【风电场电气设计标准化】朱永强风电场电气工程
海南三亚
风电场工程电气设计标准化
王郡华
河北石家庄河北电力勘测设计院050031摘要:从主接线形式、设备选型、配电装置选择、电气总平面布置、风电场特殊问题考虑等方面阐述和规范了风电场及升压站的设计方案。优化后的方案不仅安全、经济、合理，而且通用性强，可大大提高设计效率。
风力发电站工程设计的标准化
摘要:本文重点介绍了风力发电站和升压站，并提供了设计方案。对单线形式、主要设备选择、配电装置选择、电气总平面布置、风电场特殊问题等各个方面进行了详细描述和规范。优化后的方案不仅安全、经济、合理，而且通用性强，可以大大提高设计效率。关键词:风力发电站升压站设计项目标准化
简介:
目前国内风电项目井喷。为了保证设计质量和进度，进行标准化设计势在必行。笔者在设计实践中对标准化设计进行了尝试，愿与各位专家共勉。如有不足之处，欢迎批评指正。
1.风力发电场:
1.1连接形式的标准化
风电场的接线统一采用一机一变的单元接线形式，不仅运行灵活可靠，在布局上也易于实现。高压侧采用不接地系统，低压侧采用中性点直接接地系统。风电场一般采用35kV集电线路接入升压站。风机和箱式变压器的380/220V现场电源取自各自的干式变压器，单母线配置。开放式变压器不需要380/220V电源、恒温器等二次元件。
1.2设备选型标准化
根据经验，短路电流水平:
根据选择，风电场风机出口(或升压至低压侧)为20kA升压变压器高压侧按31.5kA (1)风力发电机组升压变压器选择风力发电机组升压变压器采用空载油浸双绕组变压器，电压等级一般为35kV/0.69kV，接线组别为D，YN11。一般可分为敞开式变压器和箱式变电站两大类。敞开式变压器价格相对较低(与箱式变电站相比)，但安装面积大，安装周期长，需要定期维护，高低压侧设备安装复杂。箱式变电站具有结构紧凑、完备性强、运行可靠、免维护、外形美观等优点。尤其具有占地面积小、选址灵活、移动方便、建站周期短等突出效果。风力发电机组的升压变压器推荐采用箱式变电站。(2)高低压侧设备的选择敞开式变压器的高压侧有跌落保险、避雷器和断路器保护。箱式变电站高压侧采用负荷开关、熔断器和避雷器保护，低压侧采用断路器保护。以下是敞开式和箱式变电站的接线图。
2008中国风力发电技术研讨会会议论文——“第七讲”
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1.3布局的标准化
一般风机与线路铁塔的距离为25m左右。升压变压器(或箱式变压器)布置在风力发电机组10m以外，可以保证塔架和叶片的安全提升距离。还可以避免风机维修时，工作人员从机舱放下的吊绳在风力或其他外力的作用下摆动后的安全距离；还可以防止雷电对变压器(箱式变压器)的回击。如果把升压变压器(或箱式变压器)放在输电线路的架空线下，如果紧挨着杆塔，会导致线路引起的雷击反击，如果稍微远离杆塔，会与杆塔的倾斜电缆发生碰撞，增加低压电缆的消耗。高压侧通过导线T直接接入架空线，跳线一般在十几米甚至二十几米，风摆很厉害，经常把T型线夹拽掉，增加了杆塔受力。因此，这种布置方案并不合适。升压变压器(箱式变压器)的推荐布局见下图。变压器的低压侧通过电缆连接到风扇电源柜。变压器的高压侧用电缆沿杆塔引上来，再用短导线t接在架空线上。
具体布置要求如下:(1)α为升压变压器(箱式变压器)中心点与风机中心点连线与真北方向的顺时针旋转角度(这与施工单位定位器显示的角度一致，便于施工)。(2)15m是升压变压器(箱式变压器)的中心点到风机中心点的距离。(3)升压变压器(箱式变压器)
2.升压站部分:
2.1接线形式标准化
西北地区风电资源丰富，电网薄弱。风电局部接入电网会对系统的稳定性造成威胁。设计一般采用500kV高压输电，分级用电的原则。本文不考虑该地区的工作条件。220kV或110kV主接线:西北以外大部分地区的风电场，一般采用220kV或110kV本地接入系统。升压站高压侧一般只有1回路线。升压站高压侧有1回路线时，采用单母线配置。升压站高压侧有2回线路时，采用单母线分段接线，不仅接线简单明了，而且操作简单。并且操作的可靠性和灵活性也很高。35kV接线:低压一般为35kV，建议采用单母线型。据了解，目前主变压器和电气设备三年才检修一次，一天之内就能检修完毕。将来，大修间隔可能会延长。35kV母线不分段，对运行可靠性影响不大，但。
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但减少了双侧开关柜或1分段间隔的投资。380V/220V接线:220kV变电站采用单母线分段；110kV变电站采用单母线连接线路。
2.2设备选型的标准化
短路电流水平:风电场的短路电流由风电场自身和系统提供。根据经验，选择设备的短路电流可规定如下:对于220kV/35kV变电站，220kV母线选择为40kA35kV母线按31.5kA选用，110kV/35kV变电所:110kV母线按31.5kA选用:35kV母线按31.5kA (1)选用，主变压器选用常规2绕组变压器，接线组别为YN，d 65433传统形式不仅成本低，而且结构简单，性能可靠。主变压器的35kV等级不考虑接入Y型。增加了第三平衡绕组的非标准类型。对于电容电流超标的问题，不需要在主变压器中性点加装电阻或灭弧装置。考虑在35kV母线上增加一套完整的消弧消谐装置。下面电容电流超标的特殊问题中也有描述。(2)220kV设备选择(220kV/35kV变电站)220kv断路器考虑SF6。220kV隔离开关首先采用GW7型，220kV电流互感器采用油浸式。以上选择的都是成熟产品，不仅价格低，而且运营经验丰富。而且，它的可靠性也很好。220kV隔离开关首先采用GW7型，可以使配电装置更加紧凑，节约用地。选择GW7型，220kV间隔宽度为13m。如果选择GW4型，间隔宽度需要为15m。(3)110KV设备(110kV变电站)和110kV断路器的选择考虑SF6。
110kV隔离开关先采用GW4型，110kV电流互感器采用油浸式。以上选择的都是非常成熟的产品，不仅价格低，而且它的可靠性也非常好。(4)35kV设备的选择220kV/35kV变电站和110kV/35kV变电站，35kV选用手车式开关柜。手车式开关柜比固定式开关柜小，可以减少建筑面积。且维护方便。目前，国产35kV手车开关柜是性能稳定的成熟产品。(5)无功补偿部分的选择考虑了动态无功补偿装置。可在其容量范围内进行线性或梯级自动调节，更适合风电场多变的工况，有效解决大规模风电场接入电网带来的不利影响，提高风电场送出的电能质量。
2.3配电设备形式的标准化
220kV或110kV配电装置:在地震烈度低于8度的地区，采用室外支撑管母线和中型配电装置方案。该方案具有结构简单、操作维护方便、布局清晰、用钢量少等优点。35kV配电设备:建议采用室内开关柜形式。与室外敞开式相比，推荐的室内开关柜方案占地少，安装周期短。
2.4电气总平面布置的标准化
220kV(或110kV)和35kV配电装置布置方向相反，主变压器布置在中间。220kV(或110kV)配电装置采用双排布置，不仅使布局紧凑，布线顺畅，而且减少了材料用量。总平面布置的优化可以节约土地。
三
2008年中国风力发电技术发展研究报告
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3.风电场的特殊问题——分类和标准化处理
标准化3.1“单相接地电容电流超标”
根据规定，35kV单相接地电容电流允许值为10A。35kV集电线路采用架空线时，单相接地电容电流可达十几安培甚至几十安培。35kV集电线路使用电缆时，单相接地电容的电流可达数百安培甚至更高。这里考虑的解决方案是在35kV低压母线的每段上安装“成套消弧消谐装置”。目前“成套消弧消谐装置”是国内比较成熟的产品，既解决了弧光过电压问题，又避免了谐振过电压，使系统安全稳定运行。
通用接地装置用于保护接地。接地体先利用风机基础作为自然接地体，再铺设人工接地网，满足接地电阻要求。主接地网采用水平接地网为主、垂直接地网为辅的复合接地网。风电场水平接地网和设备接地引下线采用-60×6热镀锌扁钢。利用φ60热镀锌钢管作为垂直接地体。风机升压变压器(或箱式变压器)接地网采用水平接地网为主接地网，垂直接地网为辅接地网的复合接地网。-60×6热镀锌扁钢和φ 60热镀锌钢管作为垂直接地体。风机升压变压器和风机升压变压器的接地网可以连成一个整体。但不与线路杆塔接地网相连，以避免雷击线路的雷电通过线路杆塔接地网打回变压器。具体如下:a)风机、变压器、变压器中性点通过* * *电网接地。变压器主接地网与风机外环接地网之间的连接扁钢长度应大于15m。它可以防止击中风扇叶片接闪器的雷电通过风扇的接地网打回变压器。b)当一组风机和变压器的接地网不满足4ω的电阻要求时，可与相邻的风机和变压器接地网连接，连接次数不限。直到满足要求，连接材料采用两根-60×6热镀锌扁钢。一般两到三台风力发电机就能满足要求。当两台或三台风机连接，不满足接地电阻要求，且与其他风机距离较远时，可采用附加射线降低电阻。风电场的接地意图如下:
3.2风电场接地问题解决方案的标准化
建在海边或土壤腐蚀钢铁的地区的风电场的接地材料是铜。建在草原或沙漠上的风电场土壤对钢材无腐蚀性，接地材料为钢材。建在草原或沙漠上的风电场土壤电阻率一般都很高，高达数百欧姆甚至数千欧姆。正常方法制作的接地网很难满足风机小于4欧姆的要求。风电场的实际解决方案如下:风机的接地:风机的工作接地。
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3.3升压站接地方案标准化
建在海边或土壤对钢材有腐蚀性的地区的升压站和GIS配电区的接地材料为铜。对于建在草原或沙漠上的升压站，土壤一般对钢材无腐蚀性，接地材料为钢材。对于建在草原或沙漠上的升压站，土壤电阻率一般较高。它高达几百欧姆甚至几千欧姆。常规方法制作的接地网很难满足升压站小于0.5欧姆的要求。解决方案如下:升压站接地网采用水平接地网为主网，垂直接地网为辅网的复合接地网。110kV升压站水平接地网采用-60×6热镀锌扁钢，设备引下线采用-60×。利用φ60热镀锌钢管作为垂直直接接地体。220kV升压站水平接地网采用-60×8热镀锌扁钢，设备引下线采用-80×8热镀锌扁钢，垂直接地体采用φ60热镀锌钢管。当电阻要求为0.5ω时，可根据实际情况采取相应措施。一般措施包括:扩大电网、引入接地体、换土。
3.4选择"动态无功补偿装置形式"标准化。
推荐“磁控动态无功补偿装置”类型，并推广标准化。由于风电输出的不稳定性，要求的无功功率不是一个定值，需要根据风机的输出自动调节。传统的电容器组已经不能满足工况的需要。必须选择动态无功补偿装置。目前市场上常见的有三种形式:磁控动态无功补偿装置、调压动态无功补偿装置和相位控制。
型动态无功补偿装置。磁控动态无功补偿装置的原理是:磁控电抗器采用DC辅助磁化的原理，利用附加的DC励磁磁化来改变铁芯的磁导率，实现电抗值的连续调节，从而调节电抗器的输出容量，实现无功功率的灵活补偿。其内部结构为全静态，无运动部件，工作可靠性高，可实现快速平滑调节。响应时间为100-300 ms，补偿效果满足风电场条件要求。磁控电抗器由低压晶闸管控制，其端电压仅为系统电压的1% ~ 2%，安全可靠，无需串联或并联，不易被击穿。设备本身谐波含量小，不会对系统造成二次污染。占地面积小。安装和布置方便。该装置投入运行后，功率因数可达0.95以上，消除了电压波动和闪变，三相平衡符合国际标准。价格适中。首先推荐。调压动态补偿装置的原理是:利用电压调节器改变电容端电压的输出。根据Q=2πfCU2，改变电容器的端电压来调节无功输出，从而改变无功输出容量来调节系统功率因数。目前装置的输出能力从(100-36)%可分为九个等级。装置是分级补偿方式，容易造成过补偿和欠补偿。由于调压变压器的分接开关为机械过动，响应时间较慢(4s)，不能及时跟踪系统的无功变化和电压闪变，补偿效果较差。然而，它比传统的电容器组好得多。在电压调节过程中，
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差，但便宜，目前有一定市场，但不是理想形态，只是过渡阶段的产物，不推荐。相控动态无功补偿装置的原理是基于相控原理的可控电抗器的调节原理如下图所示。通过控制可控硅的导通时间，控制角为α，电流的基波分量随着控制角α的增大而减小，控制角α可以在0° ~ 90°范围内变化。
相控原理图优点:响应速度快≤40ms，适用于冶金行业。缺点:晶闸管长时间在高电压大电流条件下运行，容易被击穿，维护困难；谐波电压污染电网需要配套的滤波装置，占地面积大，价格昂贵。风力条件下不建议使用。
3.5风电场高海拔考虑的标准化
当海拔高度为2500米≥H & gt；当65438+4000m ≥H >时，有必要修改电气设备的外绝缘，并选择高海拔产品。修正系数的计算公式为:Ka = 1/(1.1-0.0001h)，H为设备安装地点的海拔高度，单位为m .海拔高度为40时，在2500米处，建议220千伏和110千伏配电装置采用GIS。SF6气柜用于35kV配电装置。
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4.结束语
以上是作者在设计过程中积累经验的总结和提炼。愿与同行交流，为风电场标准化设计贡献自己的力量。备注:论文题目编号为“(7)”。
作者联系方式:河北省电力勘测设计院电话:0311-87912590邮箱:新能源工程系【1 * * * * * *】王郡华，风力发电与电力专业。
传真:0311-87912580
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