风电场电气主接线设计及优化

2019-11-28

福建质量管理 2019年21期

(沈阳工程学院辽宁沈阳 110136)

绪论

世界各地的风力发电越来越多,发展利用风力发电的首端减少，乃至铲除依赖,都具备十分重要的意义[1]。目前，我国的风力发电技术正在不断的完善和进步，近几年来，单个风机的装机容量每年都在增加的趋势走。最大值可达到750KW[2]。清洁能源在造电场的时候相对应的也会有很多污染的存在。例如，风电场选址的过程中，会因为选址而带来的对植物和生态环境的破坏以及架空线路对山谷的影响。其中产生的工业污染对动植物以及人类造成的伤害都是难以预计的[3]。早年间的风电场，由于技术不够成熟，对环境保护的意识甚小，以及各种装备不够成熟，一般的风电场占地面积大，但是实际的有效利用面积小，导致的土地资源的浪费，而且我们陆地上的风电场主要以山谷居多，这样就给架空线路留下了不小的隐患，也给施工带来了很大的难度。而且资金浪费的比较多，因此，设计一个好的风电场选址是极为重要的。

表1 成本投资表

本文设计的风电场由33台EN87-1500型风力发电机组成。额定功率为1.5MW，风功率密度为355.45w/m2。此种风机的切入风速为3m/s，额定风速为11.5m/s，风机等级为IECS。电机型式为4极双馈发电机，电机输出电压为690V，工频50HZ。设计风电场风机出口电压为0.69kv，风场内部的电压为35kv，升到66kv的输电线，并到国家电网或直接到用户[4]。

一、设计风电场介绍

河北省张家口市于东经113°50′～116°30′，北纬39°30′～42°10′，地形坡度多在5～35°，属寒温带大陆性季风气候。本文设计的风电场采用1.5兆瓦级的风力发电机组[3]。共有33台风机，分三条线路，工期为一期。总装机容量为49.5兆瓦。集电线路采用35kv的线路，风电场集电采用35KV线路。风电厂有主变压器两座，电能输出采用66KV架空线路[5]。

二、风电场与常规发电厂的区别

1.风力涡轮机体积小，一般为1.5 MW或2MW，火力发电厂的单机容量比风力涡轮机的容量大。

2.风力发电机的出口电压低。一般来说，我们常规的风力发电机的出口电压大多为0.69kv。但是如何提升到35kv，这就需要一个变压器，通常称为箱式变压器，由于风的不稳定性，所以一个风力发电机就要有个变压器链接来直接升压。但是传统能源的发电技术的成熟，大多火电厂都不需要箱式变压器来升压。

3.由于气候的不稳定，风具有很强的波动性，导致风电场需要无功补偿装置，来对输出电压的上下幅值进行补偿。

由于风力发电机组的独立容量低，位于远程，分布式，所以主接线设计需要多个风扇，采集线连接到35kv电网，火电厂独立运行能力一般高达数百兆瓦，所以不喜欢风电场的主要布线设计需要几倍的收集线。

传统的发电场的出口电压多为6-25kv，而风力发电机的出口电压为0.69kv，所以在设计风电场的时候对变压器的要求更为严格。而在设计传统电场的时候就没有风电场设计的限制。

三、主要设备选型

风电厂主要设备包括主变压器，箱式变压器，以及载流导体。

每个电场都有升压的变压器，主要作用是经过风机的出口电压升高后再升高到输电线路里，或者并入电网。风电场的总容量为16.5MW.所接电网电压为35kV，输电线路电压为66kv。风力发电机组发电通过箱式变压器升压到35kv，再由主变压器升压到66kv的输电线路上。

由于此次设计的主变压器容量应为50MVA，根据资料选型，本次采用了SZ11-50000/66的型号。

箱式变压器主要有两种，一个欧式变压器，和美式变压器。我国更为常用的是欧式变压器。可以直接向用户提供电源。本次设计选用的接进35kv，由风机的出口电压0.69kv。本次设计的由风机出口的0.69kv电压升到35kv的箱式变压器的选型

现选择由远景集团出产的EN87-1500型1.5MW风冷双馈风力发电机,具体数据如表:

表2 风力发电机参数表

风力发电场大多在偏僻的地区。本次设计的风电场总装机容量为49.5MW。一共分3组的33台风力发电机。单台装机容量为1.5MW。一般在1800～2500小时。

风电场的位置大多比较分散，风向不确定，有着较强的不稳定性。风力发动机和箱式变压器的关系是一机一变单元接线方式，风力发电机的出口电压为0.69伏，经电缆送至配电箱(变压器)，升压至35kV接到35kV集电线路上。

设计33台风力发电机组，箱式变压器升压到35kv，一机一箱式，每条线路带11台风力机，每个风机为1.5MW，系统总装机容量共为49.5MW。由主变压器升压到66kv，送到输电线路上，在并入电网中，系统等效简图如下：

本次设计在A,B,C,F,预设计隔离开关，由A,B,C,处，可设计为手车式断路器，故不需要隔离开关。断路器的好坏，直接决定了整个系统是否有着良好的保护和安全功能。所以本文设计采用计算方法来确定断路器的型号。

由计算可知E点的电流约为174A，根据电气系统简图可得，UN=66KV,I=0.175kA。根据实际情况布置要求寻找最佳型号，初步选型确定为SW2-66/630型户外高压少油断路器,SW2-66/630型户外高压少油断路器的额定技术数据为:UN=66kV,IN=630A,额定开断电流为Ibr=6.6kA,动稳定电流imax=17kA,热稳定电流(及时间)It=6.6kA(4S),固有分闸时间tg=0.06s,燃弧时间t=0.12s。

互感器比率计算公式为k1n/k2n。额定电流互感变压器变压比也被标准化。Kn可以近似表示为主要和次级线圈的变压器匝比，即Kn材料Kn=N1 N2 /型，N1 N2，为一，二圈数匝数。

根据线路图，可确定UN=66kv，IN=174.96A，根据网上参考型号，我们初步选型为LCWB5-66型高压电流互感器。

校验热稳定:由校对热稳定性公式

(1.1)

其中I∞表示最大短路电流

Tk表示短路电流发热等值时间

Kt表示热稳定系数

(I1NKT)2=(300×50)2=225KA2.S>8.122KA2.S

(1.2)

满足要求。

校验动稳定:

(1.3)