風電場大型主接線設計

1、內蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計摘要風能作為一種清潔能源，現(xiàn)在已越來越受到各個國家重視。雖然風電場主接線設計與常規(guī)的設計原理幾乎一樣，但是由于其本身的裝機容量小等原因，又與常規(guī)的設計有一定的區(qū)別。此次風電場主接線設計主要包括以下幾方面：方案的設計及確定、風電場設備的選取、短路電流計算和開關器件的選取及校驗。風力發(fā)電機出口電壓一般為690v，通過箱式變壓器升高到35kv，并通過架空線連接到升壓變電站，主變壓器升高到110kv，送入電網。計算電壓偏移，來校驗導線的性能。計算三相短路電流，來校驗開關器件是否滿足要求。本次的風電場設計方案采用的雙母線接線方式，適合于能夠擴建的電廠。只建設一期工程的風電場不適

2、用于本次設計。關鍵詞：風電場，主接線設計，集電線路第一章 緒論1.1 研究背景隨著煤炭等化石能源漸漸的枯竭，風能作為一種清潔的可再生能源已經越來越受到各個國家的重視。2013年3月，中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會發(fā)布了中國總體裝機情況，中國在2013年新增裝機容量為16088.7MW,同比增長24.1%，累計裝機容量為91412.89MW，同比增長21.4%，為世界第一。這些數(shù)據(jù)表明我國正大力發(fā)展風力發(fā)電這項產業(yè)。但由于我國的風電產業(yè)起步較晚，相應的技術不成熟，所以在我國的很多風機制造企業(yè)的風力發(fā)電機都需要從外國風機制造商引進技術。在我國缺少能夠真正自主研發(fā)且性能穩(wěn)定的風機制造商。2013年

3、全球風電的累計裝機容量已達到318.137GW，新裝機容量每年都在快速的提升，這說明風電產業(yè)在全球都在快速發(fā)展。以丹麥的vistas、美國的ge、西班牙的gamasa等公司為其中的龍頭。歐洲的風電事業(yè)起步早、技術成熟，在全球的風機市場占有很高的份額。2013年全球風電的累計裝機容量已達到318.137GW，這說明風電產業(yè)在全球都在快速發(fā)展。且從2013年的全球總體裝機情況來看，非洲國家將會成為下一個風力發(fā)電事業(yè)大力發(fā)展的地區(qū)。風力發(fā)電產業(yè)還有許多缺陷。因為風的波動性和隨機性導致其輸出特性的復雜化，頻率不穩(wěn)定。所以現(xiàn)在火電還是作為向電網輸電的主要部分，風電的頻率不穩(wěn)對電網的沖擊大，可能會導致電網

4、的崩潰。1.2 研究的目的及意義風力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源的發(fā)電方式,已越來越受到世界各國的歡迎和重視。由于我國風力發(fā)電事業(yè)起步較晚，相應的風力發(fā)電設計也不成熟。風電場主接線設計與常規(guī)電廠的主接線設計，在電氣原理上是相同的，但是在實際主接線設計的時候又有所不同。風電場主接線的很多設計方法都是按照常規(guī)電廠主接線的方法進行設計，但由于風力發(fā)電與常規(guī)發(fā)電的區(qū)別，這些設計方法并不一定適合風力發(fā)電設計。在進行風電場主接線設計時，應根據(jù)風力發(fā)電機容量小、分布分散、出口電壓低等特點來進行特殊的設計。本次通過對國內外主接線設計現(xiàn)狀和風電設備的研究，根據(jù)此次風電場的設計情況，來進行這接線設計。希望此次的設

5、計能夠對將要進行風電場的主接線設計提供參考。1.3 研究現(xiàn)狀風電場主接線設計主要包括以下幾個方面：風力發(fā)電機組的分布；風力發(fā)電機組升壓接線形式的確定；無功補償裝置的選擇；集電線路的選取。風力發(fā)電機的出口電壓為690v，通過箱式變壓器將690kv提高到35kv，再將其通過集電線路匯集到升壓變電站。升壓變電站中的主變壓器將電壓提高到110kv與電網相連。由于風力發(fā)電機組出口電壓低，如果不經過箱式變壓器升壓，導體截面積需要做的很大，且損耗高。風的隨機性和波動性導致了風力發(fā)電機組的輸出電壓不穩(wěn)定，需要無功補償裝置進行無功功率的補償，維持電壓恒定。風力發(fā)電機組由于其單機容量很小，一般為1.5MW或2MW

6、。風力發(fā)電機組一般采用的是葉片旋轉的平面與風的風向垂直。這樣能夠吸收較大的風功率。且風機的分布應避免尾流效應。尾流效應會導致風機的吸收的風功率減少。風力發(fā)電機組升壓方式一般為單母線接線、雙母線接線、雙母線分段接線方式等。風力發(fā)電機組升壓方式一般需要從可靠性、靈活性、經濟性三個原則出發(fā)，能夠根據(jù)所要建設的風電場規(guī)模、擴不擴建、可靠性要求高不高等因素來設計一個適合設計要求的合理的設計方案。風電場的無功補償裝置一般為靜止型動態(tài)無功補償器（svg）。其既能夠發(fā)出無功功率，又能吸收無功功率，能夠根據(jù)母線上電壓的波動，來調整其輸出或吸收無功功率。但一般由于svg需要維持其工作的電能較高，一般用fc與svg

7、配合使用，價格合理，性能好。風電場的集電線路采用的導線一般為架空線或者電纜。架空線的造價低，容易受到雷擊。電纜價格高、可靠。架空線應滿足載流要求、溫度要求、機械強度要求和電壓偏壓要求。1.4 本文主要工作內容 本文設計的風電場由20臺西門子SWT-2.3-93型風力發(fā)電機組組成。西門子SWT-2.3-93型風力發(fā)電機組額定功率為2.3 MW，電機型式為ABB異步電機，電機輸出電壓為690V，工頻50HZ。設計此風電場電氣主接線，風場內部輸電電壓等級為35kV，和電網的聯(lián)絡線電壓等級為110kV。1）風電場主接線的特殊性。分析常規(guī)電廠與風電場在主接線設計方面的區(qū)別。明確風電場在進行主接線設計時特

8、殊的設計。2）風電場主接線設計方案。因為風電場的升壓方式的不同，具有不用的接線方式。接線方式包括單母線接線方式、雙母線接線方式、雙母線分段等。根據(jù)可靠性，靈活性，經濟性三個原則選擇方案。3）主接線設備的選取。確定主接線設計方案后，選取箱式變壓器、主變壓器和導線選型。4）主接線設備校驗。通過短路電流計算，對斷路器、隔離開關、電流互感器等開關元件是否滿足條件進行校驗。第二章 風電場主接線特殊性 2.1 風電場與常規(guī)發(fā)電廠的區(qū)別（1）風力發(fā)電機單機容量小，一般為1.5MW或2MW，而一臺火電廠的單機容量要比風力發(fā)電機的容量大的多。（2）風力發(fā)電機的出口電壓低，一般為690v，需要經過箱式變壓器將電壓

9、升高到35kv，而火電廠的發(fā)電機不需要通過箱式變壓器提高電壓。（3）風的波動性和隨機性，導致風電場需要無功補償裝置，來對輸出電壓的幅值進行補償。2.2風電場與常規(guī)發(fā)電廠的主接線設計圖對比如圖所示，火電廠的發(fā)電機不需要像風電場一樣，通過箱式變壓器將電壓升高。火電廠的發(fā)電機一般采用的是同步發(fā)電機，其主接線不需要無功補償裝置?；痣姀S的發(fā)電機數(shù)目少，且不用像風電場一樣，需要將多臺風機并起來，用集電線路與母線連接。2.3 風電場的特殊性由于風力發(fā)電機單機容量低，地處偏僻，分布分散，所以主接線設計時需要將多臺風機用集電線路連到35kv電網中，而火電廠的單機容量大，一般可達幾百MW，所以不必像風電場主接線設

10、計需要好幾回集電線路。由于風力發(fā)電機的出口電壓一般為690v，而火電廠的機組輸出電壓一般為6-25kv的電壓等級，所以火電廠主接線設計圖中的發(fā)電機不用通過集電變壓器升壓，而風電場主接線設計需要。第三章 風電場主接線設計方案3.1主接線主接線是發(fā)電廠或者變電所中實現(xiàn)生產、變換、傳輸、分配、消耗電能的電路也可以稱作為一次主接線。電氣主接線的設計方案對發(fā)電廠、變電廠的電氣設備的選取等。其設計應遵守三個基本原則：可靠性、靈活性和經濟性。主接線是電力系統(tǒng)的安全、可靠運行地保障。3.2電氣主接線1）單元接線發(fā)電機直接與變壓器連接的一種電氣接線方式。本設計集電變壓器和風力發(fā)電機采用了單元接線方式連接到35k

11、v母線。2）橋形接線橋形接線分為外橋和內橋接線兩種方式。外橋接線適用于變壓器經常發(fā)生故障或者線路較短的情況，當存在穿越功率的情況下，也應采用外橋接線。內橋接線適用于變壓器不易發(fā)生故障、線路過長和線路故障頻發(fā)的情況。本設計主變壓器與連個變電所之間的連接采用了外橋接線的方法。3）單母線分段接線單母線分段接線的優(yōu)點是重要用戶可以通過兩個電源供電，且當母線發(fā)生故障時，減小停掉的范圍。缺點是當風電場擴建時，需要向兩邊均衡擴建；一段母線發(fā)生故障時，其還是需要所在回路還是需要停電；任一斷路器檢修時，所在回路都需要停電。當對可靠性要求性不高時，可用分段隔開開關。對可靠性要求高時，可以用分段斷路器。本次設計一，

12、采用了單母線分段形式。4）雙母線雙母線的優(yōu)點是運行的方式可靠，可以通過倒母操作來實現(xiàn)母線發(fā)生故障或者檢修時不停電；調度靈活，擴建時不需要像單母線分段接線那樣需要均衡擴建。其缺點：任一斷路器檢修時，其所在回路仍然需要停電；倒母操作比較復雜，容易出現(xiàn)誤操作，導致人身和設備安全。增加了大量的隔離開關。本次設計二采用了雙母線接線形式。5）雙母線兩分段雙母線兩分段除了具有雙母線的優(yōu)點以外，還具有減少停電范圍的優(yōu)點。但相比于雙目線用了更多的開關元件。此次設計三采用了雙母線分段接線。3.3設計方案1）方案1圖1-1 單母線分段接線形式2）方案2圖1-2 雙母線接線方式3）方案3圖1-3 雙母線分段這接線形式

13、3.4方案選擇1)可靠性：方案1當母線檢修時可以減少停電范圍。方案2當母線檢修或者發(fā)生故障時可以通過倒母操作，來實現(xiàn)不停電。方案3在方案2的基礎上可以減小母線發(fā)生故障或檢修時，倒母的范圍。2靈活性方案1當電廠需要擴建時需要均衡擴建，且當斷路器檢修時，所在回路不需要停電。方案2因為有兩條母線，所以不需要像方案1那樣均衡擴建，且當線路斷路器故障時候，可以不停電。方案3如方案2一樣。3經濟性方案1是最經濟的。方案2用了大量的開關性元件。方案3在方案2的基礎上多了分段斷路器，和兩個母聯(lián)隔離開關。綜合以上因素，我采用了方案2為此次風電場的主接線設計方案。第四章 主接線設備的選型4.1風電場設備風電場設備

14、包括箱式變壓器，主變壓器和架空線。箱式變壓器將風機的出口電壓690v提高到35kv，在通過主變壓器升高到110kv，架空線將電能輸送到電網中。4.2箱式變壓器箱式變壓器的容量按照風力發(fā)電機的額定功率扣除本機組所需要用的電量，留有10%的裕度。本次采用的風力發(fā)電機西門子SWT-2.3-93型風力，發(fā)電機的單機容量為2.3MW,其所擁的機組負荷為其單機容量的3%，功率因數(shù)為0.85，所以可求得箱式變壓器的容量為S集=1-3%2.31031.10.85=2887KVAR,此次設計采用了由S11-3150/35系列三相油浸無載調壓的箱式變壓器。型號連接組空載損耗負載損耗空載電流阻抗電壓（kw）（kw）

15、（%）（%）S11-3150-35Yd112.924.60.27表1-1 箱式變壓器型號參數(shù)4.3 主變壓器本次設計主變壓器與變電所之間的連接采用了外橋式接法，兩臺主變壓器互為備用。當其中一臺變壓器需要退出運行時，另一臺主變壓器應能夠承擔總傳輸功率的70%的容量。所以此次設計的主變壓器容量應為S主=1-3%202.31030.7/0.85=36745KVA，我采用了SFZ10-40000/110的型號。其具體數(shù)據(jù)如下：型號電壓組合及分接范圍連接組空載損耗負載損耗空載電流阻抗電壓kv(kw)(kw)(%)(%)高壓低壓SFZ10-40000/11011081.25%6.3,6.610.5,11Y

16、nd1130.7147.90.210.5表1-2 主變壓器型號參數(shù)4.4導線的選型導線的選型應滿足四個條件：截面積、機械強度、發(fā)熱條件和電壓損耗。截面積是根據(jù)經濟電流密度或工作電流密度計算得到。如果導線的機械強度不夠高，則導線易拉斷。所以在各種電壓等級下導線具有最小截面積。導體本身的電阻和其熱效應，會使溫度升高，從而加速導線的老化，破化絕緣。所以所選的導線型號的允許電流應大于其根據(jù)負荷計算出的電流，并應根據(jù)溫度來進行校正。在35kv線路中，允許的電壓變化浮動不應超過5%。 導線的截面積選取一般按照經濟電流密度或工作電流密度所決定的。當負荷利用小時數(shù)5000h的時候，一般按照經濟電流密度，其他情

17、況下是按照工作電流計算。而經濟電流密度是按照常用的導線的經濟電流密度曲線所確定的，再根據(jù)公式Sj=ImaxJ，來確定經濟截面積。假設我們的負荷利用那個小時數(shù)大約在5000h左右，則j為1.03A/mm2，Imax應為其所在回路長期運行時工作電流：Imax=Sn3Un=1500 3Un= 24.74（A），所以經濟截面積Sj=24.741.03=24.02mm2，所以選擇LGJ-35 /6型號的導線，其數(shù)據(jù)如下：導線型號RX（/km）(/km)LGJ-35/60.90.433表1-3 導線型號及數(shù)據(jù)導線允許電流為為170A，滿足其發(fā)熱要求的導線允許電流為24.02A。假設鋪設導線的溫度為25，則

18、無須考慮溫度因素，所以LGJ30/6滿足發(fā)熱條件要求。在35kv電壓等級下，滿足機械強度允許最小的截面積應為35mm2，所以LGJ30/6滿足機械強度要求。電壓偏移計算：(1) 一條輸電線路的等值電阻和電抗分別為RL=0.924.5=22.05(） (1-1) XL=0.43324.5=10.6（） (1-2)由于輸電線路長度為24.5km100km。故可以忽略電納的影響。所以，一條輸電線路的功率損耗為 SL=S一臺U352RL+jXL=2.3352(22.05+10.6)(1-3)=0.04+0.02j（Mvar）(1-3)線路總損耗：SL總=20SL=200.04+j0.02(1-4)=0

19、.8+j0.4（Mvar）(1-4)線路末端輸出功率:S1=46-(0.8+j0.4)=45.2-j0.4（Mvar）(1-5)線路側電壓損耗：UL1=(PLRL+QLXL)U35=2.322.0535=1.18kv(1-6)(2)一臺箱變的等值電阻、電抗、及勵磁功率R箱變=PSVN21000SN2=24.635210003.152=3.04（）(1-7)X箱變=VS%VN2100SN=73521003.15=8.64（）(1-8)S0=P0+jI0%SN100=0.0029+j0.23.15100(1-9) =0.003+j0.0063（Mvar）(1-9)一條輸電線路經過線路損耗后的剩余功

20、率為：S=2.3-SL=2.3-0.04-0.02j=2.26-0.02j(1-10)一臺箱變的阻抗損耗： S箱變=SU352(RT+jXT)(1-11) =（2.262+0.022）352(3.04+j8.04)(1-11) =0.013+j0.034（Mvar）(1-11)箱變的阻抗總損耗：S箱勵=20S箱變=0.26+j0.68（Mvar）(1-12)箱變總的勵磁損耗：S箱勵=20S0=200.003+j0.0063(1-13)=0.06+j0.126（Mvar） (1-13)經過箱變末端的功率為:S2=SL-S0-S箱變(1-14)=45.2-j0.4-0.26-j0.68-0.06-

21、j0.126(1-14) =44.88-j1.206（Mvar）(1-14)箱變電壓損耗： 由于一臺箱變的勵磁損耗低，所以忽略不計，所以箱變側的輸入功率為： ST1=2.3-SL=2.3-0.04-0.02j=2.26-j0.02(1-15)經過箱式變壓器后的電壓降落：UL2=(PT1R箱變+QT2X箱變)U35(1-16) =2.263.04-0.028.6435=0.19（kv）(1-16) (3)一臺主變的等值電阻、電抗、及勵磁功率R箱變=PSVN21000SN2=24.635210003.152=0.11（）(1-17)X主變=VS%VN2100SN=10.535210040=3.22

22、（）(1-18)S主=P0+I0%SN100=0.03+j0.240100(1-19) =0.03+j0.08（）(1-19)一條輸電線路經過箱式變壓器后的剩余功率：S=2.26-j0.02-0.013-j0.034(1-20) =2.247-j0.054（Mvar）(1-20)兩臺主變的阻抗損耗： S箱變=SU352(RT+jXT)(1-21) = 2.2472+0.0542352 0.11+j3.222(1-21) =0.013+j0.034（Mvar）(1-21)兩臺主變的勵磁損耗：S主勵=2S主=0.06+j0.16（Mvar）(1-21)經過主變后的電壓損耗： ST2=S-S主勵(1

23、-22) =2.247-j0.054-0.06-j0.16 (1-22) =2.187-j0.214;(Mvar)(1-22)式中，S為一條輸電線路經過箱式變壓器后減去主變勵磁損耗的功率UL3=PT2R主+QT2X主U35(1-23) =2.1870.11-0.2143.2235(1-23) =-0.449kv(1-23)所以總的損耗：（忽略兩臺主變的阻抗損耗中的電阻損耗） S總=SL+S箱阻+S箱勵+S主變+S主勵(1-22) =0.8+j0.4+0.26+j0.68+0.06+j0.126+j0.027+0.06+j0.16(1-22) =1.18+j1.393（Mvar）(1-22)總的

24、電壓偏移：UL=UL1+UL2+UL3(1-25) =1.18+0.19-0.449=0.921(1-25)因為電壓偏移滿足35kv，偏移電壓不大于5%的額定電壓。所以LGJ-35/6符合條件。第五章 主接線設備校驗5.1 短路簡介 短路是一切非正常相與相之間或者相與地之間的發(fā)生通路的情況。短路故障的類型可以分為以下幾點：單相接地短路故障，兩相短路接地故障，兩相短路故障，三相短路故障。單相接地短路故障發(fā)生的幾率約有70%，其次兩相短路，三相短路。三相短路故障最為嚴重。當發(fā)生短路故障時，產生的短路電流會比額定電流數(shù)值大好幾倍，是電壓大幅度下降，或者引起更為嚴重的后果大面積停電等影響。所以通過設計

25、通過算出其等值阻抗圖的各個短路點的三相短路電流，來作為選擇斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器等器件選取的依據(jù)。5.2 等值阻抗圖及標幺值計算圖3-1 短路點示意圖基準容量：Sj=100MVA基準電壓：取各級的平均電壓負荷以額定標幺電抗為3.05，電勢為0.8的綜合負荷表示發(fā)電機的電勢以1.08表示1） 一臺風力發(fā)電機的標幺值的計算：If=10030.690.85=83.674(kA)(4-1)Ie=2.330.690.85=2.26(kA)(4-2)I=5Ie=11.30(kA)(4-3)XG=IfI=If5Ie=7.40(4-4)2)一臺箱式變壓器的電抗標幺值的計算X箱變=Vs%SB1

26、00S箱變=71001003.15=2.22(4-5)3）一臺風電機連接到35kv配電柜的線路電抗標幺值計算:X線=0.39524.5100352=0.79(4-6)4）一臺主變壓器的電抗標幺值計算X主=VS%SB100S主=10.510010040=0.26(4-7)所以20臺風機，20臺箱變和20條線路的總標幺值X集電線路=（XG+X箱變+X線）/20(4-8) =7.40+2.22+0.7920=0.52(4-8)兩臺并聯(lián)運行的主變的電抗標幺值：X主并=0.262=0.13(4-9)5.3 A、B、C三點的三相短路電流計算:圖3-2 A點短路示意圖A點短路計算A點為風機和箱變之間短路點，

27、風機側為低壓側，不予考慮。風機和短路點距離很短，忽略這段電抗。故障輸電線路A點右側的箱變電抗和輸電線路電抗：X故=X箱+X故障線路=2.22+0.79=3.01(4-10)A短路點右側的19臺風機，箱變組成的電路：X19臺風機=（XG+X箱變+X線）/19(4-11) =7.40+2.22+0.7919=0.548所以等效電抗為：X等效=X一臺箱變+X故障線路+（X主變/X19臺風機）(4-12) =3.01+0.13/0.548=0.312(4-12)短路點的總的起始次暫態(tài)電流為：IA=13.12=0.32(4-13)基準電流：IB=SB3Vav=100337.5=1.54（kA）(4-14

28、)沖擊電流:I無窮大=2KshIAIB=21.80.321.54(4-15) =1.25KA(4-15)式中，Ksh為高壓時取1.8。B點短路計算：圖3-3 B點短路示意圖B點短路計算(1)三相短路計算：短路點距離35kv母線4.5km處：B短路點右側的無窮大系統(tǒng)，由其提供的起始次暫態(tài)電流： I無窮大=1X無窮大=10.13=7.69(4-16)B短路點右側的19臺風機，箱變組成的電路： X19臺風機=（XG+X箱變+X線）/19(4-17)因為故障點的距離距離20條輸電線路匯合點短，其等值阻抗可忽略不計。由發(fā)電機提供的起始次暫態(tài)電流： I=E發(fā)X19臺風機=1.080.548=1.97(4-

29、18)故障輸電線路風機當負荷處理，負荷以額定標幺電抗為0.35，電勢為0.8： X線=0.39520100352=0.64(4-19)故障回路：X故=XG+X箱變+X線=7.40+2.22+0.64=10.26(4-20)由故障發(fā)電機提供的起始次暫態(tài)電流： I=E發(fā)X故=1.0810.26=0.11(4-21)短路點的總的起始次暫態(tài)電流為： IB”=I“+I變”+I=1.97+7.69+0.11=9.77(4-22)計算沖擊電流：發(fā)電機沖擊系數(shù)為1.8I發(fā)=1.82IIB(4-23)=1.822.081.54=8.15（kA）(4-23)無窮大系統(tǒng)沖擊電流: I無窮大=2KshI無窮大”IB(

30、4-24)=21.87.691.54=30.14KA(4-24)式中，Ksh為高壓時取1.8。ish=I發(fā)+I無窮大=30.14+8.15=38.29（KA）(4-25)圖3-4 C點短路示意圖由發(fā)電機提供的起始次暫態(tài)電流：I=E發(fā)X集電線路=1.080.52=2.08(4-26)由無窮大系統(tǒng)起始次暫態(tài)電流為：I無窮大”=1X無窮大=10.13=7.69(4-27)短路點的總的起始次暫態(tài)電流為：IC=I“+I變”=2.08+7.69=9.77(4-28)基準電流：IB=SB3Vav=100337.5=1.54（kA）(4-29)起始次暫態(tài)電流的有名值：IC=9.771.54=15.04（kA）(4-30)計算沖擊電流：發(fā)電機沖擊系數(shù)為1.8 I發(fā)=1.82IIB(4-31)=1.822.081.54=8.15（kA）(4-31)無窮大系統(tǒng)沖擊電流I無窮大=2KshI無窮大”IB=30.14（KA）(4-32)式中，Ksh為高壓時取1.8。ish=I發(fā)+I無窮大=30.14+8.15=38.29（KA）(4-33)兩相短路計算：圖3-5 正序等值阻抗圖圖3-6 零序等值阻抗圖X1=0.13/0.52=0.104(4-34)X