高原型風機電氣系統探析

摘要：隨著海拔高度的增加，空氣密度降低，機組的散熱能力減小。需要對機組的齒輪箱、發電機、變頻器、變槳系統、主控系統等主要發熱元件的散熱能力進行校核。在低空氣密度下電氣絕緣水平降低，要考慮使高原地區絕緣水平達到平原地區絕緣水平，這就對高原地區風機電氣系統中的風機電力系統、雷電保護和接地提出了更高的要求。基于這一分析背景，對高原型風機電氣系統進行了探析。

關鍵詞：高原風機；電力系統；發電機；接地保護

作者簡介：王穩（1984-），男，湖南湘潭人，中水電新能源株洲風力發電有限責任公司，助理工程師。（湖南 株洲 412000）

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0231-02

一、系統簡介

電氣系統是用于獲得最佳能量產出和一流電能質量的關鍵結構。雙饋繞線式異步發電機使得風機能在變化的轉速下工作，而不需要通過大功率變頻器將全部功率轉送出來。雙饋異步發電機-變頻器系統是目前世界上MW級風機使用最多的模式。其主要的特點為：雙饋異步發電機可靠性高，結構緊湊，體積小，重量輕（和永磁式同步發電機相比），變頻器功率小，只需要風機功率的1/5 左右。風機具有低的風力特性（低起動風速、高效率），低噪音傳播，特別是在低風速時，向電網供電的特性都有明顯改善。[1]

變速發電機在偏載條件下提供了相當平滑的電能，在額定功率條件下提供了幾乎完全平滑的電能。這使得風機運轉時的噪音明顯減小，并大大降低了該結構上的動力載荷。陣風通過風輪的加速得到緩沖，因此風機能夠向電網輸出平滑的電能。輸入電網的電壓和頻率保持絕對的恒定。此外，變頻器控制系統適用于所有電網條件，甚至能支持較弱的電網。如果接入電網的選擇受限，那么在業主選擇風機系統時，這將具有優勢。并且在取得一個更好的電網連接成本方面本系統具有顯著優點。

1.發電機-變頻器系統

風機使用變速發電機-變頻器系統。在變槳系統的共同作用下，通過變速運行能夠保證在電能產出、效率、機械壓力和電能質量等方面達到最佳允許值。系統最大程度地避免了出現浪涌和峰值負荷。為發電機提供的運行控制裝置允許在偏載時有平滑的能量輸出，而功率波動最小。在額定負載范圍內，風機能夠在幾乎恒定的功率下運行。風機產生無功功率的能力也允許按照用戶和電網運營商的要求進行無功功率的目標管理。[2]

變速發電機的工作原理：雙饋繞線式發電機組使用IGBT 技術的變頻器。無論風輪轉速如何，系統保證按照與電網匹配的電壓和頻率持續發電。根據風速大小，風輪轉速和功率能夠自動進行調節。

在低于同步轉速時，發電機定子向電網輸送100%的電能。此外，變頻器通過發電機的滑環向轉子提供轉差功率。在高于同步轉速時，發電機通過定子將大約83%的功率輸送給電網，剩余的功率（大約17%）由發電機轉子通過變頻器輸送到電網。與其他系統相比，該系統具備低損耗的優點，因而能保證較高的總效率。此外，由于使用的零件數少，設計緊湊，該系統還具有非常出色的可利用率。[3]

某雙饋繞線式風力發電機組（如圖1所示）采用完全封閉式包裝，保護等級為IP54，冷卻方式為空氣冷卻。發電機產生的熱量通過消聲通道傳到外界環境中。變頻器使用最新的IGBT 技術，并由微處理器控制的電力電子器件來控制，使用脈寬調制技術。由此獲得接近無閃變的電能，可調節的無功功率管理，低失真和最低諧波含量，提供了一個新的高質量“風電”定義。

其特點：MW級機型，目前世界最流行的機型；風能利用率高；發電機為雙饋異步發電機，轉速范圍大，可在同步轉速的±30%內運行；發電機的定子直接與電網連接，轉子經過變頻器與電網連接；變頻器的功率為總功率的20%～30%，變頻器的功率損失小，價格便宜；控制系統復雜；整機價格比直驅式發電機組便宜30%；該機型已被Repower、Dewind、GE、Nodex、Vestas 等公司廣泛采用。

2.在低壓條件下的技術數據

額定功率：P=2000 kW（額定有功功率）；

額定轉速：n=1800 RPM （發電機轉速）；

額定視在功率：A=2105 kVA；

功率因數：0.95電感（欠激勵）到0.95 電容（過激勵），cos phi 給定值=缺省值為1；

額定頻率：50 Hz ± 1%；

額定電壓：690 V ± 10% ，在中（電）壓系統中的升降壓變壓器必須保證線電壓不會降到永久低于額定電壓；

額定電流：I = 1673 A（在額定電壓下）。

3.變頻器的技術數據

理念：用于雙饋異步發電機的變頻器帶有直流環節；

功能：通過機側和網側模塊傳輸轉子功率，調節有功功率和無功功率；

功率半導體器件：IGBT；

保護：IP54； 電感區域：IP21；

冷卻：強制空氣冷卻。

4.發電機的技術數據

理念：異步、雙饋發電機，通過變頻器將轉子功率傳輸到電網當中，定子繞組與電網同步，這樣可以直接進行并網；

額定功率/速度：Pel= 2000kW，在 n=1800RPM 時；

速度范圍：n=1000到1800RPM（動態到2000RPM）存在一個與各轉速相關的特殊情況下的最大功率值，通常因為設計原因不能超過此功率值；

類型：帶滑環的四極雙饋異步發電機；

樣式：1001（B3）；

中心高：500mm；

保護：IP 54；

冷卻：表面安裝的熱交換器；

傳感器：用于監控軸承的溫度PT 100；用于監控線圈的溫度PT 100；電刷磨損警告。

二、雷電保護

1.安全等級要求

根據IEC 61024-1，對輪轂高度超過60m 的風機要求達到Ⅰ級安全等級。風電機組所實施的雷電保護方法是基于面向雷電保護區域的EMC 原理。它意味著整個系統在安全分類已經確定后，必須再分成各種防雷區；防雷區的任務是要把傳導干擾和磁場干擾降低到規定限值內。該要求對各個防雷區交界處應用較嚴格。[4]

2.外部雷電保護

每只葉片上安裝一組接閃器，并通過葉片軸承的內齒圈電氣連接到輪轂。雷電電流從輪轂傳導至主軸鎖緊盤，再通過碳刷和火花間隙傳導至機架。通過另外的兩個碳刷和火花間隙使雷電電流從機架傳導至偏航軸承齒圈。塔筒連接法蘭（機艙與塔筒連接法蘭除外）間安裝有柔性連接器作為Ⅱ級防雷通道。塔筒的基礎法蘭通過三點與環狀接地電極相連，這樣能保證安全地將雷電流導入地下。

3.內部雷電保護

系統中接地的等電位連接導體與附在開關柜上面的金屬排連接起來后，同時也與雷電保護裝置中的等電位連接導體相連接了，從而使得接地的等電位連接導體與危險的電纜屏蔽線連接在一起。所有在雷電保護區域的LPZ OA和LPZ 1 之間的過渡位置上出現的雷電電流都可以通過避雷器泄掉。接地的等電位連接導體必須安裝在各個附加的雷電保護區域界面上。所有的金屬物體比如開關配電箱、驅動電動機和發電機都要與接地的等電位連接導體相連。根據各區域內潛在危險的大小來選擇雷電保護元件。[5]

過壓保護包含在低壓系統中。過壓保護包括變壓器中的基本保護措施和與之相匹配的變頻器內的中間保護。由于變壓器與變頻器之間的電纜很短，塔筒系統中使用了特殊設計的基本保護。這樣，中壓系統電氣設備和風機電氣系統都有了可靠的過壓保護。

三、接地

接地系統的作用是將雷電產生的電流引入地下，并且提供等電位的連接。同時，在塔筒基礎法蘭的圓周外側，應該引出三個接頭供接地使用，這些接頭能夠與法蘭電氣連接。而且要確保等電位和基礎法蘭連接片之間以低電阻連接。而且在設計和安裝接地系統的時候，還需要綜合考慮風電場的土壤電阻率。接地網由閉環導體制成。當與異種金屬接觸時，應檢查是否存在電化學腐蝕。如果接地系統的接地電阻超過要求，應通過增加額外的接地棒擴大接地系統范圍，這些接地棒連接到環狀接地體的終端。[6]通過這些環狀接地電極可以起到一個降低接觸電壓和跨步電壓的作用，當發生雷電作用時，若有人接近了塔架基礎，由于這一環狀接地電極的存在，可以避免遭受雷擊而觸電的危險。同時，接地體還能夠保證整個接地系統遠處的接地電極能夠可靠運行。

四、總結

本文主要是對高原地區的風機所采用的電力系統、避雷保護、接地等相關內容進行了分析，希望能讓更多的風力發電從業者對于此內容有著更深層次的了解，能為部分項目所借鑒。

參考文獻：

[1]呂鵬遠，鄧志勇.風電場建設中的風力發電機組選型[J].水利水電技術，2009，（9）.

[2]王富.高原環境對風力發電機組的影響及設計改進[D].上海：上海交通大學，2010.

[3]李建春.風力發電機組選型因素探析[J].甘肅科技，2010，（4）.

[4]關宏亮，遲永寧，戴慧珠，等.異步風電機組接入系統的小干擾穩定及控制[J].電力系統自動化，2008，（4）.

[5]張濤，趙超，張思瑤.淺析風力發電的防雷問題[J].科技促進發展（應用版），2010，（10）.

[6]張波，薛惠中，張寶全，等.雷擊風機時葉片和塔筒對接地裝置沖擊接地特性的影響[J].高電壓技術，2012，（10）.