巴基斯坦風(fēng)電場(chǎng)總承包項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)

文 | 孫長(zhǎng)江，楊文斌，李華，沈錢蘭

巴基斯坦風(fēng)電場(chǎng)總承包項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)

文 | 孫長(zhǎng)江，楊文斌，李華，沈錢蘭

伴隨著我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)在風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程施工等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并已經(jīng)成為風(fēng)電大國(guó)。近年，我國(guó)越來(lái)越多的風(fēng)電機(jī)組供貨商、工程設(shè)計(jì)企業(yè)、工程總承包企業(yè)正在帶著成熟的技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備、豐富的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)。

隨著巴基斯坦電力需求的日益緊張，政府對(duì)綠色能源的重視，巴基斯坦風(fēng)電市場(chǎng)逐漸走向成熟，中資企業(yè)在巴基斯坦開(kāi)展風(fēng)電投資、建設(shè)熱情高漲。對(duì)于海外總承包項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)前需要進(jìn)行充分的調(diào)研，了解當(dāng)?shù)仉姎庑袠I(yè)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)習(xí)慣、遵循的規(guī)程規(guī)范等，保證設(shè)計(jì)方案的合理性、適應(yīng)性、先進(jìn)性，不但要滿足合同及規(guī)范要求，更要從工程實(shí)際出發(fā)，節(jié)省項(xiàng)目投資，達(dá)到最優(yōu)的執(zhí)行效果。設(shè)計(jì)工作更是要根據(jù)工程實(shí)施計(jì)劃，提前向開(kāi)發(fā)商、電網(wǎng)公司報(bào)批，為后續(xù)項(xiàng)目執(zhí)行留足時(shí)間。本文根據(jù)巴基斯坦Sachal風(fēng)電總承包項(xiàng)目從電氣設(shè)計(jì)依據(jù)及規(guī)范、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備及圖紙審批等方面進(jìn)行了總結(jié)。

電氣設(shè)計(jì)依據(jù)

巴基斯坦風(fēng)電項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)主要的設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)自EPC合同、EPA合同、巴基斯坦電網(wǎng)規(guī)范、IEC規(guī)范、中國(guó)國(guó)標(biāo)規(guī)范等。

在電氣設(shè)計(jì)開(kāi)始前，需要充分研究EPC合同、EPA合同以及熟練掌握電網(wǎng)規(guī)范及相關(guān)的IEC規(guī)范。巴基斯坦各行業(yè)采用的標(biāo)準(zhǔn)是沿用IEC和BS（英標(biāo)）標(biāo)準(zhǔn)，巴基斯坦電網(wǎng)規(guī)范是在IEC標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行的深化，并且提出了較高的要求。雖然我國(guó)現(xiàn)行使用的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)是等同或者高于IEC標(biāo)準(zhǔn)的，但由于電壓等級(jí)、設(shè)計(jì)習(xí)慣等因素，在實(shí)際使用中只能作為參考。

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

一、 電氣主接線圖

巴基斯坦風(fēng)電項(xiàng)目由可再生能源委員會(huì)（AEDB）統(tǒng)一規(guī)劃，一般為帶狀單列布置，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量通常為5萬(wàn)千瓦，以132kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目接入電網(wǎng)需要由開(kāi)發(fā)商與電網(wǎng)公司簽訂購(gòu)電協(xié)議，購(gòu)電協(xié)議對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的若干技術(shù)細(xì)節(jié)提出了要求，其中包含電氣接線方式及設(shè)備參數(shù)。

巴基斯坦風(fēng)電項(xiàng)目EPC合同已經(jīng)形成了統(tǒng)一的合同模板，不同項(xiàng)目對(duì)于電氣技術(shù)要求也是基本一致的，并隨著風(fēng)電工程經(jīng)驗(yàn)的積累不斷完善。綜合EPC合同以及EPA合同的要求，電氣設(shè)計(jì)方案的基本要求概括如下：

風(fēng)電場(chǎng)通常設(shè)置一座132kV升壓變電站，升壓站內(nèi)設(shè)置2臺(tái)主變壓器，單臺(tái)主變的容量與風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模相當(dāng)為50MVA，以滿足N-1的備用要求。

相鄰的風(fēng)電場(chǎng)之間采用手拉手的方式相連，形成環(huán)形，最終接入到電網(wǎng)，如圖1所示。因此單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)需要雙回出線。根據(jù)電網(wǎng)要求，如果采用GIS則可以采用單母線分段接線方式，如果采用AIS則需要采用雙母線接線方式，2回進(jìn)線2回出線，如圖2 所示。

升壓站中壓側(cè)根據(jù)開(kāi)發(fā)商要求不同通常采用33kV或者22kV電壓等級(jí)，采用單母線分段接線。每段母線配置一套無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)集電線路分為四組聯(lián)合單元，采用鏈型接線方式，通常采用直埋電力電纜。每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組配置1臺(tái)箱式變壓器，在中壓側(cè)配置環(huán)網(wǎng)柜。

二、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)基于巴基斯坦Sachal項(xiàng)目，簡(jiǎn)單闡述電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)的計(jì)算。Sachal 49.5MW 風(fēng)電場(chǎng)由33臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組組成，采用“一機(jī)一變”的方式將風(fēng)電機(jī)組出線電壓由0.62kV升至22kV，并分成四組聯(lián)合單元通過(guò)電纜直埋的方式進(jìn)入升壓站中壓母線。升壓站采用圖2（a）的電氣主接線方式（GIS），最后通過(guò)兩回132kV架空線連接Yunus風(fēng)電場(chǎng)和New Jhimpir變電站。Sachal風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。為了便于后續(xù)的分析，將系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行分類。根據(jù)中壓側(cè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投入與否，將系統(tǒng)運(yùn)行模式分成四類如下：

1.模式1-正常運(yùn)行，中壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，無(wú)功補(bǔ)償切斷；

2.模式2-正常運(yùn)行，無(wú)功補(bǔ)償閉合；

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)表

3.模式3-故障運(yùn)行，一臺(tái)主變切除，中壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)閉合，無(wú)功補(bǔ)償斷開(kāi)；

4.模式4-故障運(yùn)行，無(wú)功補(bǔ)償閉合。

（一）系統(tǒng)短路計(jì)算

系統(tǒng)各個(gè)母線的短路電流值是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本數(shù)據(jù)，也是后續(xù)斷路器開(kāi)斷能力校驗(yàn)，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)等基礎(chǔ)。根據(jù)電網(wǎng)提供的末端電站短路容量，基于ETAP仿真軟件，搭建系統(tǒng)模型，可以得到系統(tǒng)各個(gè)母線不同故障條件下的短路電流值（或者正序，負(fù)序，零序電流）、序阻抗、各個(gè)支路對(duì)短路點(diǎn)的短路電流貢獻(xiàn)等。考慮變壓器有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)對(duì)阻抗的影響，仿真得到的最大短路電流值如表2所示，由此可知斷路器短路開(kāi)斷能力的選擇符合要求。

（二）系統(tǒng)潮流計(jì)算

通過(guò)潮流計(jì)算可以清楚地看出系統(tǒng)功率分布、各母線電壓、系統(tǒng)損耗、設(shè)備過(guò)載情況等。尤其當(dāng)系統(tǒng)工作在模式3和模式4下，只有一臺(tái)主變處于運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組所有的電流將通過(guò)此主變進(jìn)入電網(wǎng)，主變可能存在過(guò)載情況?？紤]風(fēng)電機(jī)組處于電壓調(diào)節(jié)模式, 基于Newton-Raphson迭代法，對(duì)模式4進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)的潮流圖如圖3所示。此模式下，經(jīng)過(guò)主變的容量為48.44MVA＜50MVA，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)通過(guò)潮流計(jì)算可以得到系統(tǒng)所有設(shè)備的有功損耗，具體分布如圖4所示。由此可知，系統(tǒng)集電線路和箱變部分占總損耗的81%，主變損耗將近7%，送出線路達(dá)到11%，站用變等其他損耗為1%，系統(tǒng)的效率約為3.01%。

（三）接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接地系統(tǒng)分為風(fēng)電機(jī)組接地系統(tǒng)和升壓站接地系統(tǒng)。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組接地系統(tǒng)，接地電阻值滿足風(fēng)電機(jī)組廠家的要求以及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求（＜5歐姆）。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)土壤的情況，設(shè)計(jì)內(nèi)外環(huán)接地連接模式（內(nèi)環(huán)位于基礎(chǔ)環(huán)位置，外環(huán)靠近基礎(chǔ)邊緣）計(jì)算的最大接地電阻約為4.2Ω，滿足要求。

表2 最大短路電流計(jì)算結(jié)果

對(duì)于升壓站接地系統(tǒng)，采用方形網(wǎng)狀接地結(jié)構(gòu)，接地體之間不等間距（5m－10m）分布，土壤表層電阻率為260Ω·m，3米以上及以下的土壤電阻率分別為170Ω·m 和160Ω·m ，根據(jù)計(jì)算得到的最大3倍零序電流值為7.14kA，短路持續(xù)時(shí)間0.5s，分流系數(shù)為0.6，基于ETAP仿真計(jì)算得到的接觸電壓和跨步電壓均超過(guò)了允許值。因此，考慮在高壓區(qū)鋪設(shè)碎石增加表層電阻率（約為4250Ω·m），從而增加允許接觸電壓和跨步電壓。對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表3所示，鋪設(shè)碎石后的接觸電壓和跨步電壓分布圖如圖4所示。從表3可以看出，高壓區(qū)鋪設(shè)碎石后不影響接地電阻和實(shí)際接觸電壓跨步電壓的值，但是有效的增加了接觸電壓和跨步電壓的允許值。從圖5可以看出，升壓站內(nèi)部的接觸電壓和跨步電壓分布比較平坦，最大值出現(xiàn)在接地網(wǎng)的邊沿。

（四）無(wú)功補(bǔ)償容量驗(yàn)證

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量往往取值為風(fēng)電場(chǎng)總?cè)萘康?0%，Sachal風(fēng)電場(chǎng)采用兩套10Mvar無(wú)功補(bǔ)償裝置，分別安裝在中壓兩段母線上。以升壓站線路輸出點(diǎn)為參考，考慮兩種極端情況：每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出最大無(wú)功（ 500kvar），最大有功（1.5MW），根據(jù)上述潮流計(jì)算結(jié)果，無(wú)功補(bǔ)償前后的對(duì)比如表4所示。

從表4可以看出，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組工作在-0.95功率因數(shù)下，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組吸收500kvar無(wú)功，若此時(shí)系統(tǒng)處于滿發(fā)狀態(tài)，箱變、集電線路、主變等也均會(huì)消耗無(wú)功，此時(shí)功率因數(shù)僅為-0.876。投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，裝置發(fā)出18Mvar無(wú)功（兩臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償裝置分別輸出9Mvar容性無(wú)功），有效的將功率因數(shù)控制在-0.98以上。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組工作在+0.95功率因數(shù)下，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出500kvar無(wú)功，若在滿發(fā)情況下，系統(tǒng)消耗部分無(wú)功，最終輸出點(diǎn)功率因數(shù)仍舊達(dá)到了0.97，投入無(wú)功補(bǔ)償裝置后，將功率因數(shù)提高到1。值得注意的是，實(shí)際運(yùn)行中不存在這兩種極端的運(yùn)行情況，風(fēng)電機(jī)組的持續(xù)無(wú)功功率輸出也小于500kvar，尤其是風(fēng)電機(jī)組持續(xù)輸出無(wú)功功率情況下，過(guò)多的容性無(wú)功不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（五） 防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

防雷設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮直擊雷和感應(yīng)雷的保護(hù)。

表3 接地計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表4 無(wú)功補(bǔ)償裝置投入前后對(duì)比

對(duì)于直擊雷，通常采用獨(dú)立避雷針或者避雷帶的方式，通過(guò)引下線將雷電流引入大地。Sachal項(xiàng)目的132kV設(shè)備以及22kV無(wú)功補(bǔ)償裝置均安裝在室外，需要合理設(shè)計(jì)避雷針的位置和高度。根據(jù)IEC 62305對(duì)雷電保護(hù)范圍的分類以及現(xiàn)場(chǎng)的情況，選擇IV類防雷保護(hù)，采用滾球法 （滾球半徑為60m） ，合理設(shè)計(jì)三根獨(dú)立避雷針的安裝位置和安裝高度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備區(qū)的全面保護(hù)。對(duì)于各個(gè)房屋，采用屋頂避雷帶的配置實(shí)現(xiàn)直擊雷的防護(hù)。

對(duì)于感應(yīng)雷，需要在各電壓等級(jí)設(shè)置避雷器或浪涌保護(hù)器等，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮各級(jí)之間的相互配合。具體設(shè)計(jì)方法不再贅述。

（六） 其他

1．由于風(fēng)電場(chǎng)為2回出線，因此風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)量應(yīng)該在2臺(tái)主變的高壓側(cè)分別設(shè)置。風(fēng)電場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)設(shè)置在風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)的單獨(dú)的房間內(nèi)，分為主、備兩個(gè)計(jì)量表，且由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司負(fù)責(zé)維護(hù)。

2．目前巴基斯坦風(fēng)電場(chǎng)通信主要有三種形式：載波通信DPLC、光通信SDH、衛(wèi)星通信VSAT。

3．巴基斯坦風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域地域偏僻，附近沒(méi)有電網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)，因此風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)急備用電源均采用柴油發(fā)電機(jī)。

4．巴基斯坦風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目對(duì)二次繼電保護(hù)整定、CT/PT選型計(jì)算、直流蓄電池、UPS容量估算等提出了具體的要求。

開(kāi)發(fā)商及電網(wǎng)審批

根據(jù)EPC合同的要求以及風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)商與電網(wǎng)簽訂的EPA合同，總承包方需要向開(kāi)發(fā)商及其咨詢方提交所有電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算稿、電氣設(shè)備技術(shù)資料、圖紙等進(jìn)行審批；在完成開(kāi)發(fā)商方的資料審批之后，需要根據(jù)電網(wǎng)的要求將相關(guān)資料、計(jì)算報(bào)告提交電網(wǎng)審批。以上資料的報(bào)批是否順利，將直接影響到設(shè)備的采購(gòu)、排產(chǎn)以及整個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)，在項(xiàng)目執(zhí)行中需加強(qiáng)與開(kāi)發(fā)商、咨詢方以及電網(wǎng)的溝通。

在項(xiàng)目電氣設(shè)備安裝完成后，電網(wǎng)公司會(huì)指派第三方試驗(yàn)見(jiàn)證機(jī)構(gòu)對(duì)EPA協(xié)議中要求的試驗(yàn)進(jìn)行一一現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證，并頒發(fā)相關(guān)試驗(yàn)通過(guò)的證書。取得相應(yīng)的證書之后，電網(wǎng)會(huì)發(fā)函給開(kāi)發(fā)商，許可項(xiàng)目進(jìn)行倒送電聯(lián)調(diào)。完成升壓站、風(fēng)電場(chǎng)的倒送電及動(dòng)態(tài)調(diào)試之后，項(xiàng)目將進(jìn)入168小時(shí)商業(yè)試運(yùn)行。通過(guò)試運(yùn)行之后，項(xiàng)目進(jìn)入正常發(fā)電階段。

結(jié)論

電氣設(shè)計(jì)工作貫穿整個(gè)總承包項(xiàng)目的始終，從前期合同談判方案的確定、電網(wǎng)EPA協(xié)議的簽訂，到開(kāi)發(fā)商和電網(wǎng)的審查、現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)變更優(yōu)化，都需要做好相應(yīng)的技術(shù)支撐工作。作為海外總承包項(xiàng)目，設(shè)計(jì)必須有一定的提前量，以保證在項(xiàng)目開(kāi)工時(shí)能夠形成最終稿的施工圖紙，滿足項(xiàng)目進(jìn)度要求。同時(shí)，海外項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)人員必須基于合同出發(fā)，掌握相關(guān)國(guó)際規(guī)范、當(dāng)?shù)匾?guī)范以及當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)設(shè)計(jì)思路，以滿足項(xiàng)目的合同技術(shù)要求，保證項(xiàng)目的順利推進(jìn)。

（作者單位：中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）