论文部分内容阅读
【摘 要】目前风电场电气设计与传统发电厂设计的原理相同，但传统的设计方法不一定适合风电场运行需求。所以必须针对风电场电气主接线设计的进行改进。针对风电场电气主接线进行设计和优化，通过对风机的分组和连接方式、风电场集电线路方案、风电场短路电流计算及设备选取等的问题进行深入的计算与讨论，提出一套适用于风机分组连接、集电线路设计的可行方案。
【关键词】风能；链形；接入系统；
【中图分类号】TM761【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0302-01
风能是一种无污染的可再生能源。随着各国对全球温室气体排放问题解决的紧迫性和传统化石能源供应的日趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生的发电方式，也是新能源发电技术中最成熟和最具规模的发电方式之一，已经越来越多受到世界各国的重视。在过去的几年间，风电发展规模不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源的地位。截至2011年底全国风电装机容量已达到6200万千瓦，连续三年增长率超过100%。
一、风电场电气主接线的设计
风电场电气主接线的设计主要分以下几种：风力发电机组升压方式、风电场集电线路选择、风力发电机分组及连接方式、风电场无功补偿等。风力发电机组升压：现国内外风力发电机组出线电压多为690V/620 V，若直接汇总并接入风电场的总升压站，则电能损耗过大，且导体的截面过大，无法满足现场的安装要求，因此，须将电压升高至35kV或10kV才能接入总升压站。但从年运行费用上比较，在经济输送容量的范围内，35kV方案线损较小，且维护工作较少。因此，现国内外风力发电机组升压多采用35kV方案。国外也有实验将风机直接升压至110KV，不经过整个电厂的主变整合与电网相连接。但是这样的结果却是会导致风机的频繁脱网、并网，最终，会使电网不稳定，也使得风机的总发电量降低 ，风电上网困难。
二、风电场集电线路的选择
风电场接线集电线路结构共有5种常用方案，链形结构；单边环形结构；双边环形结构；复合环形结构；星形结构。链形是目前已建风电场中用的最多的一种连接方法，结构简单，成本不高，其基本思想是将一定数目的风力发电机（包括其附带升压变压器）连接在一条线路之上。此种连接方式的主要问题是每条链上的风机数目受到地理位置、线路长度、线路容量等参数的限制。环形设计比链形需要的线路规格更高、长度更长，因此成本较高，但因其能实现一定程度的冗余，可靠性较高。其中，单边环形结构是将链形中每串尾部的风力发电机通过线路接回汇流母线；双边环形结构是将链形中两相邻串的尾部风力发电机相连；复合环形结构是将单边和双边两种环形相结合并改进的一种结构。
风电场集电线路选择方面，一般采用架空线或电缆敷设两种。由于风电场年利用小时数较低，检修线路对发电量造成的损失较小，在考虑建设成本、施工难度、运行成本等诸多因素后，大多风电场集电线路均选用架空线路接线方案链形结构。但介于我国的相关规定及现状，现也有部分地区采用电缆敷设方案。风力发电机分组多为靠风机的排布位置、并结合现场施工的便捷性制定。大多数情况下，要尽量使风机均匀的分部到各个集电线路上，以免造成风场运转时由于各条支路电量不均而造成的冲击。合理的进行风机分组可以使风电场电缆或架空线等导体投资尽量节省，使主接线方案优化。
三、风电场无功补偿
在目前已经建成和在建的风电工程中，35kV母线无功补偿方式主要有，固定投切电容器组补偿方式及降压式动态无功补偿方式。目前国家相关技术规定都要求优先选用动态无功补偿装置方式。此种无功补偿装置主要是采集母线上的电压、电流，通过连续调节其自身无功功率来实现的，来补偿母线上的无功功率。比如一个容量为100风电场，升压站内主变容量为100MW，无功补偿的调节范围为（0—12000）kvar。
现设计的单个49.5MW风电场大多使用单机容量为1500kW的风力发电机组33台。升压站内新建63MVA主变压器一台、配套相关35kV高压配电装置、220kV/110 kV/66 kV配电装置、无功补偿装置；三回集电线路通过35kV架空线至升压站，线路总长约28km。电能输出采用220kV架空线路。电能由风电场升压站经红泥井变电站往九原中心变电所送出。介于风电场的容量较少，且配有一个主变的情况，宜选用单母线接线方。此方式有着接线简单清晰，设备少，操作简单和便于扩建的优点，适用于此电场的主接线设计方式。根据该风电场的现场情况及平均分组的原则，现将风机分为3组。每组为11台。风电场的风机分组及连接方式采用链形（放射形）。风机输出电压为690V，因此需要为风机提供箱式变压器以达到集电线路的额定电压，具体数据。
四、直埋电缆与架空电缆
风电场的风机至中心升压站之间的集电线路有直埋电缆和架空线路两种方案可供选择，下面将从经济和技术两个方面对这两种方案进行比较。架空线路由于采用架空导线，导线裸露在空气中，受周围环境影响较大，可靠性较低；架空线对地电容较小，发生单相接地故障时，电容电流较小，并且发生单相接地故障通常以瞬时故障为主，因此可以采用中性点不接地或采用消弧线圈接地方式，以减少机组无为跳闸的可能性；架空线相同截面导线载流量比电缆大得多，设计采用架空线则导线截面积可以选的较小。但是在一些地区如山脊风电场由于风速较大，采用架空线方案时对铁塔的要求较高，造价也增加较多，可靠性也相应下降。还有在一些地区涉及到横跨公路、铁路等，施工难度加大。
直埋电缆由于埋设在地下，不受周围环境影响，可靠性较高；电缆对地电容较大，发生单相接地故障时，电容电流较大，并且发生单线接地故障通常以永久故障为主，因此不可以采用中性点不接地方式，只能采用消弧线圈接地或电阻接地方式，无形中降低了可靠性；电缆相同截面导线载流量比架空线小得多，如采用电缆则导线截面积要大一些，且需选择三根电缆。
直埋方案远比架空线方案价格要高。因此，架空线方案经济上优越得多，技术上也可以达到要求，电缆方案需要较大投资。但在一些设计中则优先考虑电缆方案，如：沿海风场，海上风场及风力影响较大的地区。
五、结束语
针对风电场电气主接线进行设计和优化，通过对风机的分组和连接方式、风电场集电线路方案、目前风电场电气设计与传统发电厂设计的原理相同，但传统的设计方法不一定适合风电场运行需求。本文对风电场接入系统以下几个方面进行了优化：风电场短路电流计算及设备选取等的问题进行深入的计算与讨论，提出一套适用于风机分组连接、集电线路设计的可行方案。
参考文献
[1] 宁联辉，王锡凡，滕予非，刘奎，宋卓彦，朱卫平.风力发电经分频输电接入系统的实验[J].中国电机工程学报，2011，21：9-16
[2] 董锴，易仕敏，郑钢，廖鹏.风力发电研究现状与接入系统后的影响分析[J].广东电力，2009，09：17-20
[3] 刘月强.风力发电研究现状与接入系统后的影响分析[J].科技创新与应用，2012，25：176
[4] 吴学光，张学成，印永华，戴慧珠. 异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用[J].电网技术，1998，06：70-74
[5] 王兴刚.风电场接入系统设计中的电压稳定性分析[A].云南电网公司、云南省电机工程学会.2010年云南电力技术论坛论文集（优秀论文部分）[C].云南电网公司、云南省电机工程学会：，2010：5
【关键词】风能；链形；接入系统；
【中图分类号】TM761【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0302-01
风能是一种无污染的可再生能源。随着各国对全球温室气体排放问题解决的紧迫性和传统化石能源供应的日趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生的发电方式，也是新能源发电技术中最成熟和最具规模的发电方式之一，已经越来越多受到世界各国的重视。在过去的几年间，风电发展规模不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源的地位。截至2011年底全国风电装机容量已达到6200万千瓦，连续三年增长率超过100%。
一、风电场电气主接线的设计
风电场电气主接线的设计主要分以下几种：风力发电机组升压方式、风电场集电线路选择、风力发电机分组及连接方式、风电场无功补偿等。风力发电机组升压：现国内外风力发电机组出线电压多为690V/620 V，若直接汇总并接入风电场的总升压站，则电能损耗过大，且导体的截面过大，无法满足现场的安装要求，因此，须将电压升高至35kV或10kV才能接入总升压站。但从年运行费用上比较，在经济输送容量的范围内，35kV方案线损较小，且维护工作较少。因此，现国内外风力发电机组升压多采用35kV方案。国外也有实验将风机直接升压至110KV，不经过整个电厂的主变整合与电网相连接。但是这样的结果却是会导致风机的频繁脱网、并网，最终，会使电网不稳定，也使得风机的总发电量降低 ，风电上网困难。
二、风电场集电线路的选择
风电场接线集电线路结构共有5种常用方案，链形结构；单边环形结构；双边环形结构；复合环形结构；星形结构。链形是目前已建风电场中用的最多的一种连接方法，结构简单，成本不高，其基本思想是将一定数目的风力发电机（包括其附带升压变压器）连接在一条线路之上。此种连接方式的主要问题是每条链上的风机数目受到地理位置、线路长度、线路容量等参数的限制。环形设计比链形需要的线路规格更高、长度更长，因此成本较高，但因其能实现一定程度的冗余，可靠性较高。其中，单边环形结构是将链形中每串尾部的风力发电机通过线路接回汇流母线；双边环形结构是将链形中两相邻串的尾部风力发电机相连；复合环形结构是将单边和双边两种环形相结合并改进的一种结构。
风电场集电线路选择方面，一般采用架空线或电缆敷设两种。由于风电场年利用小时数较低，检修线路对发电量造成的损失较小，在考虑建设成本、施工难度、运行成本等诸多因素后，大多风电场集电线路均选用架空线路接线方案链形结构。但介于我国的相关规定及现状，现也有部分地区采用电缆敷设方案。风力发电机分组多为靠风机的排布位置、并结合现场施工的便捷性制定。大多数情况下，要尽量使风机均匀的分部到各个集电线路上，以免造成风场运转时由于各条支路电量不均而造成的冲击。合理的进行风机分组可以使风电场电缆或架空线等导体投资尽量节省，使主接线方案优化。
三、风电场无功补偿
在目前已经建成和在建的风电工程中，35kV母线无功补偿方式主要有，固定投切电容器组补偿方式及降压式动态无功补偿方式。目前国家相关技术规定都要求优先选用动态无功补偿装置方式。此种无功补偿装置主要是采集母线上的电压、电流，通过连续调节其自身无功功率来实现的，来补偿母线上的无功功率。比如一个容量为100风电场，升压站内主变容量为100MW，无功补偿的调节范围为（0—12000）kvar。
现设计的单个49.5MW风电场大多使用单机容量为1500kW的风力发电机组33台。升压站内新建63MVA主变压器一台、配套相关35kV高压配电装置、220kV/110 kV/66 kV配电装置、无功补偿装置；三回集电线路通过35kV架空线至升压站，线路总长约28km。电能输出采用220kV架空线路。电能由风电场升压站经红泥井变电站往九原中心变电所送出。介于风电场的容量较少，且配有一个主变的情况，宜选用单母线接线方。此方式有着接线简单清晰，设备少，操作简单和便于扩建的优点，适用于此电场的主接线设计方式。根据该风电场的现场情况及平均分组的原则，现将风机分为3组。每组为11台。风电场的风机分组及连接方式采用链形（放射形）。风机输出电压为690V，因此需要为风机提供箱式变压器以达到集电线路的额定电压，具体数据。
四、直埋电缆与架空电缆
风电场的风机至中心升压站之间的集电线路有直埋电缆和架空线路两种方案可供选择，下面将从经济和技术两个方面对这两种方案进行比较。架空线路由于采用架空导线，导线裸露在空气中，受周围环境影响较大，可靠性较低；架空线对地电容较小，发生单相接地故障时，电容电流较小，并且发生单相接地故障通常以瞬时故障为主，因此可以采用中性点不接地或采用消弧线圈接地方式，以减少机组无为跳闸的可能性；架空线相同截面导线载流量比电缆大得多，设计采用架空线则导线截面积可以选的较小。但是在一些地区如山脊风电场由于风速较大，采用架空线方案时对铁塔的要求较高，造价也增加较多，可靠性也相应下降。还有在一些地区涉及到横跨公路、铁路等，施工难度加大。
直埋电缆由于埋设在地下，不受周围环境影响，可靠性较高；电缆对地电容较大，发生单相接地故障时，电容电流较大，并且发生单线接地故障通常以永久故障为主，因此不可以采用中性点不接地方式，只能采用消弧线圈接地或电阻接地方式，无形中降低了可靠性；电缆相同截面导线载流量比架空线小得多，如采用电缆则导线截面积要大一些，且需选择三根电缆。
直埋方案远比架空线方案价格要高。因此，架空线方案经济上优越得多，技术上也可以达到要求，电缆方案需要较大投资。但在一些设计中则优先考虑电缆方案，如：沿海风场，海上风场及风力影响较大的地区。
五、结束语
针对风电场电气主接线进行设计和优化，通过对风机的分组和连接方式、风电场集电线路方案、目前风电场电气设计与传统发电厂设计的原理相同，但传统的设计方法不一定适合风电场运行需求。本文对风电场接入系统以下几个方面进行了优化：风电场短路电流计算及设备选取等的问题进行深入的计算与讨论，提出一套适用于风机分组连接、集电线路设计的可行方案。
参考文献
[1] 宁联辉，王锡凡，滕予非，刘奎，宋卓彦，朱卫平.风力发电经分频输电接入系统的实验[J].中国电机工程学报，2011，21：9-16
[2] 董锴，易仕敏，郑钢，廖鹏.风力发电研究现状与接入系统后的影响分析[J].广东电力，2009，09：17-20
[3] 刘月强.风力发电研究现状与接入系统后的影响分析[J].科技创新与应用，2012，25：176
[4] 吴学光，张学成，印永华，戴慧珠. 异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用[J].电网技术，1998，06：70-74
[5] 王兴刚.风电场接入系统设计中的电压稳定性分析[A].云南电网公司、云南省电机工程学会.2010年云南电力技术论坛论文集（优秀论文部分）[C].云南电网公司、云南省电机工程学会：，2010：5