某49.5MW風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線及二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

I某49.5MW風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線及二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要長(zhǎng)期以來，我國氣候問題的根源是以化石能源為主的能源發(fā)展方式，但隨著國際能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及我國提出的“雙碳”目標(biāo)，世界能源格局將發(fā)生巨大改變。其中，風(fēng)能作為一種儲(chǔ)量豐富、成本低廉且發(fā)展?jié)摿薮蟮那鍧嵞茉?，?duì)新能源的發(fā)展發(fā)揮著不可替代的作用。因此，著眼于風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃建設(shè)并制定相應(yīng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有強(qiáng)大的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要根據(jù)國內(nèi)外風(fēng)能發(fā)電狀況分析風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展背景和重要性,并介紹了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及其所在區(qū)域的外部要求。首先,通過比較各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，并針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況選用了最優(yōu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。然后,根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求制定方案,并選定主變臺(tái)數(shù)。接著，對(duì)電氣一次系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)工作,該部分也是本文的核心,通過繪制主接線圖并完成短接計(jì)算,再進(jìn)行主要電氣設(shè)備的選型,最后完成電氣設(shè)備在總平面的布局。再次,對(duì)電氣二次系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和升壓站的監(jiān)控系統(tǒng)以及繼電保護(hù)設(shè)備開展研究。最終完成該49.5MW風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線及二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞風(fēng)電場(chǎng)；電氣設(shè)計(jì)；電氣一次系統(tǒng)；電氣二次系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u139921.前言 323711.1風(fēng)力發(fā)電的背景及意義 3140301.2國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀 4151741.2.1國外風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀 4202311.2.2國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀 558801.3本文主要研究?jī)?nèi)容 8167652.風(fēng)機(jī)選型及安裝方案 8222892.1引言 8169852.2風(fēng)電場(chǎng)地貌及風(fēng)能資源情況 8312712.2.1風(fēng)電場(chǎng)地形地貌 9114552.2.2風(fēng)能資源 10292192.3風(fēng)機(jī)選型及技術(shù)特點(diǎn) 1022722.3.1風(fēng)機(jī)選型指標(biāo) 10216592.3.2風(fēng)機(jī)選型比較 11131832.4風(fēng)機(jī)安裝方案 12150462.5小結(jié) 13149893.風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)方案 13138443.1引言 13245323.2風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀、范圍及原則 1399283.2.1風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 13311723.2.2風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)范圍 13276383.2.3風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)原則 14276163.3主變臺(tái)數(shù)的選擇 14247863.4小結(jié) 15315834.電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15310394.1引言 15107444.2電氣主接線 1581814.3一次系統(tǒng)短路電流計(jì)算 19204694.3.1短路電流的計(jì)算目的 19191314.3.2短路電流的計(jì)算要求 20143404.3.3短路計(jì)算的過程 2075584.4主要電氣設(shè)備選擇 21210844.5電氣總平面布置及配電裝置布置 23316114.5.1220kV配電裝置 235534.5.235kV配電裝置 2374684.5.3配電裝置 24244284.5.435kV無功補(bǔ)償裝置 24157474.5.5380/220V場(chǎng)用配電裝置 24226944.5.6風(fēng)機(jī)塔箱式變壓器 24151594.5.7電纜設(shè)施 24151104.6防雷接地及絕緣配合 24150434.6.1防雷保護(hù) 2474204.6.2接地保護(hù) 25300034.7站用電及照明通信 25180054.7.1站用電源 255854.7.2全站照明 25190264.7.3全站通信 2583814.8小結(jié) 26274765.電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26219405.1引言 26238315.2二次接線 27175585.2.1二次接線設(shè)計(jì)規(guī)則 27249775.2.2信號(hào) 27273725.2.3測(cè)量 27240415.2.4電量 2720385.2.5“五防”系統(tǒng) 27123365.3計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 28302245.3.1風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng) 2850465.3.2升壓站監(jiān)控系統(tǒng) 28112995.4風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)裝置 2944025.4.1主變電站保護(hù) 2940165.4.235kV母線保護(hù) 2984815.5小結(jié) 29174736.結(jié)論 306648參考文獻(xiàn) 3119261致謝 32前言風(fēng)力發(fā)電的背景及意義伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)革命爆發(fā)，大量消耗了煤、石油和天然氣等非可再生能源，導(dǎo)致氟利昂、一氧化碳和二氧化碳等排放量極大增加。然而，化石燃料的儲(chǔ)藏與使用并不是無窮無盡的，因此，人類開始探索對(duì)可再生能源的開發(fā)與利用。尤其是在1970年爆發(fā)的丹麥?zhǔn)臀C(jī)中，能源危機(jī)問題進(jìn)一步引發(fā)了人類的思考，尋找替代有限的化石能源的新能源也成為了人類刻不容緩的任務(wù)ADDINCNKISM.Ref.{9BDAAB1226424ec59C9176EDC8F77ADA}[1]。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，世界的能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了天翻地覆的變化，高質(zhì)量發(fā)展的數(shù)字化、經(jīng)濟(jì)化、智能化時(shí)代也接踵而至，傳統(tǒng)化石能源的發(fā)電形式已不再成為主流，利用現(xiàn)有的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電勢(shì)不可擋ADDINCNKISM.Ref.{CAF5735937DC4e9aA56655578FB1BAB0}[2]。習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上鄭重宣布，“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前，實(shí)現(xiàn)碳中和?！睘閷?shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國將深化能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，形成多輪驅(qū)動(dòng)的能源生產(chǎn)體系。目前，加快發(fā)展可再生能源已成為世界各國促進(jìn)能源轉(zhuǎn)換和應(yīng)對(duì)全球氣候變化的共同課題。其中，風(fēng)能作為分布最廣泛的一種可再生能源，在風(fēng)力發(fā)電時(shí)相較于其他發(fā)電技術(shù)，其優(yōu)越性在于：首先，風(fēng)能是一種清潔能源，在能量轉(zhuǎn)換中既不消耗化石資源，也不污染環(huán)境，對(duì)減緩全球氣候變暖的現(xiàn)象和促進(jìn)節(jié)能減排具有現(xiàn)實(shí)意義；其次，風(fēng)電場(chǎng)的占地面積小，建設(shè)周期短，且裝設(shè)規(guī)模靈活，開發(fā)效率高，能有效解決電力供需不充分不平衡等問題；同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的市場(chǎng)前景好，因成本逐年下降而其經(jīng)濟(jì)性大幅度提升ADDINCNKISM.Ref.{9AC27698E7B74dbc9B584A0A4009878E}[3]。但是，由于風(fēng)力發(fā)電本身具有隨機(jī)性，難以控制，且我國的風(fēng)能主要分布在東北、華北和西北等經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，具有電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定和電力線路損耗較大等缺點(diǎn)，故實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)傳輸電能是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能有效利用的唯一途徑。為了應(yīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的缺陷，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，本文將基于風(fēng)電場(chǎng)的選址與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型、接地點(diǎn)方式的選擇和主要電氣設(shè)備的選擇對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使風(fēng)能資源的利用率得以提升，提高風(fēng)電場(chǎng)的可靠性，從而保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀國外風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀風(fēng)能在自然界中儲(chǔ)量豐富，但由于多受地理位置的影響，故主要集中在沿海區(qū)域且風(fēng)速普遍較高（8~9m/s以上），少數(shù)分布在內(nèi)陸。全球風(fēng)能資源較為豐富的地區(qū)主要集中在以下幾個(gè)區(qū)域：全球各大陸沿海地區(qū)、整個(gè)歐洲大陸、東亞、中亞以及西亞阿拉伯半島地區(qū)、澳大利亞及新西蘭島嶼、北美特別是美國大陸、南美的南部、中美的加勒比海地區(qū)、北非沙哈拉沙漠地區(qū)以及南非ADDINCNKISM.Ref.{4819971502F7474c8D9C628BA27C8E3F}[4]。全球風(fēng)能資源分布表如表1-1所示。表1-1全球風(fēng)能資源分布表地區(qū)陸地面積高風(fēng)力（3~7級(jí)）所占的面積（km2高風(fēng)力（3~7級(jí)）所占的面積比例（%）北美19339787641拉丁美洲和加勒歐4742196842東歐和獨(dú)聯(lián)體23049678329中東和北非8142256632撒哈拉以南非洲7255220930太平洋地區(qū)21354418820中亞和南亞42992436中國9597105611總計(jì)1066602914327近年來，伴隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論等學(xué)科的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在2003年，美國最先在舊電力系統(tǒng)設(shè)施的基礎(chǔ)上對(duì)其信息技術(shù)進(jìn)行加工改造，開展智能電網(wǎng)的相關(guān)學(xué)習(xí)與研究，此后于2008年提出智能電網(wǎng)的建設(shè)任務(wù)與路線。而歐洲也在2006年確立了智能電網(wǎng)的發(fā)展方向并對(duì)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)實(shí)行升級(jí)改造ADDINCNKISM.Ref.{3E0E6862D7B244568F2078DBB1357B51}[5]。至此，世界各國的電力行業(yè)逐漸被帶動(dòng)并快速發(fā)展。由全球風(fēng)能協(xié)會(huì)（GWEC）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，截止2015年，國外風(fēng)電裝機(jī)容量已超過傳統(tǒng)化石能源發(fā)電裝機(jī)容量，大約為43,200萬千瓦。自2009年來，國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的新增裝機(jī)容量變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。但在2019年時(shí)，國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的累計(jì)裝機(jī)容量已突破60,000萬千瓦ADDINCNKISM.Ref.{A1D4125E0D5A4b26B580E815E491D3B3}[6]。2009~2019年國外風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量對(duì)比如圖1-1所示。圖1-12009~2019年國外風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量對(duì)比由于可持續(xù)發(fā)展的觀念在全球得到普遍傳播與認(rèn)可，世界各國更加注重風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)實(shí)意義，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也得到強(qiáng)烈支持。因此，風(fēng)力發(fā)電的成本在很大程度上得以減少，許多國家在電價(jià)上能保持風(fēng)電與其他化石能源發(fā)電的一致，強(qiáng)烈促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展的大循環(huán)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的滿足。與此同時(shí)，國外也已開發(fā)出自主設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用軟件，但還需要進(jìn)一步優(yōu)化與升級(jí)。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀我國風(fēng)力發(fā)電的起步與發(fā)展時(shí)間與國外相比較晚。在2009年的“特高壓技術(shù)國際會(huì)議上”，國家電網(wǎng)首次提出名為“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的三階段發(fā)展規(guī)劃。在2015年，我國更是頒發(fā)了《中華人民共和國可再生能源法》建立較為完備的法律法規(guī)體系。此后，通過更加完善的智能電網(wǎng)管理標(biāo)準(zhǔn)和更加合理的運(yùn)行控制方案，結(jié)合我國的實(shí)際用電供需情況，我國智能電網(wǎng)取得了良好的成效，其中風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也得到了巨大發(fā)展。由GWEC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，自2016年來，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的新增裝機(jī)容量呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。與此同時(shí)，從2009年至2019年，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的累計(jì)裝機(jī)容量從1,200萬千瓦增加至23,400萬千瓦，增長(zhǎng)速度十分迅速，預(yù)測(cè)近幾年其數(shù)值還會(huì)創(chuàng)新高ADDINCNKISM.Ref.{1D9297D4BDD34b97B6417ED382DC684B}[6]。2009~2019年國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量對(duì)比如圖1-2所示。圖1-22009~2019年國外風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量對(duì)比據(jù)國家能源局發(fā)布的《2021年全球電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》顯示，我國風(fēng)電新增裝機(jī)4,757萬千瓦，全國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的累計(jì)裝機(jī)容量為33,000萬千瓦，同比增長(zhǎng)16.6%；平均利用率96.9%，較去年同期增加0.4%。在“十四五”的開局之年，在“雙碳時(shí)代”的啟動(dòng)之年，我國作為風(fēng)力發(fā)電的倡導(dǎo)者，講述了一個(gè)更為廣大的、關(guān)于減排兌現(xiàn)承諾的綠色發(fā)展故事。我國幅員遼闊，風(fēng)能豐富，特別是在一些地理位置偏僻、地形地貌相對(duì)復(fù)雜和供電相對(duì)短缺的地區(qū)，非常適合大力發(fā)展風(fēng)電。由中國氣象部門的評(píng)估數(shù)據(jù)可知，中國最大的風(fēng)能資源區(qū)主要集中在東南沿海及其附近島嶼，而內(nèi)蒙古和甘肅北部是最大的風(fēng)能資源毗連區(qū)域ADDINCNKISM.Ref.{3EDF0C2F27C149238CFA17296F14BCE5}[7]。截止2021年底，全國十大風(fēng)電裝機(jī)省份分別是：內(nèi)蒙古、河北、新疆、江蘇、山西、山東、河南、甘肅、寧夏和廣東。全國風(fēng)電裝機(jī)分布圖和2021年全國十大風(fēng)電裝機(jī)省份排行分別如圖1-3和圖1-4所示。圖1-3全國風(fēng)電裝機(jī)分布圖圖1-42021年全國十大風(fēng)電裝機(jī)省份排行由此可見，我國的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化水平進(jìn)步飛速，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模逐漸壯大，相關(guān)從業(yè)技術(shù)人員水平不斷提升，未來風(fēng)能必然成為全球的第三大能源，風(fēng)能的優(yōu)勢(shì)決定其未來的發(fā)展。但不可忽視的是，我國的風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)仍然存在著程序化，缺乏特殊性等不足之處ADDINCNKISM.Ref.{9E9C45CD0B4D4476AD8259908BB8C16A}[8]，故在風(fēng)能的充分利用上還具有一定的挑戰(zhàn)性。本文主要研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)某地區(qū)的地形地貌和風(fēng)能質(zhì)量進(jìn)行勘測(cè)評(píng)估后，利用場(chǎng)區(qū)特征確立規(guī)劃區(qū)域，選擇適合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，制定恰當(dāng)?shù)陌惭b方案，最終與電網(wǎng)相連。在風(fēng)電場(chǎng)的基本格局大致確定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括通過短路電流的計(jì)算選擇主要電氣設(shè)備、規(guī)劃電力線路布局、防雷與照明設(shè)計(jì)、監(jiān)控配置和繼電保護(hù)等，完成該風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。風(fēng)機(jī)選型及安裝方案引言風(fēng)電場(chǎng)的選址是循序漸進(jìn)的過程。確定完大致的宏觀選址后，再縮小為一個(gè)前提范圍，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)的地形地貌，結(jié)合風(fēng)能資源的特征分析，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)選型和制定安裝方案。最終在確保機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，以風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)實(shí)效益最佳為目的，完成風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)。風(fēng)電場(chǎng)地貌及風(fēng)能資源情況對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)進(jìn)行地形地貌和風(fēng)能資源的勘測(cè)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型以及布置上具有現(xiàn)實(shí)意義。若風(fēng)電場(chǎng)的選址不合理、不科學(xué)，即使使用性能優(yōu)異的機(jī)組也會(huì)降低風(fēng)電場(chǎng)的效能，甚至由于湍流等因素導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生倒塌、飛車等事故ADDINCNKISM.Ref.{1A37ADF2C2B84646AA6043E468A20306}[9]。因此，風(fēng)電場(chǎng)選址顯得格外重要。2.2.1風(fēng)電場(chǎng)地形地貌該風(fēng)電場(chǎng)處于松遼平原腹地，屬于溫帶大陸性氣候，為丘陵臺(tái)地地貌，起伏較小，坡度不高，地面崎嶇不平。由我國建標(biāo)庫《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖GB18306-2015》可知，該風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)的基本地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35s，符合本次工程地質(zhì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，考慮其地下水深度和土壤腐蝕度等外部因素，得出該地區(qū)的工程地質(zhì)穩(wěn)定性高的結(jié)論，初步確定施工方案的可行性。中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖和中國地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖分別如圖2-1和2-2所示。圖2-1中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖圖2-2中國地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖2.2.2風(fēng)能資源參照風(fēng)電場(chǎng)及其周圍70m的風(fēng)功率密度分布示意圖，結(jié)合當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)氣象數(shù)據(jù)，風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)高50~70m處的風(fēng)向大多為西南-西-西北風(fēng)，年平均風(fēng)速為6.63~6.85m/s，年平均功率密度為331.5~367。由以上風(fēng)能數(shù)據(jù)可知，該風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)最大風(fēng)向頻率與最多風(fēng)能的頻率方向大致相同，在布置風(fēng)力發(fā)電機(jī)上具有很大優(yōu)勢(shì)。在本次設(shè)計(jì)中，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的布置區(qū)域海拔在150~270m之間，占地面積為20。風(fēng)電場(chǎng)及其周圍70m的風(fēng)功率密度分布示意圖如圖2-3所示。圖2-3風(fēng)電場(chǎng)及其周圍70m的風(fēng)功率密度分布示意圖風(fēng)機(jī)選型及技術(shù)特點(diǎn)2.3.1風(fēng)機(jī)選型指標(biāo)在確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號(hào)時(shí)，有以下幾項(xiàng)指標(biāo)需要考量分析：結(jié)合上述風(fēng)電場(chǎng)地形地貌，為了實(shí)現(xiàn)更好地利用風(fēng)能資源的目的，該風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)安裝應(yīng)用IEC61400-1型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中基本等級(jí)參數(shù)為ⅢC類高于ⅢC類的機(jī)組。由國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心所提供的風(fēng)電場(chǎng)歷史氣溫?cái)?shù)據(jù)可知，該風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)最高溫度高達(dá)37.8℃，最低溫度僅僅只有-37.2℃。因此，將同時(shí)能夠承受高溫與低溫的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用到該風(fēng)電場(chǎng)較為合理。所選機(jī)型具有較高性價(jià)比，并且具備相應(yīng)的售后保障服務(wù)，確保機(jī)組的運(yùn)行可靠性和故障后的修復(fù)快速性。在現(xiàn)有的裝機(jī)容量為1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品中，滿足上述指標(biāo)的有以下三種型號(hào)：WTG1、WTG2和WTG3。2.3.2風(fēng)機(jī)選型比較2.3.1中選出的三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)在目前較為流行，并且運(yùn)用了相對(duì)成熟的技術(shù)，主要是變速恒頻技術(shù)、變槳控制技術(shù)和最大功率跟蹤技術(shù)。預(yù)選風(fēng)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)表如表2-1所示。由表可知，WTG1、WTG2和WTG3所用的發(fā)電機(jī)都是雙饋異步發(fā)電機(jī)，具有控制和產(chǎn)生無功功率，代替電網(wǎng)勵(lì)磁而從轉(zhuǎn)子電路中勵(lì)磁等優(yōu)點(diǎn)；在功率調(diào)節(jié)上采用先進(jìn)的控制方式，實(shí)現(xiàn)槳葉的節(jié)距角的變化和變速恒頻技術(shù)ADDINCNKISM.Ref.{1CFFF7112D41447c97A8689C46AB6842}[10]。關(guān)于變速恒頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，控制機(jī)組通過最大功率跟蹤技術(shù)輸出最大功率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的最大利用；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，通過槳葉的節(jié)距角調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)氣流改變槳葉的攻角，達(dá)到控制風(fēng)輪捕獲的氣動(dòng)功率和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并擴(kuò)大風(fēng)速的利用范圍的效果。表2-1預(yù)選風(fēng)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)表技術(shù)參數(shù)機(jī)型WTG1-1500WTG2-1500WTG3-1500結(jié)構(gòu)形式上風(fēng)向三葉片上風(fēng)向三葉片上風(fēng)向三葉片額定功率/kW150015001500葉輪直徑/m82.982.782單位千瓦掃風(fēng)面積/m3.5993.5863.583額定風(fēng)速/m/s10.510.510.3切入風(fēng)速/m/s333切出風(fēng)速/m/s202020輪轂高度/m7065/8070功率調(diào)節(jié)變槳變速變槳變速變槳變速發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī)出口電壓/V690690690氣動(dòng)剎車三葉片順槳三葉片順槳三葉片順槳生存風(fēng)速59.559.559.5IEC等級(jí)IIIAIIIAIIIAWTG1、WTG2和WTG3的功率曲線圖如圖2-4所示。由圖可知，三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線大致重合，但在細(xì)微之處上，WTG1的功率最高，其次是WTG3，再者是WTG2。圖2-4WTG1、WTG2和WTG3的功率曲線圖在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型時(shí)仍需考慮其年上網(wǎng)電量的差異。WTG1、WTG2和WTG3的年上網(wǎng)電量表如表2-2所示。表2-2WTG1、WTG2和WTG3的年上網(wǎng)電量表機(jī)型WTG1-1500WTG2-1500/65WTG2-1500/80WTG3-1500單機(jī)容量（kW）1500150015001500額定風(fēng)速（m/s）10.510.510.510.5葉輪直徑（m）82.982.782.782輪轂高度（m）70658070裝機(jī)臺(tái)數(shù)（臺(tái)）33333333裝機(jī)容量（MW）49.549.549.549.5理論年發(fā)電量（萬kWh）15712.314787.116138.316241.1尾流損失（%）5.25.14.84.8尾流折減后年發(fā)電量（萬kWh）1430413465.6314746.7514845.3綜合折減系數(shù)（%）70.1170.1370.3770.31年上網(wǎng)電量（萬kWh）10574.539954.7510901.8410968.48等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)2136.272011.062202.392215.86容量系數(shù)0.240.230.250.25風(fēng)機(jī)安裝方案由表2-1、圖2-4和表2-2的數(shù)據(jù)可知，WTG3的技術(shù)參數(shù)相較于WTG1和WTG2并無較大差別，并且輸出功率較高，年上網(wǎng)電量在三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)中位居第一，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均排在最佳的位置。綜合考慮，WTG3為本次風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的不二之選，并確認(rèn)采用33臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的WTG3風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)49.5MW風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)。小結(jié)本章基于風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)的地理環(huán)境和風(fēng)能資源，預(yù)選出三種較為合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型，并且通過對(duì)其技術(shù)參數(shù)、輸出功率和年上網(wǎng)電量的對(duì)比分析，選出最優(yōu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即WTG3后，確認(rèn)大致布機(jī)方案，即采用33臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的WTG3風(fēng)力發(fā)電機(jī)，完成49.5MW風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)。風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)方案3.1引言本次風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)49.5MW風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)，故需要33臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的WTG3型風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)49.5MW風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)。首先通過分析風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)現(xiàn)狀，以此確定設(shè)計(jì)范圍，制定設(shè)計(jì)原則。接著，考慮未來擴(kuò)建需求，制定主變壓器的設(shè)計(jì)方案。通過以上思路進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，完成本次風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃建設(shè)。3.2風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀、范圍及原則3.2.1風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀在本次接線設(shè)計(jì)中，將33臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)平均分成3回，每回11臺(tái)。在每臺(tái)機(jī)組出口處通過1kV電壓等級(jí)的電纜線連接到變電箱，將出口電壓690V升至35kV，連接到35kV母線上。35kV母線再通過220kV電壓等級(jí)、容量為100MW的主變壓器連接到220kV母線，將電壓35kV升至220kV。由此初步制定本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)方向。3.2.2風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)范圍本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)包括風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)區(qū)和220kV升壓站，分成兩個(gè)部分開展，分別是電氣一次系統(tǒng)和電氣二次系統(tǒng)進(jìn)行研究。而由于外部環(huán)境因素，除去電氣設(shè)計(jì)外的進(jìn)站道路規(guī)劃、給排水設(shè)施以及系統(tǒng)通信問題，并不屬于本次設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。3.2.3風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)原則在本次風(fēng)電場(chǎng)的主接線設(shè)計(jì)中，必須滿足的首要條件是風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)之間的適應(yīng)性，基于此再堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)一致、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行高效和投資合理的原則?？紤]到未來風(fēng)電場(chǎng)的檢修維護(hù)和再規(guī)劃問題，風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)需要保證方案盡可能普遍化、風(fēng)電接入盡可能規(guī)范化、升壓變電站盡可能標(biāo)準(zhǔn)化和集電線路盡可能模塊化，并且預(yù)留一定的擴(kuò)展容量。3.3主變臺(tái)數(shù)的選擇本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)在主變壓器的型號(hào)選用、臺(tái)數(shù)選擇和容量選擇上，需要實(shí)現(xiàn)目前風(fēng)電場(chǎng)的電氣設(shè)計(jì)，并為之后的擴(kuò)建打下基礎(chǔ)，主要考慮的是變壓器是否為兩線圈、是否為三相、損耗和噪音是否較低等技術(shù)參數(shù)，能否實(shí)現(xiàn)有載調(diào)壓和自然油循環(huán)風(fēng)冷電力系統(tǒng)等必要功能。具體有以下三點(diǎn)要求：第一，保證主變壓器的選擇原則合理。當(dāng)電力線路的負(fù)荷較大時(shí)，或者對(duì)于一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷的電力線路，選擇兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的主變壓器，保證電能傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，降低電力線路的故障率，減少電力線路維修成本；當(dāng)電力線路的負(fù)荷較小時(shí)，選擇一至兩臺(tái)主變壓器，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免電能浪費(fèi)的情況，保證工程上的經(jīng)濟(jì)效益。第二，保證主變壓器的臺(tái)數(shù)選擇準(zhǔn)確。主變壓器的臺(tái)數(shù)選擇與風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的主要用電量有關(guān)。若風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)為城市或城郊，用電量較大，應(yīng)先了解該地的中低壓環(huán)網(wǎng)情況，一般選擇兩臺(tái)主變壓器；若風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)為工業(yè)區(qū)或開發(fā)區(qū)，或者位置較為偏僻，一般選擇三臺(tái)或三臺(tái)以上的主變壓器，保證供電的安全高效，降低電力線路的故障率。第三，保證主變壓器的容量選擇有效。當(dāng)前，我國大部分變電站是根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和主要負(fù)荷量或者未來的負(fù)荷計(jì)劃決定主變壓器的容量。因此，必須考慮風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的以上影響因素進(jìn)行主變壓器的容量選擇ADDINCNKISM.Ref.{9DDBAD136A394ee8BDB40C485BBDB214}[11]。與此同時(shí)，主變壓器的接地方式應(yīng)為220kV中性點(diǎn)接地，35kV經(jīng)消弧線圈接地。除此之外，本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的具體情況，考慮之后的維護(hù)和檢修問題，最大程度上減少支出ADDINCNKISM.Ref.{FB026EF48F6F4f3492049243EC6D1ED1}[10]。在本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)中，通過當(dāng)前的變壓器市場(chǎng)上的產(chǎn)品分析，選用技術(shù)先進(jìn)和運(yùn)行高效的主流變壓器；通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量、風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的地形地貌、施工難易程度和經(jīng)濟(jì)效益等條件，確定主變壓器的臺(tái)數(shù)。參考變壓器設(shè)計(jì)方案中的慣例，制定了以下兩種設(shè)計(jì)方案。方案一：目前采用一臺(tái)容量為50MVA的主變壓器，之后風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)再投入變壓器。這個(gè)方案在擴(kuò)建時(shí)將增加電力系統(tǒng)回路數(shù)。方案二：目前采用一臺(tái)容量為100MVA的主變壓器，之后風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)共用本臺(tái)變壓器。這個(gè)方案在擴(kuò)建時(shí)將減少電力系統(tǒng)回路數(shù)。對(duì)比方案一和方案二，方案二所需要的配電裝置明顯較少?？紤]到單臺(tái)不同容量的主變壓器在占地面積上只有細(xì)微的區(qū)別，所以方案二較方案一更具有經(jīng)濟(jì)性，大大減少了投資。因此，本次風(fēng)電場(chǎng)的主變壓器設(shè)計(jì)采用方案二，即安裝一臺(tái)容量為50MVA的主變壓器，之后擴(kuò)建風(fēng)電場(chǎng)時(shí)也不會(huì)增加回路ADDINCNKISM.Ref.{E1CD6C53179C4427915AC02031960A66}[12]。3.4小結(jié)本章基于風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，初步制定了本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)方向，確定設(shè)計(jì)范圍，即電氣一次系統(tǒng)和電氣二次系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合之后擴(kuò)建的實(shí)際情況制定本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)原則和要求，確定主變壓器的設(shè)計(jì)方案。電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1引言本次風(fēng)電場(chǎng)的電氣設(shè)計(jì)中，最為重要的就是確定高壓部分的設(shè)計(jì)，換而言之就是確定電氣的主接線方案。結(jié)合主接線的設(shè)計(jì)原則與具體要求，設(shè)計(jì)電氣主接線方案，再進(jìn)一步進(jìn)行短路計(jì)算和電氣總平面的布置等工作。4.2電氣主接線4.2.1主接線設(shè)計(jì)原則在電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是主接線的設(shè)計(jì)，因?yàn)殡姎庵鹘泳€關(guān)系到電力系統(tǒng)中選擇不同的裝置和模塊，關(guān)系電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本次風(fēng)電場(chǎng)的主接線設(shè)計(jì)需要在保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠安全、并網(wǎng)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定和輸出優(yōu)質(zhì)的電能的基礎(chǔ)上，同時(shí)保證接線盡可能簡(jiǎn)單，便于后續(xù)維護(hù)和檢修，甚至擴(kuò)建，提高工程經(jīng)濟(jì)效益。在本次風(fēng)電場(chǎng)的主接線設(shè)計(jì)中，尤其需要引起重視的是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，其能否定位故障發(fā)生在何處，并將故障設(shè)備快速切除于電路中，便于檢修人員查找故障原因進(jìn)行維修，盡快恢復(fù)故障設(shè)備的正常運(yùn)行。4.2.2主接線設(shè)計(jì)要求可靠性主接線的可靠性是保證生活生產(chǎn)供電質(zhì)量的基本原則之一，包括宏觀可靠性和微觀可靠性，宏觀可靠性是指電氣一次系統(tǒng)和電氣二次系統(tǒng)之間相互配合的可靠性，微觀可靠性是指主接線的可靠性。其中最重要的是電氣設(shè)備的可靠性，可靠的電氣設(shè)備將大大減少對(duì)于電力線路的投資。關(guān)于主接線的可靠性具體有以下四點(diǎn)要求：第一，在巡檢斷路器等電氣設(shè)備時(shí)，保證電能的穩(wěn)定輸出；第二，當(dāng)母線和斷路器等重要電氣設(shè)備發(fā)生故障或損壞時(shí)，一級(jí)負(fù)荷做到保證不斷電，二級(jí)負(fù)荷做到保證盡可能不斷電；第三，諸如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大容量發(fā)電機(jī)組必須保證電能的可靠性；第四，諸如風(fēng)電場(chǎng)的電能上游供應(yīng)側(cè)必須保證電能的可靠性。靈活性主接線的靈活性主要是應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能發(fā)生的調(diào)度不同、日常檢修和擴(kuò)展容量等問題，具體有以下三點(diǎn)要求：第一，調(diào)度時(shí)需要保證一定的靈活性。只有發(fā)電機(jī)、電力線路和變壓器實(shí)現(xiàn)靈活地投切，才能與電力系統(tǒng)的負(fù)荷的不確定性和發(fā)生故障時(shí)的不確定性相適應(yīng)。第二，檢修時(shí)需要保證一定的靈活性。任何電氣設(shè)備在保證不間斷供電的基礎(chǔ)上靈活地投切，才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電與檢修。第三，擴(kuò)容時(shí)需要保證一定的靈活性。電力線路之間實(shí)現(xiàn)靈活地修改，才能在新的機(jī)組與舊的機(jī)組之間達(dá)到融合。經(jīng)濟(jì)性主接線的經(jīng)濟(jì)性是在保證可靠性和靈活性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，如果不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)主接線的可靠性和靈活性，更談不上保證經(jīng)濟(jì)性。關(guān)于主接線的經(jīng)濟(jì)性具體有以下三點(diǎn)要求：第一，投資盡可能少。首先，在主接線上選擇最為節(jié)省線材的設(shè)計(jì)，從而減少主接線上的保護(hù)設(shè)備，例如避雷器和互感器等。其次，在主接線的設(shè)計(jì)上盡可能保證二次接線的簡(jiǎn)易。第二，占地面積盡可能小。風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)不僅有一次設(shè)備的安裝，還有二次設(shè)備的安裝。因此，考慮到其他二次設(shè)備的布置，必須保證主接線設(shè)計(jì)的占地面積較小。第三，電能損失盡可能少。這一要求具體體現(xiàn)在升壓站的主變壓器的選擇上，如果能夠使用一級(jí)升壓，盡可能不使用二級(jí)升壓ADDINCNKISM.Ref.{462EE0E8EC8A42a89AFF40452F24A8BC}[13]。4.2.3主接線設(shè)計(jì)方案主接線的基本形式及其優(yōu)缺點(diǎn)單母線接線在變電站的電氣主接線設(shè)計(jì)中，多使用單母線接線。單母線接線就是通過一個(gè)開關(guān)控制接在這組母線上的所有電源和回路，所有電氣設(shè)備在這組母線上串聯(lián)運(yùn)行。單母線接線的主要優(yōu)點(diǎn)是接線較為簡(jiǎn)單，操作較為方便，連接設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)性高，并且母線便于向兩端延伸，方便擴(kuò)建；主要缺點(diǎn)是可靠性低，靈活性差，當(dāng)母線或母線側(cè)隔離開關(guān)檢修或故障時(shí)，所有設(shè)備和回路都要停止運(yùn)行。因此，單母線接線的形式適用于出線回路較少和對(duì)電能供應(yīng)的可靠性要求較低的變電站中。雙母線接線雙母線接線就是兩組母線同時(shí)運(yùn)行，并且通過母聯(lián)斷路器實(shí)現(xiàn)并列工作，平均分配電源和負(fù)荷。雙母線接線的主要優(yōu)點(diǎn)是供電可靠，當(dāng)檢修其中一組母線時(shí)，另一組母線通過倒閘操作實(shí)現(xiàn)正常工作，不影響正常供電；調(diào)度靈活，不同電源與回路負(fù)荷根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況隨意分配到任一組母線中；方便擴(kuò)建，擴(kuò)建母線時(shí)不影響其正常運(yùn)行。主要缺點(diǎn)是增加了母線長(zhǎng)度和配電裝置的架構(gòu)，增大了占地面積，增加工程成本；變更主接線形式時(shí)，倒閘操作容易導(dǎo)致誤操作；檢修回路斷路器時(shí)，該回路將斷電；任何一組母線故障時(shí)短時(shí)停電，母聯(lián)故障時(shí)兩組母線都停電。橋形接線橋形接線分為外橋接線和內(nèi)橋接線。外橋接線的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整變壓器較為簡(jiǎn)單，無需較多設(shè)備；主要缺點(diǎn)是在斷路器故障時(shí)，必須停止變壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)，直接影響正常的電能供應(yīng)。內(nèi)橋接線的主要優(yōu)點(diǎn)是高壓斷路器較少，切換線路較為簡(jiǎn)單；主要缺點(diǎn)是在斷路器故障時(shí)，檢修時(shí)間較長(zhǎng)，且線路必須斷電。角形接線角形接線的主要優(yōu)點(diǎn)是有效減少投資成本，當(dāng)線路或設(shè)備故障時(shí)，只需切除故障元件，且不影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；主要缺點(diǎn)是選擇電器設(shè)備時(shí)考慮的影響因素較多，不利于后續(xù)擴(kuò)建變電站。變壓器—線路單元接線變壓器—線路單元接線的主要優(yōu)點(diǎn)是操作方便，連接設(shè)備少，有效減少投資成本；主要缺點(diǎn)是當(dāng)線路或變電站的電氣設(shè)備故障時(shí)，線路必須斷電，很大程度上影響供電ADDINCNKISM.Ref.{6029CB78A1FB46558D3D6B7BDEDADED7}[14]。升壓站電氣主接線本次風(fēng)電場(chǎng)的220kV升壓站電氣主接線設(shè)計(jì)采用單母線接線，出線1回。由于220kV升壓站的出線為1回，當(dāng)電力線路故障時(shí)，整個(gè)升壓站將會(huì)斷電，所以在出線處裝設(shè)斷路器顯得多此一舉，且增加了工程成本，提高了電氣設(shè)備故障率ADDINCNKISM.Ref.{875A093ABF43465cB7C1C52F13F4F755}[15]。風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線由前文選出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)WTG3可知其出口電壓為690V，通過裝設(shè)升壓變壓器以及一系列升壓過程接至220kV變電站中。其中，裝設(shè)升壓變壓器有兩個(gè)方案，分別是將690V升至10kV或35kV。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為兆瓦級(jí)時(shí)，若將690V升至10kV，每回10kV的匯流母線上可接3-4臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；若將690V升至35kV，每回35kV的匯流母線上可連接更多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由此可知，將690V升至35kV的升壓方案更加合適，減小線損，節(jié)省電力線路投資成本，提高工程經(jīng)濟(jì)性。因此，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)主接線的設(shè)計(jì)原則和要求，參考當(dāng)前的風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)一般慣例設(shè)計(jì)主接線方案，一是在電壓匹配方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和箱式變壓器在低壓出線側(cè)設(shè)定為690V，高壓出線側(cè)設(shè)定為35kV；二是在電能輸送的經(jīng)濟(jì)性方面，將33臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的WTG3型風(fēng)力發(fā)電機(jī)平均分為3組，每組各11臺(tái)。最終實(shí)現(xiàn)本風(fēng)電場(chǎng)的電能供應(yīng)。風(fēng)電場(chǎng)的電氣主接線圖如圖4-1所示。圖4-1風(fēng)電場(chǎng)的電氣主接線圖4.3.3短路電流的計(jì)算過程4.3一次系統(tǒng)短路電流計(jì)算計(jì)算一次系統(tǒng)的短路電流，將為本次風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備選擇提供參考。下文將在短路電流的計(jì)算要求上，計(jì)算出該風(fēng)電場(chǎng)的短路電流。4.3.1短路電流的計(jì)算目的由于短路電流的數(shù)值直接決定了電氣設(shè)備的絕緣裝置和防護(hù)措施，所以其也為斷路器和互感器等電氣設(shè)備的選擇提供依據(jù)。短路電流的數(shù)值為繼電保護(hù)等等裝置的整定數(shù)據(jù)提供依據(jù)。評(píng)價(jià)主接線的設(shè)計(jì)方案時(shí)，短路電流的結(jié)果作為評(píng)價(jià)依據(jù)，確定電力線路中是否需要添加抑制短路電流的設(shè)計(jì)方案。短路電流的計(jì)算結(jié)果與電力系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性和通信線路的電磁屏蔽等工作有關(guān)。確定中性點(diǎn)的接地方式ADDINCNKISM.Ref.{5DBF83BD95FE45ec8A6E9F659793D751}[13]。4.3.2短路電流的計(jì)算要求在計(jì)算該風(fēng)電場(chǎng)的短路電流的過程中，假設(shè)電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生短路，短路電流值為峰值時(shí)，遵循以下四點(diǎn)要求進(jìn)行計(jì)算：第一，不僅是所有的電源，而且電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備都在額定功率下運(yùn)行；第二，電力系統(tǒng)在最大運(yùn)行方式的接線方式下運(yùn)行；第三，按照三相短路的故障情況進(jìn)行短路電流計(jì)算；第四，關(guān)于短路計(jì)算點(diǎn)的選擇，為電氣設(shè)備的短路電流節(jié)點(diǎn)ADDINCNKISM.Ref.{F1B58A6B17D34f0b91BECE1D53C02362}[12]。4.3.3短路計(jì)算的過程在短路計(jì)算的過程中選擇系統(tǒng)阻抗時(shí)，選取220kV側(cè)的阻抗，選取100MW為基準(zhǔn)容量，35kV的母線按兩臺(tái)主變壓器分列運(yùn)行仿真。使用PSASP軟件畫等值阻抗圖。等值阻抗圖如圖4-2所示。圖4-2風(fēng)電場(chǎng)的等值阻抗圖根據(jù)等值阻抗圖設(shè)置故障類型和故障地點(diǎn)。運(yùn)行單線圖，輸出短路報(bào)表。短路電流計(jì)算結(jié)果表如表4-1所示。表4-1短路電流計(jì)算結(jié)果表短路電流簡(jiǎn)表短路作業(yè)名：作業(yè)1故障類型：ABC三相短路區(qū)域分區(qū)廠站全網(wǎng)全網(wǎng)全網(wǎng)母線名短路電流（kA）短路容量（MVA）0.69kV41.5730.69220kV16.884260.1335kV23.39939.13由短路電流的計(jì)算結(jié)果可知，本次風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的35kV母線和220kV母線的短路電流水平分別為31.5kA和40kA。確定完短路電流這一參數(shù)后，下文將以此選擇主要電氣設(shè)備。4.4主要電氣設(shè)備選擇根據(jù)《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和以上的短路電流計(jì)算結(jié)果，主要電氣設(shè)備的選擇如表4-2所示。表4-2主要電氣設(shè)備的選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)組序號(hào)設(shè)備名稱型號(hào)規(guī)格單位數(shù)量備注1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組WTG3額定電壓690V額定容量1.5MW出廠標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)：1.0功率因數(shù)可調(diào)節(jié)范圍：-0.9～+0.95臺(tái)332機(jī)組保護(hù)控制柜套33機(jī)組配套升壓站設(shè)備序號(hào)設(shè)備名稱型號(hào)規(guī)格單位數(shù)量備注1主變壓器SFZ10-100000/220100MW，220±8×1.25%/35kV，Ud=14%，Ynd11臺(tái)1帶載調(diào)壓2中性點(diǎn)接地保護(hù)裝置套13隔離開關(guān)GW7-220額定電壓：220kV額定電流：2000A額定短時(shí)耐受電流：40kA/4s額定峰值耐受電流：100kA三相組74斷路器LW14-220額定電壓：220kV額定電流：2000A額定頻率：50HZ額定開斷電流：40kA額定關(guān)合電流（峰值）：100kA熱穩(wěn)定電流（3s）：40kA三相組15抽屜式斷路器三相組16避雷器YH10W-204/532臺(tái)47電流互感器LCWB6-220變流比：2*300/5A額定電壓：220kV臺(tái)2835kV共箱母線2500A米25935kV開關(guān)柜KYN-40.5出線柜：KYN口－40.5額定電壓：40.5kV額定電流：2000A4s熱穩(wěn)定電流：31.5kA額定動(dòng)穩(wěn)定電流：80kA進(jìn)線柜：額定電壓：40.5kV額定電流：630A4s熱穩(wěn)定電流：25kA額定動(dòng)穩(wěn)定電流：63kA面101035kV場(chǎng)用變壓器SC11-315/35/0.4容量315kVA電壓比：35±2×2.5%/0.4kVDyn11Ud=6.0%臺(tái)11135kV消弧消諧裝置（帶PT）50面112無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置20Mvar動(dòng)補(bǔ)套113抽屜式低壓配電屏GCS10.4kV面614照明項(xiàng)115接地項(xiàng)1箱變及場(chǎng)內(nèi)線路序號(hào)設(shè)備名稱型號(hào)規(guī)格單位數(shù)量備注1箱式變壓器S11-1600/35額定電壓：高壓側(cè)35kV、低壓側(cè)0.69kV額定容量：1600kVA阻抗電壓：6.5%聯(lián)接組別：Dyn11調(diào)壓范圍：35±2×2.5%高壓負(fù)荷開關(guān)：油浸式負(fù)荷開關(guān)高壓熔斷器：全范圍保護(hù)熔斷器低壓斷路器：2000A，50kA（低溫型）臺(tái)332電力電纜YJY23-3x240+1x1501kV風(fēng)機(jī)至箱變（4根并聯(lián)）3電力電纜YJY23-3x5035kV箱變至電桿4電力電纜YJY23-3x24035kV電桿至開關(guān)柜5電纜終端熱縮型3x240+1x1501kV6電纜終端冷縮型3x5035kV7電纜終端冷縮型3x24035kV送去工程序號(hào)設(shè)備名稱型號(hào)規(guī)格單位數(shù)量備注1220kV架空線路LGJ-3004.5電氣總平面布置及配電裝置布置4.5.1220kV配電裝置220kV的電氣設(shè)備及其配電裝置一般安裝在戶外。結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的地理?xiàng)l件，本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)采用戶外安裝和分相中型型式單列布置，共計(jì)設(shè)置4個(gè)間隔，每個(gè)間隔寬約13米。4.5.235kV配電裝置與220kV的電氣設(shè)備類似，35kV的配電裝置一般也安裝在戶外。結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的自然資源，本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)采用戶外安裝和普通中型型式布置，共計(jì)設(shè)置9個(gè)間隔，每個(gè)間隔寬約5.5米。該設(shè)計(jì)雖然占地面積較大，但布置簡(jiǎn)單，運(yùn)行高效，母線的檢修較為方便，且建設(shè)工作量小，建設(shè)時(shí)間短，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。4.5.3配電裝置由于電力線路的交叉將影響風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行，故配電裝置的布置應(yīng)系統(tǒng)規(guī)劃，間隔排列。4.5.435kV無功補(bǔ)償裝置35kV無功補(bǔ)償裝置與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)35kV的電氣設(shè)備臨近布置。4.5.5380/220V場(chǎng)用配電裝置由于380/220V場(chǎng)用配電裝置等低壓設(shè)備電壓等級(jí)低，為了確保其經(jīng)濟(jì)效益，與用電端臨近布置。4.5.6風(fēng)機(jī)塔箱式變壓器風(fēng)機(jī)塔箱式變壓器與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組臨近布置。4.5.7電纜設(shè)施當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電壓等級(jí)為220kV的電力線路需要穿過圍墻時(shí)，電纜設(shè)施一般采用絕緣套管或地下高壓電纜布置。本風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的主變壓器出口220kV電力線路的電纜需埋在地下或在地下建設(shè)電纜通道，在地下建設(shè)電纜通道時(shí)需通過橋架固定電纜。由于電纜線路將通過開關(guān)柜和配電盤等終端設(shè)備進(jìn)入室內(nèi)，故需用防火絕緣的材料封堵電纜所在的路徑。4.6防雷接地及絕緣配合4.6.1防雷保護(hù)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的具體情況可知，本風(fēng)電場(chǎng)處于露天環(huán)境，雷電容易直擊場(chǎng)內(nèi)電氣設(shè)備，造成雷擊過電壓、設(shè)備損害甚至事故發(fā)生，故風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)必須裝設(shè)避雷針。根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓和絕緣配合》DL/T7620-1997的參考標(biāo)準(zhǔn)，本次風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)是裝設(shè)七根避雷針構(gòu)成防雷保護(hù)，其中在主變電站裝設(shè)兩根220kV用避雷針，在風(fēng)電場(chǎng)其余位置裝設(shè)五根避雷針ADDINCNKISM.Ref.{93EF382BC4DE43cb85C2C7D31D87F3CE}[16]。除此之外，需在母線上裝設(shè)一組復(fù)合絕緣氧化鋅避雷器防止雷電侵入波導(dǎo)致的電能質(zhì)量下降，在主變壓器的高低側(cè)均裝設(shè)氧化鋅避雷器確保安全ADDINCNKISM.Ref.{D05FEB7711F34dba93CBEC21B655E2C8}[17]。4.6.2接地保護(hù)由《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997的參考標(biāo)準(zhǔn)可知，主變壓器接地時(shí)需與地面保持水平，且在較高電壓等級(jí)時(shí)，結(jié)合水平與垂直進(jìn)行接地，達(dá)到熱穩(wěn)定性的要求。裝設(shè)完主變壓器接地保護(hù)后，需在主變電站的人流活動(dòng)區(qū)裝設(shè)均壓裝置，防止跨步電壓導(dǎo)致事故。4.7站用電及照明通信4.7.1站用電源由于本風(fēng)電場(chǎng)的升壓站內(nèi)的供電電壓為380/220V，需運(yùn)行低壓設(shè)備，故需在主變電站附近裝設(shè)兩臺(tái)三相四線制且中性點(diǎn)接地的變壓器互為備用。當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)變壓器只給其對(duì)應(yīng)的母線供電，而故障時(shí)互補(bǔ)運(yùn)行，提高電力線路的可靠性ADDINCNKISM.Ref.{4D453BD8854A4003B7BCDE3AAEBC9595}[13]。4.7.2全站照明本風(fēng)電場(chǎng)升壓站的站內(nèi)照明分為工作照明和事故照明。工作照明為日常照明，采用380/220V三相四線制TN-C-S系統(tǒng)供電，事故照明即故障照明，采用蓄電池直流母線向直流220V系統(tǒng)供電。當(dāng)工作照明系統(tǒng)故障時(shí)，事故照明電源立即投入運(yùn)行。關(guān)于照明光源又分為室外照明和室內(nèi)照明。室外照明為在主變電站內(nèi)裝設(shè)可自由調(diào)整方向的投光燈，實(shí)現(xiàn)站外道路的照明，且在配電裝置區(qū)內(nèi)采用金鹵泛光燈的混合照明。室內(nèi)照明分為工作照明和事故照明，在220kV和35kV配電裝置區(qū)內(nèi)裝設(shè)使用時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)能型壁燈以及節(jié)能泛光燈實(shí)現(xiàn)照明需要；在主控室內(nèi)裝設(shè)防塵防水燈、安全工具室內(nèi)裝設(shè)節(jié)能型壁燈、警衛(wèi)室和資料室內(nèi)裝設(shè)吸頂熒光燈，滿足工作照明的需要；在各配電裝置室內(nèi)裝設(shè)白熾燈，滿足事故照明需要ADDINCNKISM.Ref.{11D83FAEF66E495190BA3B32CFECB315}[18]。4.7.3全站通信電力通信網(wǎng)依托風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行建設(shè)，屬于風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，本風(fēng)電場(chǎng)的通信設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)國家、企業(yè)和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制度和相關(guān)法律法規(guī)，在工程建設(shè)、運(yùn)行檢修和技術(shù)升級(jí)等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全過程和全方位的技術(shù)監(jiān)督，貫徹落實(shí)“安全第一，預(yù)防為主，管理和技術(shù)并重，超前預(yù)防”的方針，滿足安全可靠、實(shí)用先進(jìn)和便于擴(kuò)充等要求ADDINCNKISM.Ref.{4EC94DF7EF5A4bdd84DC69AC6F997E68}[19]，建立健全質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量三位一體的技術(shù)監(jiān)督體系A(chǔ)DDINCNKISM.Ref.{3A15A9D2608846e7A9E1F81BA12FC962}[20]。通信方式一般發(fā)電廠內(nèi)的通信方式通信分為與生產(chǎn)調(diào)度相關(guān)和與生產(chǎn)管理相關(guān)的信息交互，本風(fēng)電場(chǎng)的站內(nèi)通信由一套數(shù)字程序控制交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互，該交換機(jī)共計(jì)60門，并具有擴(kuò)容能力。與此同時(shí)，數(shù)字程序控制交換機(jī)又與系統(tǒng)中繼相連。中繼接口采用2M數(shù)字接口。通信電源數(shù)字程序控制交換機(jī)的通信電源與電力系統(tǒng)的通信設(shè)備共用，采用直流-48V電源配電ADDINCNKISM.Ref.{12222BDCB2AE482585EB58584D44AB54}[21]。4.8小結(jié)本章主要進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的電氣一次系統(tǒng)的總體規(guī)劃與設(shè)計(jì)。首先根據(jù)主接線的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要求制定主接線方案。其次，通過短路電流的計(jì)算結(jié)果為電氣設(shè)備的選型提供依據(jù)，總結(jié)出主要電氣設(shè)備的選擇要求。再者，進(jìn)行電氣總平面的布置設(shè)計(jì)。最后不可忽視的是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的防雷接地保護(hù)和照明通信部分，確保風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)引言為了減少本風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)造成的負(fù)面影響，設(shè)計(jì)較為完善的電氣二次系統(tǒng)是必不可少的。結(jié)合電氣二次系統(tǒng)接線的設(shè)計(jì)原則，本風(fēng)電場(chǎng)對(duì)操作單元等電氣設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控，并開展繼電保護(hù)裝置的規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。通過電氣二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，同時(shí)為電氣一次系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保證。 二次接線5.2.1二次接線設(shè)計(jì)規(guī)則本風(fēng)電場(chǎng)的電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為綜合樓主控室和電子設(shè)備間。其中綜合樓主控室內(nèi)裝設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作臺(tái)和圖像監(jiān)控操作臺(tái)，電子設(shè)備間裝設(shè)操作電源和繼電保護(hù)裝置等二次設(shè)備。本風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控部分由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制命令。此外，在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)裝設(shè)監(jiān)控/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)作為監(jiān)控部分的備用操作控制指令。5.2.2信號(hào)為了確保計(jì)算機(jī)監(jiān)控的準(zhǔn)確性，需在本風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵位置采用關(guān)鍵點(diǎn)單獨(dú)采集的方式。如在主變電站中，在高壓側(cè)的斷路器等電氣設(shè)備的信號(hào)采用單獨(dú)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，但在低壓側(cè)只需采用串口通信的方式。5.2.3測(cè)量本風(fēng)電場(chǎng)在主變壓器220kV出線側(cè)、35kV出線側(cè)和其余變壓器等節(jié)點(diǎn)裝設(shè)三相四線制全電子式多功能電能表采集信號(hào)，測(cè)量電壓值和電流值。5.2.4電量本風(fēng)電場(chǎng)通過數(shù)字式電量表連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓值和電流值的采集。5.2.5“五防”系統(tǒng)為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，本次風(fēng)電場(chǎng)的二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足“五防”的要求，即防止帶負(fù)荷分、合隔離開關(guān)；防止帶電掛（合）接地線（接地開關(guān)）；防止誤分、合斷路器；防止誤入帶電間隔；防止帶地線送電。具體措施如下：第一，為了防止帶電時(shí)開后門，在35kV開關(guān)柜后門與地刀或智能操控裝置之間設(shè)置電氣閉鎖；第二，為了防止母線接地時(shí)斷路器閉合，在35kV開關(guān)柜內(nèi)的斷路器與母線接地手車之間設(shè)置電氣閉鎖；第三，為了防止手車在工作位或負(fù)荷側(cè)帶電時(shí)合地刀，在地刀與手車和智能操控裝置之間設(shè)置電氣閉鎖；第四，為了防止線路帶電或接地時(shí)推入手車，在斷路器手車與各自斷路器及35kV開關(guān)柜內(nèi)地刀之間設(shè)置電氣閉鎖；第五，在母線接地手車與各35kV開關(guān)柜內(nèi)斷路器手車和母線帶電顯示器之間設(shè)置電氣閉鎖，在35kV開關(guān)柜內(nèi)斷路器手車均處于試驗(yàn)位且母線不帶電時(shí)可推入接地手車ADDINCNKISM.Ref.{C64418A8419842df837A2F258AE6B831}[22]。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)5.3.1風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)包括了在線的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器以及綜合樓主控室中的集中監(jiān)控裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器又分為電源單元和計(jì)算機(jī)單元，電源單元主要使異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)同期，計(jì)算機(jī)單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制ADDINCNKISM.Ref.{B0039E191A1D4e049F053B7410D018DF}[23]。在綜合樓主控室中，集中監(jiān)控裝置的對(duì)象為33臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的WTG3型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可對(duì)其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)開機(jī)或停機(jī)以及向順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，主要由中央監(jiān)控層、風(fēng)機(jī)現(xiàn)地監(jiān)控層和場(chǎng)內(nèi)通信設(shè)備構(gòu)成。其中，中央控制層中配置操作員站、后臺(tái)監(jiān)控軟件、服務(wù)器和打印機(jī)等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)地監(jiān)控層中配置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控及偏航系統(tǒng)、箱變監(jiān)控系統(tǒng)以及變頻和變槳控制系統(tǒng)等ADDINCNKISM.Ref.{A2525B3E20FD46caB2851CB29558CD5D}[22]。5.3.2升壓站監(jiān)控系統(tǒng)本風(fēng)電場(chǎng)的升壓站內(nèi)系統(tǒng)包括了站控層和間隔層，再加上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。站控層中配置主機(jī)兼操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)工作站和公用接口裝置等，其中主機(jī)和遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)工作站完全可靠地測(cè)量、監(jiān)視并控制站內(nèi)全部電氣設(shè)備，具有遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能，同時(shí)做到時(shí)鐘同步，與電網(wǎng)的調(diào)度中心進(jìn)行信息傳輸與交換。間隔層中配置保護(hù)測(cè)控裝置等二次設(shè)備，其中35kV系統(tǒng)監(jiān)控與保護(hù)一體化設(shè)備采集和監(jiān)控就地?cái)?shù)據(jù)ADDINCNKISM.Ref.{48CB31248FAE4d15938BE905F10DA49D}[22]。風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)裝置5.4.1主變電站保護(hù)220kV母線保護(hù)采用縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的方式，其中通信方式為光纖通信，通過裝設(shè)獨(dú)立觀測(cè)屏觀測(cè)信號(hào)。主變壓器保護(hù)主變壓器的變比為35/220kV，且高低壓兩側(cè)均為單母線接線，但高壓側(cè)采用中性點(diǎn)直接接地的形式，低壓側(cè)采用小電流接地的形式。主保護(hù)：微機(jī)差動(dòng)保護(hù)作用。220kV側(cè)后備保護(hù)主變高壓