風電場電氣一次系統設計

唐益文 何貽春 湯騰蛟 莫旭杰

(南車株洲電力機車研究所有限公司 湖南 株洲 412001)

1.概述

風電場電氣部分主要由一次部分(系統)和二次部分(系統)組成。電氣一次可分為4個主要部分:風電機組、集電線路、升壓變電站、所用電系統。電氣二次分為風力發電機組計算機監控系統和變電站計算機監控系統。本文著重以某風電場風電機組電氣一次設計為例，結合電氣主接線等內容對風電場電氣一次從理論到技術進行了簡要闡述。

2.電氣一次系統設計

2.1 接入系統

本工程風電場總裝機容量為40MW，安裝單機容量為2MW D110的雙饋異步型風力發電機組20臺。本期風電場內建設110kV升壓變電站1座，配置一臺40MVA主變和兩臺50MVA主變及一回110kV出線，本期機組通過35kV集電線路接入風電場升壓站35kV側。

2.2 電氣主接線

1. 風電場電氣主接線 機組出口電壓為0.69KV，風電機組與箱式變的接線方式采用一機一變的單元接線方式，配套選用20臺箱式變，其低壓側電壓與機組匹配選用0.69KV，高壓側35kV。箱式變就近布置在距離風力發電機組塔基約25米的位置。

2. 升壓站電氣主接線 風電場建設承載著向系統供電的任務，根據風電場最終規劃方案，建設一座110kV升壓站，建成一臺40MVA主變壓器，經GIS接入110kV母線，并通過110kV線路接入220kV變電站。升壓站低壓側為風電場電源進線，電壓等級35kV。

2.3 主要電氣設備選擇

1.短路電流 短路電流計算是電氣設備選型、導體選擇、繼電保護整定和校核的基礎，其計算結果直接影響到電氣系統的安全可靠性和工程造價，將風電場作為獨立系統進行短路電流的分析計算，通過對整個電氣系統中的組成元件進行合理的等值、簡化，在不改變其主要電氣特性的前提下，將復雜的電氣網絡簡化成為可供計算的電路模型。由于短路電流其實是指電力系統中相與相或相與中性點之間經過電弧或小阻抗拉通的電路，這時流過導線的電流將比正常情況下流過導線的電流將增大幾十倍。對于箱式變低壓側，盡管電網低壓側變壓器的阻抗比電力系統高壓側的阻抗大很多，當低壓電網發生短路故障時變壓器一次端電壓下降幅度不大，如果阻抗不大時甚至可以忽略高壓電網的阻抗影響，但是對風電機組來說，短路電流誤差過大會影響短路保護裝置的靈敏度及設備選型，尤其是電力電纜阻抗較大時，必須考慮系統電抗和電纜的阻抗。

2.箱式變選擇 風電機組之間選址相對較遠，為降低發電機回路的電能損耗、減少發電機回路動力電纜的長度和數量，根據接入變壓器的風電機組的容量及一定超負荷的余量，同時，也需綜合考慮風力發電機組的抗短路電流的能力，降低機端的短路電流，選擇的箱式變壓器的短路阻抗不宜過小。變壓器型號為S11-2500KVA/35KV,35+_2*2.5%/0.69KV,D yn11，ud=6.5%。

3.斷路器選擇 斷路器的選定與線路最大短路電流有直接關系，既要滿足技術要求，同時也要綜合考慮其經濟性。技術要求除滿足器件本身參數（如電壓、電流、短路分斷能力、耐受電流、動穩定電流、機械載荷、分合閘時間及絕緣水平等）外還需要充分考慮環境因素（如環境溫度、相對濕度、海拔高度、污穢等級）。

對于箱式變低壓側，斷路器的保護直接關系整個風電機組的安全穩定運行。低壓斷路器必須能過接收外部跳閘信號，對低壓側線路進行保護，根據P=2000KW,U=0.69KV及現場運行環境要求, 低壓斷路器其額定電流值In取1.5倍風電機組出口額定電流I，I=P/1.732U=1674A，In=1.5I=2511A，選E3S2500R2500型4段式保護（過負荷保護、短延時過流保護、瞬時過流保護、接地故障保護）斷路器,額定技術參數為:Ue=0.69KV，Iu=2500A，額定極限短路分斷電流為Icu=100KA,額定短路接通能力Icm max=165KA，短時耐受電流(及時間)Icw=75KA(1S)/65KA(3S),固有分閘時間t=0.08s，滿足設計需求。

2.4 電力電纜

所有的工程的電氣設計系統中，電線電纜是不可或缺的，合理的選擇電力電纜及其敷設方式不但能提高電氣系統安全性，減少事故隱患，也可以降低工程造價成本，使整個系統更加優化。

實際敷設環境下單根電纜能夠承受的載流量，與很多因素有關，不同敷設方式下載流量不盡相同。因此電纜載流量根據電纜的運行環境和敷設方式，需要對其進行修正。

對于單根電纜：電纜在溫度下的載流量應為標準溫度時電纜載流量乘以溫度修正系數K1，當環境溫度超過25℃時再打9折。

K1=[(T1-Tn)/(T1-T0)]

T1：導體允許運行最高溫度

T0：導體運行標準溫度，取25℃

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Tn：導體運行環境實際溫度。

根據目前所選型的電力電纜技術規范要求：導線工作溫度以最高90度計算，環境溫度按最高50度，此時的修正系數為K1=[(90-50)/(90-25)] =0.784，環境溫度超過25℃，則實際的修正系數為K1=0.784*0.9=0.706。

以實際工程2000KW電力電纜敷設方式采用每相取一根即三根非同相電纜緊扎敷設計算，在空氣中成品字型敷設，此種情況下根據空氣中并列電纜敷設的修正系數K2=0.8，總修正系數K=K1*K2=0.706*0.8=0.564；埋地并行敷設，此種情況下根據土壤中并列電纜敷設的修正系數取K3=0.85，總修正系數K=K1*K3=0.706*0.85=0.6，綜合考慮各方因素，經核算，低壓側推薦選用16根型號YJV22-240mm2的交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套鎧裝電力電纜進行埋地敷設接至箱式變電站。

2.5 風電機組自用電系統

風電機組的自用電源取自箱式變低壓側，箱式變低壓側設置1臺干式變壓器，作為箱式變自用電電源（如照明、檢修、加熱、低壓用電負荷電源）及風電機組的自用電電源。干式變壓器一次側電壓0.69KV，二次側電壓0.4KV，容量按照箱式變自用電容量及風電機組自用電容量進行選取。

2.6 照明系統

照明設計按照標準GB50034的規定進行，設備設置正常照明和應急照明，采用三防熒光燈。正常照明電源為交流220V，應急照明兼作正常照明用，當交流電源斷電時能自動切換到蓄電池電源。

2.7 過電壓保護和接地系統

變電站具有良好的接地系統，為防止沿線路侵入的雷電波對設備造成的危害，在變電站內設置避雷器，并聯合構成對屋外配電裝置的防直擊雷保護，設置以水平接地網和垂直接地的復合接地網，其接地網與風電機組的接地網進行良好的搭接，組成的共同接地網應保證其工頻接地電阻不大于4Ω。

風電機組設備按照風電機組防雷標準《IEC61400-24風力發電機組雷電保護》進行設計。外部保護主要防止直接雷擊造成的損壞，內部保護主要防止因直接或間接雷擊造成的電位差所引起損壞。將外部防雷和內部防雷措施整體統一考慮，機組整體通過水平接地環電極和垂直接地極構成接地系統，并與基礎中的鋼筋連接，利用鋼筋作為自然接地體，機組通過采取接閃、引流、接地、屏蔽、等電位搭接、鉗位、降阻、電氣隔離、合理布線等現代防雷技術，可對風電機組葉片、機艙、塔筒等進行防雷保護，等電位搭接的銅線截面積不小于50mm2，接地系統的接地電阻應不大于4Ω。

3.結束語

風能作為一種清潔的可再生能源，不僅具有巨大的經濟效益和潛力，同時也是對保護環境的可持續發展道路提供了有力的支撐。【參考文獻】

[1] 風力發電場設計技術規范DL5383-2007.

[2] 中國船級社. 風力發電機組規范[Z].北京：2008,6