：风电 安全 变压器 短路电流 校核
Abstract： The step up Transformer of wind turbine is the important components of wind power electric system. The special MV transformer configuration to meet the requirement from local utility according special grid connection regulation of Korea distribution power system. The design calculation of short circuit is one of important factor for transformer safety configuration. By reasonable short circuit calculation and validation， not only suitable to select equipment with economic and safety， but also contributed for the whole wind project better configuration. Also have benefit to know the local requirement and accumulate experience， enhance and improve our technical capability.
Key words： Wind Power， Safety， Transformer， Short Circuit， Validaiton
1 引言
韩国属于东亚的发达国家，其经济发展尤其是工程项目有很强的规范性。随着国家“一带一路”战略的实施，我们也于2019年参与了韩国的风力发电工程项目。值得一提的是，本文所述的韩国的风电工程（简称CS项目）本身就是一个分布式电力项目，它位于韩国东南部庆尚北道，离浦项约60KM。项目由韩国DAEMYOUNG公司开发，设计容量20MW，配置6台西门子歌美飒SWT-3.2-113M直驱风机。
CS项目位于韩国东部山区，道路崎岖且受环保约束不宜做大规模开发。当地政府的规划是因地制宜地分散开发一些小的电力项目，再集中到大的升压站输送到骨干电网。比如CS项目的6台风机之间用埋地电缆连接，线路终端再通过项目的开关站直接并到22.9kV中压架空线路，最后连接到20多公里外的GIS升压站连接到154kV的大电网。韩国本地电网的特殊要求是风机出口并网必须采用Y-Y（星-星）连接，因为中压电网就是Y-Y连接，任何设施直连中压电网必须要满足其电压、频率等特性完全匹配。而通常的风机侧变压器绕组设计一般采用Y-△（星-三角）连接，主要考虑是把谐波消除在三角形连接的绕组中，这样对风机和对电网都是一种保护。西门子歌美飒公司应对客户的特殊需求，提出了两种应对方案：一是改造原先塔筒内的变压器，从Y-△变成Y-Y;二是把变压器和环网柜放置在塔外形成安全的升压开关亭，外置变压器直接采用Y-Y。由于原装变压器是在欧洲工厂生产，改造费用高昂，经实地考察，最终与韩国本地知名的电气工程公司LSIS合作，采购LS设计生产的Ynyn0d11变压器，并配合韩国电网的试验要求，满足了项目业主和当地电网的所有需求。
电气系统的设计及选型涉及到很多复杂计算，安全性上的一个核心指标就是短路电流的计算。本文对于具体的变压器设计和施工不再详述，重点讨论工程设计中电力系统的短路电流的计算和校核，从安全性上保证我们的设备选型的科学合理，同时满足当地电网的特殊要求。经过比对韩国现行的电网标准，我们发现它基本匹配国际IEC标准。比如对于系统短路电流计算，IEC60969都通用于本地要求。
2 系统参数计算及假设
首先，我们选取系统单线图（见后图1）.
通过研究CS项目的电气系统单线图，我们得知远端汇流站及系统基本参数如下：
基准容量：Sj = 100 MVA;高压侧（154kV）基准电压：U1j = 154 kV;中压侧（22.9kV）基准电压：U2j = 22.9 kV;基准电压：U3j = 22.9 kV。
短路节点的短路电流计算时间t都设为0秒。
系统编号从XT1到XT6是系统中各风机及电气设备节点，其单相短路容量：
= 3.2 MVA;而編号xt1为网侧节点，其单相短路容量：
= 1e+008 MVA。 对于双绕组变压器，编号ZB0为远端汇流站升压变，其电压：154/22.9 kV，型号：S/S MTR，额定容量：Se = 45000 MVA，短路电压百分比：Ud% = 10.5，中性点接地电阻未知，正序阻抗标么值：
= 0.2333，零序阻抗标么值：=0;
风机侧变压器编号从ZB1到ZB6，电压：22.9/0.69 kV，型号：DKCS-1200/10.5-200/0.1，额定容量：Se = 3400 MVA，短路电压百分比：Ud% = 7，中性点接地电阻Z未知，正序阻抗标么值：
= 2.0588，零序阻抗标么值都等于0。
对于线路，编号为L1的特指从风场到汇流站的外部线路。电压：Ue = 154 kV，型号：2xLGJ-400/20+4xLJ-185，截面：S = 400 mm2，根数：n = 1，正序阻抗：X1 = 0.4Ω/km，零序阻抗：X0 = 1.4Ω/km，X0/X1：3.5，长度：L = 25 km，正序阻抗标么值：
= 0.0422，零序阻抗标么值：
= 0.1476。
3 短路电流计算
首先我们绘出系统等值简化阻抗图（见后图2，3，4）。
4 结论
（1）分析了韩国风电项目分布式能源的具体要求。详细对电力系统的短路电流计算进行了验证。
（2）经验算，CS项目154kV侧三相短路电流为11.744kA，单相短路电流为6.379kA。22.9kV侧三相短路电流为12.601kA，单相短路电流为1.633kA。在和韩国业主和本地供应商LS充分沟通后，CS项目22.9kV侧设备短路电流水平按21kA进行电气选择，这也是韩国常规中压设备短路电流的常用配置，完全满足本工程要求。
（3）综合来说，LS该款变压器针对韩国用户的特殊的要求，在安全性保障方面很好地满足了可靠性及经济性的需求，对于日后韩国类似工程起到了范本效用。
参考文献
[1] 杨彬，同向前，刘健，等.含分布式电源配电网的短路电流计算方法研究 [J].电网技术，2015，39（7）：1977-1982.
[2] Insu Kim. Steady‐state short‐circuit current calculation for internally limited inverter‐based distributed generation sources connected as current sources using the sequence method [J].WILEY. International Transactions on Electrical Energy Systems， 2019， 10.1002/2050-7038.12125：1-16.
[3] 陈红梅.220kV智能变电站电气设计 [D].哈尔滨 哈尔滨工业大学，2015.
[4] 候世勇，董景义，李杰. 变压器短路电流分析计算 [J].变压器，2012，49（10）：1-6.
[5] 鞠伟.大安中广核安广风电场电气一次系统研究及设计 [D].长春 长春工业大学，2018.
[6] 李龙女，张雅倩，李岩，等.带平衡绕组的分列式变压器短路电流计算分析 [J].电力系统及其自动化学报，2019，31（3），69-75.
[7] 杨金刚，何成明，李顺昕，等.短路电流计算外网等值方法研究及应用 [J].中国电力，2018，51（12），56-62.
[8] 熊友红，邱军，赵建刚，等.短路电流计算在电力系统事故分析中的应用 [J].冶金动力，2020，241（3），8-11.
[9] 王寓，王主丁，张宗益，等.国内外常用短路电流计算标准和方法的比較研究 [J].电力系统保护与控制，2010，38（20），148-152.
[10] 黄冠标.基于IEC60909标准的短路电流计算软件设计 [D].广州 华南理工大学，2015.
[11] 肖鑫鑫.计及分布式电源的配网潮流和短路电流计算研究 [D].上海 上海交通大学电子信息与电气工程学院， 2008.
[12] 陈博，邱建，曾耿晖，等.计及阻抗匹配平衡牵引变压器的电网短路计算方法 [J].电力系统保护与控制，2016，44（13），33-39.
[13] Energy - Wind Farms; Researchers from Hohai University Report Findings in Wind Farms （A Practical Short-circuit Current Calculation Method for Dfig-based Wind Farm Considering Voltage Distribution） [J]. Energy Weekly News，2019.
[14] 邱丽萍，张彦涛，王蒙，等.适用于交流长线路的动态相量时域短路计算方法研究 [J].中国电机工程学报，2019，39（13），3736-3743.
作者简介：罗斌 男，（1975-），男，工程师，硕士。研究方向：新能源能电力工程。
关键词：风电 安全 变压器 短路电流 校核
Abstract： The step up Transformer of wind turbine is the important components of wind power electric system. The special MV transformer configuration to meet the requirement from local utility according special grid connection regulation of Korea distribution power system. The design calculation of short circuit is one of important factor for transformer safety configuration. By reasonable short circuit calculation and validation， not only suitable to select equipment with economic and safety， but also contributed for the whole wind project better configuration. Also have benefit to know the local requirement and accumulate experience， enhance and improve our technical capability.
Key words： Wind Power， Safety， Transformer， Short Circuit， Validaiton
1 引言
韩国属于东亚的发达国家，其经济发展尤其是工程项目有很强的规范性。随着国家“一带一路”战略的实施，我们也于2019年参与了韩国的风力发电工程项目。值得一提的是，本文所述的韩国的风电工程（简称CS项目）本身就是一个分布式电力项目，它位于韩国东南部庆尚北道，离浦项约60KM。项目由韩国DAEMYOUNG公司开发，设计容量20MW，配置6台西门子歌美飒SWT-3.2-113M直驱风机。
CS项目位于韩国东部山区，道路崎岖且受环保约束不宜做大规模开发。当地政府的规划是因地制宜地分散开发一些小的电力项目，再集中到大的升压站输送到骨干电网。比如CS项目的6台风机之间用埋地电缆连接，线路终端再通过项目的开关站直接并到22.9kV中压架空线路，最后连接到20多公里外的GIS升压站连接到154kV的大电网。韩国本地电网的特殊要求是风机出口并网必须采用Y-Y（星-星）连接，因为中压电网就是Y-Y连接，任何设施直连中压电网必须要满足其电压、频率等特性完全匹配。而通常的风机侧变压器绕组设计一般采用Y-△（星-三角）连接，主要考虑是把谐波消除在三角形连接的绕组中，这样对风机和对电网都是一种保护。西门子歌美飒公司应对客户的特殊需求，提出了两种应对方案：一是改造原先塔筒内的变压器，从Y-△变成Y-Y;二是把变压器和环网柜放置在塔外形成安全的升压开关亭，外置变压器直接采用Y-Y。由于原装变压器是在欧洲工厂生产，改造费用高昂，经实地考察，最终与韩国本地知名的电气工程公司LSIS合作，采购LS设计生产的Ynyn0d11变压器，并配合韩国电网的试验要求，满足了项目业主和当地电网的所有需求。
电气系统的设计及选型涉及到很多复杂计算，安全性上的一个核心指标就是短路电流的计算。本文对于具体的变压器设计和施工不再详述，重点讨论工程设计中电力系统的短路电流的计算和校核，从安全性上保证我们的设备选型的科学合理，同时满足当地电网的特殊要求。经过比对韩国现行的电网标准，我们发现它基本匹配国际IEC标准。比如对于系统短路电流计算，IEC60969都通用于本地要求。
2 系统参数计算及假设
首先，我们选取系统单线图（见后图1）.
通过研究CS项目的电气系统单线图，我们得知远端汇流站及系统基本参数如下：
基准容量：Sj = 100 MVA;高压侧（154kV）基准电压：U1j = 154 kV;中压侧（22.9kV）基准电压：U2j = 22.9 kV;基准电压：U3j = 22.9 kV。
短路节点的短路电流计算时间t都设为0秒。
系统编号从XT1到XT6是系统中各风机及电气设备节点，其单相短路容量：
= 3.2 MVA;而編号xt1为网侧节点，其单相短路容量：
= 1e+008 MVA。 对于双绕组变压器，编号ZB0为远端汇流站升压变，其电压：154/22.9 kV，型号：S/S MTR，额定容量：Se = 45000 MVA，短路电压百分比：Ud% = 10.5，中性点接地电阻未知，正序阻抗标么值：
= 0.2333，零序阻抗标么值：=0;
风机侧变压器编号从ZB1到ZB6，电压：22.9/0.69 kV，型号：DKCS-1200/10.5-200/0.1，额定容量：Se = 3400 MVA，短路电压百分比：Ud% = 7，中性点接地电阻Z未知，正序阻抗标么值：
= 2.0588，零序阻抗标么值都等于0。
对于线路，编号为L1的特指从风场到汇流站的外部线路。电压：Ue = 154 kV，型号：2xLGJ-400/20+4xLJ-185，截面：S = 400 mm2，根数：n = 1，正序阻抗：X1 = 0.4Ω/km，零序阻抗：X0 = 1.4Ω/km，X0/X1：3.5，长度：L = 25 km，正序阻抗标么值：
= 0.0422，零序阻抗标么值：
= 0.1476。
3 短路电流计算
首先我们绘出系统等值简化阻抗图（见后图2，3，4）。
4 结论
（1）分析了韩国风电项目分布式能源的具体要求。详细对电力系统的短路电流计算进行了验证。
（2）经验算，CS项目154kV侧三相短路电流为11.744kA，单相短路电流为6.379kA。22.9kV侧三相短路电流为12.601kA，单相短路电流为1.633kA。在和韩国业主和本地供应商LS充分沟通后，CS项目22.9kV侧设备短路电流水平按21kA进行电气选择，这也是韩国常规中压设备短路电流的常用配置，完全满足本工程要求。
（3）综合来说，LS该款变压器针对韩国用户的特殊的要求，在安全性保障方面很好地满足了可靠性及经济性的需求，对于日后韩国类似工程起到了范本效用。
参考文献
[1] 杨彬，同向前，刘健，等.含分布式电源配电网的短路电流计算方法研究 [J].电网技术，2015，39（7）：1977-1982.
[2] Insu Kim. Steady‐state short‐circuit current calculation for internally limited inverter‐based distributed generation sources connected as current sources using the sequence method [J].WILEY. International Transactions on Electrical Energy Systems， 2019， 10.1002/2050-7038.12125：1-16.
[3] 陈红梅.220kV智能变电站电气设计 [D].哈尔滨 哈尔滨工业大学，2015.
[4] 候世勇，董景义，李杰. 变压器短路电流分析计算 [J].变压器，2012，49（10）：1-6.
[5] 鞠伟.大安中广核安广风电场电气一次系统研究及设计 [D].长春 长春工业大学，2018.
[6] 李龙女，张雅倩，李岩，等.带平衡绕组的分列式变压器短路电流计算分析 [J].电力系统及其自动化学报，2019，31（3），69-75.
[7] 杨金刚，何成明，李顺昕，等.短路电流计算外网等值方法研究及应用 [J].中国电力，2018，51（12），56-62.
[8] 熊友红，邱军，赵建刚，等.短路电流计算在电力系统事故分析中的应用 [J].冶金动力，2020，241（3），8-11.
[9] 王寓，王主丁，张宗益，等.国内外常用短路电流计算标准和方法的比較研究 [J].电力系统保护与控制，2010，38（20），148-152.
[10] 黄冠标.基于IEC60909标准的短路电流计算软件设计 [D].广州 华南理工大学，2015.
[11] 肖鑫鑫.计及分布式电源的配网潮流和短路电流计算研究 [D].上海 上海交通大学电子信息与电气工程学院， 2008.
[12] 陈博，邱建，曾耿晖，等.计及阻抗匹配平衡牵引变压器的电网短路计算方法 [J].电力系统保护与控制，2016，44（13），33-39.
[13] Energy - Wind Farms; Researchers from Hohai University Report Findings in Wind Farms （A Practical Short-circuit Current Calculation Method for Dfig-based Wind Farm Considering Voltage Distribution） [J]. Energy Weekly News，2019.
[14] 邱丽萍，张彦涛，王蒙，等.适用于交流长线路的动态相量时域短路计算方法研究 [J].中国电机工程学报，2019，39（13），3736-3743.
作者简介：罗斌 男，（1975-），男，工程师，硕士。研究方向：新能源能电力工程。