呂壽鵬

【摘 要】目前風電場電氣設(shè)計與傳統(tǒng)發(fā)電廠設(shè)計的原理相同，但傳統(tǒng)的設(shè)計方法不一定適合風電場運行需求。所以必須針對風電場電氣主接線設(shè)計的進行改進。針對風電場電氣主接線進行設(shè)計和優(yōu)化，通過對風機的分組和連接方式、風電場集電線路方案、風電場短路電流計算及設(shè)備選取等的問題進行深入的計算與討論，提出一套適用于風機分組連接、集電線路設(shè)計的可行方案。

【關(guān)鍵詞】風能；鏈形；接入系統(tǒng)；

【中圖分類號】TM761【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0302-01

風能是一種無污染的可再生能源。隨著各國對全球溫室氣體排放問題解決的緊迫性和傳統(tǒng)化石能源供應的日趨緊張，風力發(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的重視。在過去的幾年間，風電發(fā)展規(guī)模不斷超越其預期的發(fā)展速度，而且一直保持著世界增長最快能源的地位。截至2011年底全國風電裝機容量已達到6200萬千瓦，連續(xù)三年增長率超過100%。

一、風電場電氣主接線的設(shè)計

風電場電氣主接線的設(shè)計主要分以下幾種：風力發(fā)電機組升壓方式、風電場集電線路選擇、風力發(fā)電機分組及連接方式、風電場無功補償?shù)?。風力發(fā)電機組升壓：現(xiàn)國內(nèi)外風力發(fā)電機組出線電壓多為690V/620 V，若直接匯總并接入風電場的總升壓站，則電能損耗過大，且導體的截面過大，無法滿足現(xiàn)場的安裝要求，因此，須將電壓升高至35kV或10kV才能接入總升壓站。但從年運行費用上比較，在經(jīng)濟輸送容量的范圍內(nèi)，35kV方案線損較小，且維護工作較少。因此，現(xiàn)國內(nèi)外風力發(fā)電機組升壓多采用35kV方案。國外也有實驗將風機直接升壓至110KV，不經(jīng)過整個電廠的主變整合與電網(wǎng)相連接。但是這樣的結(jié)果卻是會導致風機的頻繁脫網(wǎng)、并網(wǎng)，最終，會使電網(wǎng)不穩(wěn)定，也使得風機的總發(fā)電量降低 ，風電上網(wǎng)困難。

二、風電場集電線路的選擇

風電場接線集電線路結(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)；復合環(huán)形結(jié)構(gòu)；星形結(jié)構(gòu)。鏈形是目前已建風電場中用的最多的一種連接方法，結(jié)構(gòu)簡單，成本不高，其基本思想是將一定數(shù)目的風力發(fā)電機（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機數(shù)目受到地理位置、線路長度、線路容量等參數(shù)的限制。環(huán)形設(shè)計比鏈形需要的線路規(guī)格更高、長度更長，因此成本較高，但因其能實現(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力發(fā)電機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力發(fā)電機相連；復合環(huán)形結(jié)構(gòu)是將單邊和雙邊兩種環(huán)形相結(jié)合并改進的一種結(jié)構(gòu)。

風電場集電線路選擇方面，一般采用架空線或電纜敷設(shè)兩種。由于風電場年利用小時數(shù)較低，檢修線路對發(fā)電量造成的損失較小，在考慮建設(shè)成本、施工難度、運行成本等諸多因素后，大多風電場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。風力發(fā)電機分組多為靠風機的排布位置、并結(jié)合現(xiàn)場施工的便捷性制定。大多數(shù)情況下，要盡量使風機均勻的分部到各個集電線路上，以免造成風場運轉(zhuǎn)時由于各條支路電量不均而造成的沖擊。合理的進行風機分組可以使風電場電纜或架空線等導體投資盡量節(jié)省，使主接線方案優(yōu)化。

三、風電場無功補償

在目前已經(jīng)建成和在建的風電工程中，35kV母線無功補償方式主要有，固定投切電容器組補償方式及降壓式動態(tài)無功補償方式。目前國家相關(guān)技術(shù)規(guī)定都要求優(yōu)先選用動態(tài)無功補償裝置方式。此種無功補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現(xiàn)的，來補償母線上的無功功率。比如一個容量為100風電場，升壓站內(nèi)主變?nèi)萘繛?00MW，無功補償?shù)恼{(diào)節(jié)范圍為（0—12000）kvar。

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

風電場的風機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)濟和技術(shù)兩個方面對這兩種方案進行比較。架空線路由于采用架空導線，導線裸露在空氣中，受周圍環(huán)境影響較大，可靠性較低；架空線對地電容較小，發(fā)生單相接地故障時，電容電流較小，并且發(fā)生單相接地故障通常以瞬時故障為主，因此可以采用中性點不接地或采用消弧線圈接地方式，以減少機組無為跳閘的可能性；架空線相同截面導線載流量比電纜大得多，設(shè)計采用架空線則導線截面積可以選的較小。但是在一些地區(qū)如山脊風電場由于風速較大，采用架空線方案時對鐵塔的要求較高，造價也增加較多，可靠性也相應下降。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；電纜對地電容較大，發(fā)生單相接地故障時，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；電纜相同截面導線載流量比架空線小得多，如采用電纜則導線截面積要大一些，且需選擇三根電纜。

直埋方案遠比架空線方案價格要高。因此，架空線方案經(jīng)濟上優(yōu)越得多，技術(shù)上也可以達到要求，電纜方案需要較大投資。但在一些設(shè)計中則優(yōu)先考慮電纜方案，如：沿海風場，海上風場及風力影響較大的地區(qū)。

五、結(jié)束語

針對風電場電氣主接線進行設(shè)計和優(yōu)化，通過對風機的分組和連接方式、風電場集電線路方案、目前風電場電氣設(shè)計與傳統(tǒng)發(fā)電廠設(shè)計的原理相同，但傳統(tǒng)的設(shè)計方法不一定適合風電場運行需求。本文對風電場接入系統(tǒng)以下幾個方面進行了優(yōu)化：風電場短路電流計算及設(shè)備選取等的問題進行深入的計算與討論，提出一套適用于風機分組連接、集電線路設(shè)計的可行方案。

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