欧米新能源([风电场电气设计标准化])

2008 中国风电技术发展研究报告

海南 三亚

风电场工程电气设计标准化

王俊花

河北省电力勘测设计研究院,河北 石家庄 050031 要:本文对风电场及升压站设计方案,从主接线形式,设备选型,配电装置选型,电气总平面布 置,风电场特殊问题的考虑等方面进行了阐述,并进行了标准化.优化出的方案不仅安全,经 济,合理,而且具有很高的通用性,可大大提高设计效率. 关键词:风电场 升压站 设计方案 标准化 中图分类号: 文献标识码: 摘

The standardization of the design for the project of wind power station

Abstract: This article focuses on the wind power station and the rise of voltage stations and provides design project. All the aspects including the form of sigle line, main equipment selection, distribution device selection, general electric layout, special issue of wind farm are given detailed description and standardization. The optimized project is not only secure, economic, reasonable, and highly versatile, which can greatly improve the efficiency of the design. Key words:Wind power stations Rise of voltage stations Design Project Standardization

引言:

目前国内风电项目呈井喷之状,为保证设计 质量和进度, 进行标准化设计势在必行.作者在 设计实践过程中做了标准化设计的尝试,愿与大 家共享,不当之处欢迎批评指正.

1. 风电场部分:

1.1 接线形式标准化

风电场部分的接线统一采用一机一变的单元 接线形式,这样不仅运行灵活可靠,在布置上也 好实现.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. 风机和箱变的 380/220V 场用电源取自各自所 带的干式变,单母线接线. 对敞开式变压器不需 380/220V 电源, 温控器 等二次元件采用无源型.

1.2 设备选型的标准化

短路电流水平, 根据经验:

对风电场风机出口 (或升压变低压侧) 20kA 按 选择;升压变高压侧按 31.5kA 选择. (1)风电机组的升压变压器选型 风机升压变统一采用无载油浸双卷变压器, 电压等级一般选用 35kV/0.69kV,接线组别 D, YN11.它一般可以采用敞开式变压器和箱式变电 站两大类. 敞开式变压器在价格上比较低廉(相对于箱 式变电站),但其安装占地面积大,安装周期长, 需要定期维护,高低压侧设备安装较复杂. 箱式变电站具有结构紧凑,成套性强,运行 可靠,免维护,造型美观等优点,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. 风电机组的升压变压器推荐采用箱式变电站形 式. (2)高,低压侧设备选型 敞开式变压器高压侧采用跌落保险,避雷器 保护,低压侧采用断路器保护;箱式变电站高压 侧采用负荷开关,熔断器,避雷器保护,低压侧 采用断路 器保护. 下面为敞开式和箱变的接线 图.

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1.3 布置上的标准化

风机和线路杆塔的距离一般考虑 25m 左 右.升压变压器(或箱变)布置在风力发电 机组 10m 以外.这样可保证塔架,叶片吊装 的安全距离;也可避免风力发电机组维护 时,工作人员从机舱放下的吊装绳索,在风 力或其他外力作用下荡起后的安全距离;还 可避免风机接闪器引来的雷电对变压器(箱 变)造成反击. 如果升压变压器(或箱变)放在线路架 空线的下边时:若在杆塔旁边,会导致由线 路引来的雷电的反击,若在稍远离杆塔的地 方又会与杆塔的斜拉线碰撞,并且还会增大 低压电缆的用量. 高压侧直接通过导线 T 接 到架空线上, 接跳线通常十几米乃至二十几 T 米,风摆非常厉害,往往将 T 型线夹拽断, 还会增加杆塔的受力.因此该布置方案不宜 采用. 推荐的升压变压器(箱变)布置见下图. 变压器的低压侧通过电缆与风机电源柜相 连;变压器的高压侧通过电缆沿杆塔引上, 再通过短导线 T 接到架空线路上.

具体布置要求如下: (1)α为升压变压器(箱变)中心点与 风机中心点连线与正北方向顺时针 旋转角度 (这与施工单位的定位仪显 示的角度是一致的,可方便施工). (2)15m 为升压变压器(箱变)中心点与 风机中心点的距离. (3)升压变压器(箱变)中心点在风机 中心点与距风机最近的杆塔中心点的连线上 .

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, 风电就地接入电网会对系统的稳定造成 威胁,一般采用 500kV 高压送出,分级消 纳的原则设计.本文不考虑该地区的工 况. 220kV 或 110kV 主接线: 西北地区以外的大部分地区的风电 场,一般采用 220kV 或 110kV 就地接入系 统.升压站高压侧一般只有 1 回或 2 回出 线.当升压站高压侧有 1 回出线时采用单 母线接线. 当升压站高压侧有 2 回出线时, 采用单母线分段接线,单母线分段不仅接 线简单清晰,操作简单,且运行的可靠性 和灵活性也高. 35kV 接线: 低压一般为 35kV,建议选用单母线形 式. 据了解, 目前主变及电气设备每间隔 3 年才检修一次,且一天内即可检修完毕, 以后检修间隔年限还有可能延长.35kV 母 线不设分段,对运行的可靠性影响不大, 但

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却减少了 2 面开关柜或 1 个分段间隔的投 资. 380V/220V 接线:对 220kV 变电站采用 单母线分段; 110kV 变电站采用单母线接 对 线.

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 场本身和系统两部分提供. 根据经验, 对选择设备用的短路电流可规 范如下: 对 220kV/35kV 变电站: 220kV 母线按 40kA 选择;35kV 母线按 31.5kA 选择. 对 110kV/35kV 变电站: 110kV 母线按 31.5kA 选择;35kV 母线按 31.5kA 选择. (1)主变压器选型 采用常规的 2 卷变压器, 接线 组别选用 YN,D11 型.常规形式不 仅造价低廉,且结构简单,性能可 靠. 不考虑主变 35kV 级接成 Y 型, 并增加第 3 个平衡绕组的非标形 式.对电容电流超标问题,不在主 变中性点加电阻或削弧装置解决. 考虑在 35kV 母线上加装削弧消谐 成套装置,在下边的电容电流超标 特殊问题中还有叙述. (2)220kV 设备选型(对 220kV/35kV 变电站) 220kV 断路器考虑采用 SF6 形式. 220kV 隔离开关先用 GW7 型, 220kV 电流互感器采用油浸式.以上选择都 是很成熟的产品,不仅价格低廉,运 行经验丰富,而且其可靠性也很好. 220kV 隔离开关先用 GW7 型可使得配 电装置布置更加紧凑,节省了占地. 选 GW7 型, 220kV 间隔宽采用 13m 就可 以了,若选用 GW4 型,则间隔宽度需 15m 才行 . (3)110kV 设备选型(对 110kV/35kV 变 电站) 110kV 断路器考虑采用 SF6 形式.

110kV 隔离开关先用 GW4 型, 110kV 电 流互感器采用油浸式.以上选择都是 很成熟的产品,不仅价格低廉,而且 其可靠性也很好. (4) 35kV 设备选型 对 220kV/35kV 变 电 站 和 110kV/35kV 变电站 ,35kV 均选用手车 式开关柜.手车式开关柜比固定式开关 柜尺寸更小,可减少建筑物的面积,且 维护方便.目前国产 35kV 手车式开关 柜已是成熟产品,且性能稳定.. (5)无功补偿部分选型 考虑选用动态无功补偿装置. 它能 够在其容量范围内进行线性或梯级自 动调节,更适合于风电场多变的工况, 有效地解决大型风电场接入电网后带 来的不良影响, 提高了风电场送出的电 能质量

2.3 配电装置形式的标准化

220kV 或 110kV 配电装置: 在地震烈 度低于 8 度的地区,采用户外支持式管 母线,中型配电装置方案.该方案具有 架构简单,运行维护方便,布置清晰, 钢材耗量少等优点. 35kV 配电装置:推荐采用户内开关 柜形式.与户外敞开形式相比, 推荐的 户内开关柜方案占地省,安装周期短, 维护简单,每间隔控制电缆可减少 800m 左右,还可减少二次控制屏的数量.

2.4 电气总平面布置的标准化

220kV(或 110kV)和 35kV 配电装置采 用对侧布置形式,主变布置在中间. 220kV(或 110kV) 配电装置采用双列布 置形式.这样不仅布置紧凑,接线顺畅, 还可减少材料量. 总平面布置的优化可节 约占地, 减少投资. 下面是某 110kV 变电 站的电气总平面布置图.

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3. 风电场特殊问题—--归类标准化 处理

3.1"单相接地电容电流超标问题"解决方 案的标准化

规程规定: 35kV 单相接地电容电流允许值为 10A. 当 35kV 集电线路采用架空线时, 单相接地电容电 流可达十几安乃至几十安. 当 35kV 集电线路采用电缆时, 单相接地电容电流 可达上百安甚至更高. 这里考虑的解决措施是: 在每段 35kV 低压母线上 安装"消弧消谐成套装置".目前"消弧消谐成 套装置"已是国内成熟产品.这样不仅解决了弧 光过电压的问题,还避免了谐振过电压.使得系 统能够安全稳定地运行.

保护接地使用一个总的接地装置.其接地体首先 利用风力发电机基础作为自然界接地体,再敷设 人工接地网,以满足接地电阻的要求.主接地网 采用以水平接地网为主垂直接地网为辅的复合地 网.风电场水平接地网和设备接地引下线均采用 -60×6 热镀锌扁钢 , Φ60 热镀锌钢管作为垂直 接地体. 风机升压变接地 :风机升压变(或箱变)接 地网采用以水平接地网为主,垂直接地网为辅的 复合地网,水平接地网和设备接地引下线均采用 -60×6 热镀锌扁钢,Φ60 热镀锌钢管作为垂直 接地体. 风机的接地网和风机升压变的接地网可连为 一体,但不与线路杆塔地网相连, 避免饶击到线 路上的雷电通过线路杆塔地网对变压器造成反 击.详叙如下: a) 风机,变压器,变压器中性点采用共网的接地 方式.变压器主接地网与风机外环形地网之间的 连接扁钢的长度应大于 15m,可避免打到风机叶片 接闪器上的雷电通过风机的接地网对变压器造成 反击. b) 当一组风机,变压器的地网不满足 4Ω的阻值 要求时,可与相邻的风机,变压器地网相连,连 接个数不限,直到满足为止.连接材料选用 2 根 -60×6 的热镀锌扁钢. 一般连 2~3 个风电机组即 可满足要求.当连了 2~3 个风电机组,还不满足 接地电阻要求,又与其它风电机组距离较远时, 可采用补加射线的方法降低阻值.风电场接地示 意图如下:

3.2 风电场接地问题解决方案的标准化

建在海边或土壤对钢材有腐蚀的地域的风电 场,接地材料采用铜质. 建在草原或沙漠上的风电场,土质对钢材一 般无腐蚀,接地材料采用钢质. 建在草原或沙漠上的风电场,土壤电阻率一般都 很高,高达几百欧米甚至上千欧米.正常做法做 的接地网很难满足风电机组小于 4 欧的要求. 风电场实用解决方案如下: 风力发电机组的的接地: 风电机组的工作接地和

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3.3 升压站接地问题解决方案的标准化

建在海边或土壤对钢材有腐蚀的地域的升压 站以及 GIS 配电区,接地材料采用铜质. 建在草原或沙漠上的升压站,土质对钢材一般无 腐蚀,接地材料采用钢质. 建在草原或沙漠上的升压站,土壤电阻率一 般都很高,高达几百欧米甚至上千欧米.正常做 法做的接地网很难满足升压站小于 0.5 欧的要求. 解决方案如下: 升压站的接地网采用以水平接地网为主,垂 直接地网为辅的复合地网.对 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-60×8 热镀锌扁钢;Φ60 热镀锌钢管作为垂 直接地体.对 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,Φ60 热镀锌钢管作为垂直接地体.以满 足 0.5Ω的阻值要求. 当不满足阻值要求时可根据 实际情况采取相应的措施.一般措施有:扩网, 外引接地体,换土,加降阻剂, 打接地深井,打 爆裂深井, 安装离子棒 ,安装离子模块等.

3.4 选用 "动态无功补偿装置形式"的标 准化

推荐选用"磁控式动态无功补偿装置"类型,并 将其推广并标准化. 由于风力发电输出功率的不稳定性,使得所 需无功不是一个定值,它需要根据风机出力自动 调整大小,常规的电容器组已无法满足工况的需 要.必须选用动态无功补偿装置. 目前市面上常见的有三种形式: 磁控式动态 无功补偿装置,调压式动态无功补偿装置,相控

式动态无功补偿装置. 磁控式动态无功补偿装置原理是:磁控电抗器采 用直流助磁原理,利用附加直流励磁磁化铁心, 改变铁心磁导率,实现电抗值的连续可调,从而 调节电抗器的输出容量,实现无功功率的柔性补 偿.其内部为全静态结构,无运动部件,工作可 靠性高. 能够实现快速平滑调节, 响应时间为 100 —300ms,补偿效果满足风场工况要求. 磁控电抗器采用低压晶闸管控制,其端电压仅为 系统电压的 1%～2%,无需串, 并联,不容易被击穿,安全可靠. 设备自身谐波含量少, 不会对系统产生二次污染. 占地面积小,安装布置方便. 装置投运后功率因数可达 0.95 以上, 消除电压波 动及闪变,三相平衡符合国际标准.价格适中. 首选推荐. 调压式动态补偿装置原理是:采用电压调节器来 改变电容器端部输出电压.根据 Q=2πfCU2 改变电容器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, 目前生产的装置可实现容量从(100-36)%分九 级输出.该装置为分级补偿方式,容易产生过补, 欠补. 由于调压变压器的分接头开关为机械动作过 程,响应时间慢(4s),无法及时跟踪系统无功 变化和电压闪变,补偿效果差.但比常规的电容 器组的补偿效果要好的多. 在调压过程中,电容器频繁充,放电,极大影响 电容器的使用寿命. 由于有载调压变压器的阻抗,使得滤波效果

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差.但价格便宜,目前有一定的市场,但其不是 理想的形式,只是过渡阶段的产物,不予推荐. 相控式动态无功补偿装置原理是: 相控式原理的 可控电抗器的调节原理见下图 所示. 通过对可 控硅导通时间进行控制,控制角为 α ,电流基波 分量随控制角 α 的增大而减小,控制角 α 可在 0°~90°范围内变化.

相控式原理图 优点: 响应速度快,≤40ms.适合于冶金行业. 缺点:晶闸管要长期运行在高电压和大电流工况 下,容易被击穿,维护困难;产生谐波电压污染 电网,需配套滤波装置,占地面积很大,价格昂 贵.在风电工况下不予推荐使用.

3.5 对风电场高海拔问题考虑的标准化

当海拔高度 2500m ≥H>1000m 时, 需对电气 设备的外绝缘进行修正,并选用高海拔产品.修 正系数计算公式为:Ka=1/(1.1-0.0001 H ),H 为设备安装地点的海拔高度,单位 m. 当海拔高度 4000m ≥H>2500m 时, 建议 220kV 和 110kV 配电装置采用 GIS 形式;35kV 配电装置采 用 SF6 充气柜.

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e

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T2

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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与提炼, 愿与同行交流, 并为风电场的标准化设计贡献出 自己的一份力量. 备注:论文议题编号为"(7)".

作者****: 河北省电力勘测设计研究院 联系电话: 0311---87912590 信箱: 新能源工程部 [1**********] 风电电气专业 王俊花

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