風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

呂壽鵬

【摘 要】目前風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)發(fā)電廠設(shè)計(jì)的原理相同，但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不一定適合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行需求。所以必須針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線設(shè)計(jì)的進(jìn)行改進(jìn)。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過對(duì)風(fēng)機(jī)的分組和連接方式、風(fēng)電場(chǎng)集電線路方案、風(fēng)電場(chǎng)短路電流計(jì)算及設(shè)備選取等的問題進(jìn)行深入的計(jì)算與討論，提出一套適用于風(fēng)機(jī)分組連接、集電線路設(shè)計(jì)的可行方案。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)能；鏈形；接入系統(tǒng)；

【中圖分類號(hào)】TM761【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）02-0302-01

風(fēng)能是一種無污染的可再生能源。隨著各國(guó)對(duì)全球溫室氣體排放問題解決的緊迫性和傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)的日趨緊張，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生的發(fā)電方式，也是新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟和最具規(guī)模的發(fā)電方式之一，已經(jīng)越來越多受到世界各國(guó)的重視。在過去的幾年間，風(fēng)電發(fā)展規(guī)模不斷超越其預(yù)期的發(fā)展速度，而且一直保持著世界增長(zhǎng)最快能源的地位。截至2011年底全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到6200萬千瓦，連續(xù)三年增長(zhǎng)率超過100%。

一、風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線的設(shè)計(jì)

風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線的設(shè)計(jì)主要分以下幾種：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓方式、風(fēng)電場(chǎng)集電線路選擇、風(fēng)力發(fā)電機(jī)分組及連接方式、風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償?shù)?。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓：現(xiàn)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出線電壓多為690V/620 V，若直接匯總并接入風(fēng)電場(chǎng)的總升壓站，則電能損耗過大，且導(dǎo)體的截面過大，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)的安裝要求，因此，須將電壓升高至35kV或10kV才能接入總升壓站。但從年運(yùn)行費(fèi)用上比較，在經(jīng)濟(jì)輸送容量的范圍內(nèi)，35kV方案線損較小，且維護(hù)工作較少。因此，現(xiàn)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓多采用35kV方案。國(guó)外也有實(shí)驗(yàn)將風(fēng)機(jī)直接升壓至110KV，不經(jīng)過整個(gè)電廠的主變整合與電網(wǎng)相連接。但是這樣的結(jié)果卻是會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的頻繁脫網(wǎng)、并網(wǎng)，最終，會(huì)使電網(wǎng)不穩(wěn)定，也使得風(fēng)機(jī)的總發(fā)電量降低 ，風(fēng)電上網(wǎng)困難。

二、風(fēng)電場(chǎng)集電線路的選擇

風(fēng)電場(chǎng)接線集電線路結(jié)構(gòu)共有5種常用方案，鏈形結(jié)構(gòu)；單邊環(huán)形結(jié)構(gòu)；雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)；復(fù)合環(huán)形結(jié)構(gòu)；星形結(jié)構(gòu)。鏈形是目前已建風(fēng)電場(chǎng)中用的最多的一種連接方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本不高，其基本思想是將一定數(shù)目的風(fēng)力發(fā)電機(jī)（包括其附帶升壓變壓器）連接在一條線路之上。此種連接方式的主要問題是每條鏈上的風(fēng)機(jī)數(shù)目受到地理位置、線路長(zhǎng)度、線路容量等參數(shù)的限制。環(huán)形設(shè)計(jì)比鏈形需要的線路規(guī)格更高、長(zhǎng)度更長(zhǎng)，因此成本較高，但因其能實(shí)現(xiàn)一定程度的冗余，可靠性較高。其中，單邊環(huán)形結(jié)構(gòu)是將鏈形中每串尾部的風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過線路接回匯流母線；雙邊環(huán)形結(jié)構(gòu)是將鏈形中兩相鄰串的尾部風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連；復(fù)合環(huán)形結(jié)構(gòu)是將單邊和雙邊兩種環(huán)形相結(jié)合并改進(jìn)的一種結(jié)構(gòu)。

風(fēng)電場(chǎng)集電線路選擇方面，一般采用架空線或電纜敷設(shè)兩種。由于風(fēng)電場(chǎng)年利用小時(shí)數(shù)較低，檢修線路對(duì)發(fā)電量造成的損失較小，在考慮建設(shè)成本、施工難度、運(yùn)行成本等諸多因素后，大多風(fēng)電場(chǎng)集電線路均選用架空線路接線方案鏈形結(jié)構(gòu)。但介于我國(guó)的相關(guān)規(guī)定及現(xiàn)狀，現(xiàn)也有部分地區(qū)采用電纜敷設(shè)方案。風(fēng)力發(fā)電機(jī)分組多為靠風(fēng)機(jī)的排布位置、并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的便捷性制定。大多數(shù)情況下，要盡量使風(fēng)機(jī)均勻的分部到各個(gè)集電線路上，以免造成風(fēng)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于各條支路電量不均而造成的沖擊。合理的進(jìn)行風(fēng)機(jī)分組可以使風(fēng)電場(chǎng)電纜或架空線等導(dǎo)體投資盡量節(jié)省，使主接線方案優(yōu)化。

三、風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償

在目前已經(jīng)建成和在建的風(fēng)電工程中，35kV母線無功補(bǔ)償方式主要有，固定投切電容器組補(bǔ)償方式及降壓式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式。目前國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)定都要求優(yōu)先選用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置方式。此種無功補(bǔ)償裝置主要是采集母線上的電壓、電流，通過連續(xù)調(diào)節(jié)其自身無功功率來實(shí)現(xiàn)的，來補(bǔ)償母線上的無功功率。比如一個(gè)容量為100風(fēng)電場(chǎng)，升壓站內(nèi)主變?nèi)萘繛?00MW，無功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)范圍為（0—12000）kvar。

現(xiàn)設(shè)計(jì)的單個(gè)49.5MW風(fēng)電場(chǎng)大多使用單機(jī)容量為1500kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)。升壓站內(nèi)新建63MVA主變壓器一臺(tái)、配套相關(guān)35kV高壓配電裝置、220kV/110 kV/66 kV配電裝置、無功補(bǔ)償裝置；三回集電線路通過35kV架空線至升壓站，線路總長(zhǎng)約28km。電能輸出采用220kV架空線路。電能由風(fēng)電場(chǎng)升壓站經(jīng)紅泥井變電站往九原中心變電所送出。介于風(fēng)電場(chǎng)的容量較少，且配有一個(gè)主變的情況，宜選用單母線接線方。此方式有著接線簡(jiǎn)單清晰，設(shè)備少，操作簡(jiǎn)單和便于擴(kuò)建的優(yōu)點(diǎn)，適用于此電場(chǎng)的主接線設(shè)計(jì)方式。根據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)情況及平均分組的原則，現(xiàn)將風(fēng)機(jī)分為3組。每組為11臺(tái)。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)分組及連接方式采用鏈形（放射形）。風(fēng)機(jī)輸出電壓為690V，因此需要為風(fēng)機(jī)提供箱式變壓器以達(dá)到集電線路的額定電壓，具體數(shù)據(jù)。

四、直埋電纜與架空電纜

風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)至中心升壓站之間的集電線路有直埋電纜和架空線路兩種方案可供選擇，下面將從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)這兩種方案進(jìn)行比較。架空線路由于采用架空導(dǎo)線，導(dǎo)線裸露在空氣中，受周圍環(huán)境影響較大，可靠性較低；架空線對(duì)地電容較小，發(fā)生單相接地故障時(shí)，電容電流較小，并且發(fā)生單相接地故障通常以瞬時(shí)故障為主，因此可以采用中性點(diǎn)不接地或采用消弧線圈接地方式，以減少機(jī)組無為跳閘的可能性；架空線相同截面導(dǎo)線載流量比電纜大得多，設(shè)計(jì)采用架空線則導(dǎo)線截面積可以選的較小。但是在一些地區(qū)如山脊風(fēng)電場(chǎng)由于風(fēng)速較大，采用架空線方案時(shí)對(duì)鐵塔的要求較高，造價(jià)也增加較多，可靠性也相應(yīng)下降。還有在一些地區(qū)涉及到橫跨公路、鐵路等，施工難度加大。

直埋電纜由于埋設(shè)在地下，不受周圍環(huán)境影響，可靠性較高；電纜對(duì)地電容較大，發(fā)生單相接地故障時(shí)，電容電流較大，并且發(fā)生單線接地故障通常以永久故障為主，因此不可以采用中性點(diǎn)不接地方式，只能采用消弧線圈接地或電阻接地方式，無形中降低了可靠性；電纜相同截面導(dǎo)線載流量比架空線小得多，如采用電纜則導(dǎo)線截面積要大一些，且需選擇三根電纜。

直埋方案遠(yuǎn)比架空線方案價(jià)格要高。因此，架空線方案經(jīng)濟(jì)上優(yōu)越得多，技術(shù)上也可以達(dá)到要求，電纜方案需要較大投資。但在一些設(shè)計(jì)中則優(yōu)先考慮電纜方案，如：沿海風(fēng)場(chǎng)，海上風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)力影響較大的地區(qū)。

五、結(jié)束語

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過對(duì)風(fēng)機(jī)的分組和連接方式、風(fēng)電場(chǎng)集電線路方案、目前風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)發(fā)電廠設(shè)計(jì)的原理相同，但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不一定適合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行需求。本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：風(fēng)電場(chǎng)短路電流計(jì)算及設(shè)備選取等的問題進(jìn)行深入的計(jì)算與討論，提出一套適用于風(fēng)機(jī)分組連接、集電線路設(shè)計(jì)的可行方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 寧聯(lián)輝，王錫凡，滕予非，劉奎，宋卓彥，朱衛(wèi)平.風(fēng)力發(fā)電經(jīng)分頻輸電接入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，21：9-16

[2] 董鍇，易仕敏，鄭鋼，廖鵬.風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀與接入系統(tǒng)后的影響分析[J].廣東電力，2009，09：17-20

[3] 劉月強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀與接入系統(tǒng)后的影響分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，25：176

[4] 吳學(xué)光，張學(xué)成，印永華，戴慧珠. 異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，1998，06：70-74

[5] 王興剛.風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電壓穩(wěn)定性分析[A].云南電網(wǎng)公司、云南省電機(jī)工程學(xué)會(huì).2010年云南電力技術(shù)論壇論文集（優(yōu)秀論文部分）[C].云南電網(wǎng)公司、云南省電機(jī)工程學(xué)會(huì)：，2010：5