風(fēng)電場(chǎng)變電站電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)與選擇

能源是人類(lèi)社會(huì)存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。在過(guò)去的200多年中，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大地推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。然而，人們?cè)谖镔|(zhì)生活和精神生活不斷提高的同時(shí)，也越來(lái)越感受到大規(guī)模使用化石燃料所帶來(lái)的嚴(yán)重后果:資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化。因此，人類(lèi)必須尋求一種新的、清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。風(fēng)電是目前世界上增長(zhǎng)最快的能源，裝機(jī)容量每年增長(zhǎng)超過(guò)30%。在2003年初，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3200萬(wàn)kW，其總量相當(dāng)于32座標(biāo)準(zhǔn)的核電站，足以供應(yīng)1600萬(wàn)歐洲普通家庭或4000萬(wàn)歐洲居民的電力需求。中國(guó)近年來(lái)在風(fēng)電發(fā)展上取得了很大的成就。2005年底，已建成61個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，安裝1861臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到126.6萬(wàn)kW。風(fēng)電裝機(jī)容量位居世界第7位，亞洲第2位。2005年，中國(guó)政府對(duì)2020年的風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了修改，將風(fēng)電裝機(jī)容量由2000萬(wàn)kW增至3000萬(wàn)kW。

一、風(fēng)力資源基本情況

武川縣西烏蘭不浪鎮(zhèn)西北部屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季長(zhǎng)而寒冷，夏季短而涼爽，降水量少，溫差大，日照充足，多風(fēng)沙和寒潮。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅焙臀髂巷L(fēng)。設(shè)計(jì)武川風(fēng)電場(chǎng)一期工程總裝機(jī)容量49.5MW，建設(shè)期為18個(gè)月，擬安裝單機(jī)容量為1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)。本期工程擬建設(shè)220kV變電站一座。

武川縣歷年平均氣溫2.8℃，歷年極端最高氣溫36.2℃，歷年極端最低氣溫-37.0℃，歷年平均氣壓839.3hPa，平均相對(duì)濕度56%，平均水氣壓5.3hPa，年平均降水量為354.1mm，且多集中秋季，年平均蒸發(fā)量1841.8mm，高于降雨量5倍多，其中春旱是該縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的突出矛盾。冬春季盛行西北風(fēng)，每年4—5月份多風(fēng)并且大風(fēng)集中，風(fēng)速一般為4.1—6.4m/s，年平均風(fēng)速大于17m/s的日數(shù)45天。

該項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古武川縣西北部，海拔高度1800—1900m。風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址位于N41°10′17.17032″—N41°13′9.09373″，E110°51′22.47219″—E110°54′59.70762″，呈扇形區(qū)域分布，風(fēng)電場(chǎng)面積約23km2。

根據(jù)武川縣氣象局1977—2006年最大風(fēng)速系列計(jì)算，50年一遇最大風(fēng)速為24.3m/s。通過(guò)氣象站的50年一遇最大風(fēng)速推算到風(fēng)電場(chǎng)50m、60m、65m、70m、75m高度處50年一遇最大風(fēng)速分別為35.8m/s、36.4m/s、36.6m/s、36.8m/s和37.0m/s。根據(jù)國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC61400-1(2005)標(biāo)準(zhǔn)判定本風(fēng)電場(chǎng)工程可以選擇Ⅲ類(lèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

二、機(jī)型范圍初選及接入系統(tǒng)方式

1.風(fēng)機(jī)布置

本工程場(chǎng)址地勢(shì)起伏明顯，多丘陵，不太適宜按梅花型陣列多排方式布機(jī)。為了機(jī)型選擇的公平性，盡量使各種機(jī)型發(fā)電量最大化，因此，利用WAsP8.3、WindFarmer3.5.1軟件等工具對(duì)場(chǎng)址風(fēng)能資源進(jìn)行分析，尋找風(fēng)能資源豐富、具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的布機(jī)點(diǎn)，對(duì)各機(jī)型進(jìn)行優(yōu)化布置，機(jī)組行列距保持在5倍風(fēng)輪直徑以上。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)整體布置原則，進(jìn)行發(fā)電量的初步計(jì)算，使風(fēng)電場(chǎng)整體布置比較合理，且發(fā)電量指標(biāo)較高。

2.接入電力系統(tǒng)方式

綜合考慮不同電壓等級(jí)輸送容量和距離，并網(wǎng)電壓選用220kV電壓等級(jí)，擬在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)建設(shè)一座220kV變電站，站內(nèi)規(guī)劃主變壓器四臺(tái)，主變?nèi)萘?00MVA，電壓242/35kV。本期建設(shè)安裝一臺(tái)，預(yù)留三臺(tái)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用一機(jī)一變單元接線方式，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)接一臺(tái)1600kVA升110壓變壓器，將風(fēng)機(jī)端0.69kV電壓升至35kV，每11臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)匯集后通過(guò)1回35kV架空線送至廠內(nèi)220kV變電所，經(jīng)主變35kV升壓至220kV后送出至系統(tǒng)并網(wǎng)。

根據(jù)武川縣風(fēng)電規(guī)劃，以及武川縣地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展情況，提出以下接入系統(tǒng)方案:武川風(fēng)電場(chǎng)以單回220kV線路直接接入可鎮(zhèn)220kV變電所220kV母線側(cè)，線路長(zhǎng)度約53km，線路導(dǎo)線采用2*(LGJ-300)，可以滿足武川風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有電力及發(fā)展擴(kuò)建后的電力送出。

三、主變壓器及電氣主接線的設(shè)計(jì)與選擇

1.變壓器型式容量和臺(tái)數(shù)的確定

電廠升壓主變壓器主要采用戶外三相雙卷帶平衡線圈有載調(diào)壓變壓器，本期建設(shè)一臺(tái)，容量為100/100MVA;遠(yuǎn)期建設(shè)四臺(tái)，容量為4×100MVA。

2.廠用電方案的確定

廠用電源的引接方式考慮本廠實(shí)際情況，廠用工作電源在35KV母線上引接一臺(tái)廠用工作變壓器。

3.電氣主接線形式的選擇

從電壓等級(jí)、出線回路數(shù)考慮，從電氣主接線的可靠性、經(jīng)濟(jì)性極靈活性考慮35kV應(yīng)選擇單母線分段接線形式，220kV應(yīng)選擇單母線接線形式。本期工程電氣主接線采用單母線接線，220KV出線1回，接可填220KV變電站。35KV出線3回，采用單母線接線。

四、高壓電氣的選擇

1.隔離開(kāi)關(guān)選擇單柱式剪刀式結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)關(guān)。

2.母線接地開(kāi)關(guān)的選擇:

35kV側(cè)采用高壓開(kāi)關(guān)柜室內(nèi)布置方式。220kV電流互感器推薦選用戶外油浸式，型號(hào)為L(zhǎng)CWB7-220W12*600/5。220kV母線設(shè)備選用TYD-220型電容式電壓互感器。

35kV配電裝置選用三相交流戶外設(shè)備，一次元件主要包括斷路器、電流互感器、避雷器等。真空斷路器:型號(hào)為ZW7-40.5。補(bǔ)償裝置與電力系統(tǒng)的連接選擇主變?cè)O(shè)置20MVar動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

武川風(fēng)電場(chǎng)一期(49.5MW)工程項(xiàng)目場(chǎng)址處風(fēng)能資源基本可用于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電，具有一定的開(kāi)發(fā)前景。場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適宜建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。電氣并網(wǎng)方案經(jīng)濟(jì)、可行。施工建設(shè)條件及交通運(yùn)輸條件齊全、便利。經(jīng)過(guò)工程概算和財(cái)務(wù)分析，該工程可以取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn):

[1]水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:水利電力出版社，1989.12.

[2]王維儉，孫宇光.龍灘發(fā)電機(jī)組保護(hù)設(shè)計(jì)新思想.北京:中國(guó)電力出版社，2005.2.

[3]熊信銀.發(fā)電廠電氣部分(第三版).北京:中國(guó)電力出版社，2004.8.

[4]熊禮儉.最新風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊(cè).中國(guó)科技文化出版社，2007.3.