風(fēng)電場中的電氣設(shè)備選擇探析

風(fēng)電場中的電氣設(shè)備選擇探析一、風(fēng)電場電氣設(shè)備的概述風(fēng)電場的電氣系統(tǒng)由一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)組成。電氣一次系統(tǒng)用于電能的生產(chǎn)、變換、分配、傳輸和消耗，對(duì)一次系統(tǒng)進(jìn)行測量、監(jiān)視、控制和保護(hù)的系統(tǒng)稱為電氣二次系統(tǒng)。風(fēng)電場電氣一次系統(tǒng)和電氣二次系統(tǒng)是由具體的電氣設(shè)備構(gòu)成的。構(gòu)成電氣一次系統(tǒng)的電氣設(shè)備稱為一次設(shè)備，構(gòu)成電氣二次系統(tǒng)的電氣設(shè)備稱為電氣二次設(shè)備。一次設(shè)備是構(gòu)成電力系統(tǒng)的主體，它是直接生產(chǎn)、輸送、分配電能的電氣設(shè)備，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變壓器、開關(guān)設(shè)備、母線、電抗、電容、互感器、電力電纜和輸電線路等。二次設(shè)備通過CT、PT同一次設(shè)備取得電的聯(lián)系，是對(duì)一次設(shè)備的工作進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)的電氣設(shè)備，包括測量儀表、控制及信號(hào)器具、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置等。二.風(fēng)電場的電氣設(shè)備選擇電氣設(shè)備是在電力系統(tǒng)中對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路、斷路器等設(shè)備的統(tǒng)稱，各種不同型號(hào)的電氣設(shè)備組合起來，推動(dòng)了電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的提升。選擇電氣設(shè)備時(shí)，必須根據(jù)選定的接入電力系統(tǒng)方式和電氣主接線方案，計(jì)算短路電流并根據(jù)短路電流選擇，主要電力設(shè)備包括：箱式變壓器、無功補(bǔ)償裝置、35kV配電裝置、主變壓器、110/220kV高壓配電裝置等設(shè)備。箱式變有歐式變與美式變之分。歐式變占地面積大，造價(jià)略高，但維護(hù)檢修方便，美式變占地面積小，造價(jià)低，維護(hù)檢修較復(fù)雜，選用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇。選擇箱變?nèi)萘繒r(shí)需考慮風(fēng)機(jī)過負(fù)荷發(fā)電的情況，一般1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用1600kVA變壓器即可滿足要求。目前風(fēng)電場升壓站無功補(bǔ)償裝置常見有SVC和SVG兩種。SVC占地面積較大，但目前技術(shù)已經(jīng)十分成熟，價(jià)格也較低。從原理上來說，SVG性能更好，且占地面積小，但目前國內(nèi)技術(shù)尚不成熟，只有幾家企業(yè)可以生產(chǎn)，關(guān)鍵部件需要進(jìn)口，生產(chǎn)周期較長，價(jià)格遠(yuǎn)超同等容量SVC（以10Mvar無功補(bǔ)償裝置為例，SVG報(bào)價(jià)280萬，MCR-SVC報(bào)價(jià)160萬，TCR-SVC報(bào)價(jià)180萬）。常規(guī)情況50MW風(fēng)電場需配置10Mvar容量的無功補(bǔ)償，電網(wǎng)有更高要求時(shí)按滿足電網(wǎng)要求配置。35kV配電裝置一般選用戶內(nèi)固定式金屬封閉開關(guān)，技術(shù)較為成熟。主變一般為三相雙繞組油浸式有載調(diào)壓變壓器，變壓器油型號(hào)、冷卻方式等應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件確定。選擇主變?nèi)萘繒r(shí)，考慮風(fēng)力發(fā)電場負(fù)荷率較低的實(shí)際情況以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)在1左右，可以選擇等于風(fēng)電場發(fā)電容量的主變壓器。有載調(diào)壓開關(guān)是主變的重要組成部分，進(jìn)口有載調(diào)壓開關(guān)性能較好，但價(jià)格比國產(chǎn)貴近40%，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)性價(jià)比選擇。110/220kV高壓配電裝置可選用戶內(nèi)GIS式，也可選用戶外布置。戶內(nèi)GIS占地面積小，故障幾率小，價(jià)格并不昂貴，因此在目前風(fēng)電場升壓站中得到了廣泛的應(yīng)用，考慮風(fēng)電場的環(huán)境特性，建設(shè)采用戶內(nèi)GIS式較好，風(fēng)電場污穢等級(jí)較高（一般為IV級(jí)），設(shè)備選型時(shí)需要注意過電壓與絕緣配合。三、電氣設(shè)備在風(fēng)電場生產(chǎn)中的作用1、發(fā)電機(jī)的作用。風(fēng)電場生產(chǎn)中的發(fā)電機(jī)大小取決于對(duì)風(fēng)能利用率的大小，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)首先確定目標(biāo)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速范圍，確定要利用的風(fēng)速范圍，然后選定風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)機(jī)的輸出能量大小確定發(fā)電機(jī)容量。由于風(fēng)力的大小是隨機(jī)變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不可能全部利用完，只能利用一個(gè)范圍的風(fēng)速，利用風(fēng)速的上限稱為切出風(fēng)速，這個(gè)風(fēng)速下的風(fēng)能裝置的輸出功率就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率，利用風(fēng)速下限稱切入風(fēng)速，即風(fēng)能裝置能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的最低風(fēng)速，一般取發(fā)電機(jī)最大功率的10%以上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、電能變換單元和控制系統(tǒng)組成。風(fēng)輪通過葉片捕獲風(fēng)能，是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件。發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能--電能轉(zhuǎn)換。由于異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，目前風(fēng)力發(fā)電幾乎均采用異步發(fā)電機(jī)。目前在直驅(qū)雙饋型風(fēng)機(jī)選型方面，由于雙饋型風(fēng)機(jī)齒輪箱滲漏油維護(hù)工作量大以及超溫，建議采用直驅(qū)型風(fēng)機(jī)。發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能有兩種處理方式：可以直接給負(fù)載供電或并入電網(wǎng)；也可以通過儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行蓄能，再由電能變換單元將儲(chǔ)能設(shè)備輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電再供給負(fù)載或并網(wǎng)。儲(chǔ)能設(shè)備作為中間環(huán)節(jié)不僅可以將能量儲(chǔ)存起來，還兼有穩(wěn)定電壓的優(yōu)點(diǎn)，這樣對(duì)負(fù)載供電更平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊亦可減小。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)，不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過程的安全性和可靠性，而且還要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量。風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為3個(gè)層次：保證可靠運(yùn)行、獲取最大能量、提供良好的電力質(zhì)量。因此，為了達(dá)到這一控制目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)從定槳距發(fā)展到變槳距又發(fā)展到近年來采用的變速控制技術(shù)。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是：低于額定風(fēng)速時(shí)，能跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；高于額定風(fēng)速時(shí)，增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定，特別是解決了高次諧波與功率因素等問題后，達(dá)到了高效率、高質(zhì)量地向電網(wǎng)提供電力的目的。2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的作用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)從機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行發(fā)展到基于變距技術(shù)的變速運(yùn)行，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標(biāo)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的作用是對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)施正常操作、調(diào)節(jié)和保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)還應(yīng)具有以下功能：根據(jù)功率以及風(fēng)速自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制；根據(jù)功率因數(shù)自動(dòng)投入（或切出）相應(yīng)的補(bǔ)償電容；機(jī)組運(yùn)行過程中，對(duì)電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測和記錄，對(duì)出現(xiàn)的異常情況能夠自行判斷并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，而且還能根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)生成各種圖表，以反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)；對(duì)在風(fēng)電場中運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還應(yīng)具備遠(yuǎn)程通信功能。有各種功能的專用模塊可供選擇，可以方便地實(shí)現(xiàn)就地控制，許多控制模塊可直接布置在控制對(duì)象的工作點(diǎn)，就地采集信號(hào)進(jìn)行處理；同時(shí)DCS現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制程序現(xiàn)場調(diào)試及在機(jī)組運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)修改控制參數(shù)。目前發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行通常由單片機(jī)或可編程邏輯控制器件等進(jìn)行控制。MCS-80C32、8XCl96MC等各種單片機(jī)用于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟風(fēng)、并/脫電網(wǎng)控制，甚至是通信功能等。C60P等各型PLC也作為主控單元被用于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，適應(yīng)了集群控制和單機(jī)無人值守的應(yīng)用要求。結(jié)束語風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，不僅具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和潛力，同時(shí)也是對(duì)保護(hù)環(huán)境的可