淺析沿海灘涂地區風電場電氣設計

摘要：隨著“綠色能源”的迅速發展，沿海灘涂地區風電場不失為一種較好的選擇。以江蘇某沿海灘涂風電場電氣設計為例，通過比較和分析，詳細介紹了該灘涂風電場電氣主接線、過電壓保護及接地、風電場電氣設備布置以及電氣二次設計，為同類型風電場電氣設計提供了參考。

關鍵詞：灘涂地區；風電場；電氣設計

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0207-02

江蘇、山東等省份灘涂地區的風電場位于經濟發達地域，電網覆蓋面、容量都較大，對風電接納能力較強，類似西北、內蒙地區常見的“棄風”現象很少發生。海邊灘涂風電場具有如下優點：[1]良好的風資源；灘涂風電場比山地風電場、海上風電場難度小很多；征地費用比陸上風電場少；遠離市區，對環境影響小。因此，海邊灘涂風電場發展迅速。

隨著灘涂風電場的迅速發展，總結灘涂風電場電氣系統典型設計具有較強的參考價值。本文以江蘇某灘涂風電場為例，詳細介紹該風電場電氣系統設計，其主要包括電氣主接線、過電壓保護及接地、風電場電氣設備布置、電氣二次設計四個部分。

一、電氣主接線

江蘇省某沿海灘涂風電場工程位于江蘇省如東縣沿海灘涂上，風電場本期裝機容量為49.5MW，安裝33臺單機容量為1.5MW風電機組，預留約20MW，遠景總容量70MW。本工程以110kV接入系統變電站。

1.風電機組升高電壓

風電場風電機組單機容量為1500kW，風電機出口電壓為0.69kV，風電場輸變電系統采取二級升壓方式，用1600kVA箱變升壓到35kV，后接入110kV升壓站，風電機和箱變采用“1機1變”的單元接線方式。根據風電場裝機規模及接入系統電壓等級，集電線路方案有電纜、架空線和線纜混合三種型式可供選擇。[2]

（1）技術方面：從安全性、可靠性看，電纜方案要高于架空線方案。

（2）經濟方面：架空線連接的方案可比投資電纜連接方案低約160萬元，但架空線方案年電能損耗比電纜方案高16萬元/年；綜合運行期20年考慮，電纜方案可比投資約低60萬元，因此電纜方案較優。

（3）運行與維護方面：電纜方案要優于架空線方案，電纜方案對惡劣氣候影響較小，日常維護工作量較小。

（4）從占地面積方面：電纜方案需沿集電線路方向敷設，而架空線方案主要是鐵塔點征。因此，電纜方案占地面積較大。

綜上所述，本工程綜合可靠性、經濟性等方面考慮，選擇電纜輸電方案。

2.集電線路

由于單臺風電機的容量為1500kW，如采用每臺風電機線路直接輸送至升壓站方案，其集電回路多，開關柜數量大，經濟性非常差，因此采用聯合單元接線方式。按風電機布置及線路走向劃分，風電場共設3回35kV集電線路。各聯合單元由1回35kV集電線路接至110kV升壓站35kV配電裝置。

3.升壓站接線方式

（1）風電場遠景規劃總裝機容量為70MW，設置1臺70MW，110/35kV升壓電力變壓器。

（2）35kV配電裝置本期共有3回風電機進線、1回主變出線、1回場變出線等，遠景預留2回風電機進線，采用單母線接線。

（3）110kV配電裝置共1回進線、1回出線，采用線路-變壓器組接線。

4.場用電源

風電場升壓站站用電共設2個電源。升壓站內設1臺接地變兼場用變壓器，容量1000kVA，二次側容量200kVA，電源一引自35kV母線；為提高風電場場用電供電可靠性，保留施工外接電源作為場用電電源二。低壓側設5面場用配電盤，采用單母線接線方式。

5.消諧裝置

風電機組數量較多，風電機間距離較遠，35kV系統單相接地電容電流較大。根據規范要求，應對35kV系統采取消弧消諧措施，以降低過電壓幅值。可采用以下方式：

（1）接地變+消弧線圈。發生單相接地，風電場可帶故障運行2小時。但由于發生單相接地時，產生高頻震蕩，消弧線圈不能即時準確切除故障，[3]且有可能產生過補償等。

（2）接地變+小電阻。發生單相接地，故障回路能快速跳閘，保護風電場電氣設備。但供電可靠性略低，投資略高。

綜上所述，從經濟性和運行靈活性上考慮，本工程采用接地變+小電阻方案。考慮到遠景預留容量，在35kV母線上裝設一臺接地變（兼場用變），高壓側中性點經50歐姆、400A的小電阻接地。

6.動態無功補償裝置

主要有SVC型和STATCOM型兩種類型可供選擇。[4]為改善供電質量，滿足電網公司對風電工程無功補償響應時間的要求，本工程選用1套35kV 12000kVar的SVG型動態無功補償裝置，確保110kV母線的電壓水平和升壓站的功率因數滿足系統的要求。

二、過電壓保護及接地

1.過電壓保護

升壓站污穢等級按IV級考慮，110kV爬電比距按3.1cm/kV（最高工作電壓），35kV戶內設備爬電比距按2.5cm/kV（最高工作電壓）。主變中性點采用經隔離開關接地，并按規定裝設放電間隙和避雷器。

（1）直擊雷保護。如東地區雷電活動頻繁，應加強防雷保護。除風力發電機本身設置防雷裝置外，還要采取相應的措施，利用風電機基礎管樁作為沖擊接地極，風力發電機防雷引下線與接地網相連，如風力發電機機殼、塔架應與接地網可靠相連，形成等電位接地系統；風電場綜合樓屋頂采用避雷帶保護，主變采用避雷針與屋頂避雷帶聯合保護。

（2）侵入雷電波保護。根據（DL/T 620-1997）的規定，110kV GIS進線側避雷器保護距離為130m；35kV母線避雷器保護距離為105m，均能保護主變，在風電場35kV配電裝置母線及GIS和110kV線路接口處裝設氧化鋅避雷器保護，可滿足要求。風電機配套的箱式變電站高壓側采用氧化鋅避雷器保護。

2.接地裝置

風力發電機利用基礎管樁作為自然接地體，可滿足風力發電機的防雷接地要求。

升壓站接地裝置除充分利用本身基礎管樁作為自然接地體外，敷設人工方孔網格狀接地網。主網水平接地扁鋼選截面為80×8mm，敷設深度為0.8m左右。站區加強均壓布置以滿足接觸電勢和跨步電勢的要求。升壓站接地網采用陰極保護。

三、風電場電氣設備布置

1.風電機組及配套箱變布置

風電場共安裝33臺1.5MW風力發電機組，布置在如東地區灘涂上。機組配套箱變布置在風機塔筒邊上。

2.升壓站內電氣設備布置

升壓站位于風機南側。本工程35kV配電裝置、110kV配電裝置為戶內布置，布置在升壓站生產綜合樓內。升壓站生產綜合樓采用二層布置：35kV配電裝置、場用低壓配電盤室等布置在一層；110kV GIS、中控室、繼保室、通信機房等布置在二層。主變壓器戶外布置，位于35kV配電裝置室及110kV GIS室一側。

四、升壓站電氣二次設計

1.電氣二次設計概述

風電場升壓站內設置有風力發電機組計算機監控系統、箱變監控系統、升壓站計算機監控系統、調度自動化系統。其中，風力發電機組的保護和監控由風力發電機組配套提供。

2.箱變監控系統

箱變跟隨風機布置于風電場內各處，分布范圍非常廣，為了便于運行維護，減輕運行人員現場巡視強度，考慮設置相對獨立的箱式變電站計算機監控系統，但與風機共用傳輸光纜，將各臺箱式變電站的運行狀態信號傳輸至中控室，實現箱式變電站的遠程監視。這種方式可靈活配置，相對而言功能較全，限制較小。[5]

3.升壓站計算機監控系統

該系統負責對升壓站主要設備獲取測量數據和狀態信號，并對所得信息作匯總、分析、存貯和報告輸出等操作。操作人員可在工作站上用人機對話的方式，對全場的升壓站設備進行操作和監視。110kV線路、主變壓器、35kV線路、35kV動態無功補償設備、35kV場用變的繼電保護參照（GB/T 14285-2006）配置微機型保護裝置。

4.調度自動化系統

一是風電場由江蘇省調、南通市調二級調試管理。二是遠動功能并入計算機監控系統，遠動信息采集由計算機監控系統數據采集單元完成。三是電能量關口計費點設在風電場的110kV出線側，配置電度主副表各一塊，并電能量計費終端一套。四是根據《風電場接入電網技術規定》，本風電場工程應配置1套風電功率預測系統，系統具有0～48h短期風電功率預測以及15min～4h超短期風電功率預測功能，按照有關規定的時間間隔向電網調度發送風電場發電功率預測曲線。五是根據江蘇電網企業標準，風電場二次接入系統并網配置綜合通信管理（控制）終端，完成風電場實時數據采集、通信、有功和無功閉環控制等功能。

五、結論

本文詳細介紹了江蘇某灘涂風電場的電氣主接線、過電壓保護及接地、風電場電氣設備布置、電氣二次設計，對同類型風電場工程具有一定的參考價值。沿海灘涂風電場的電氣設計應綜合自然條件、建設成本、施工難度及運行特點等因素進行。

參考文獻：

[1]李萍，盧萬里.海邊灘涂風電場集電線路接線方式探討[J].廣西電力，2009，（6）：86-88.

[2]楊白潔，晁琴.不同饋線形式對風電場保護影響的研究[J].電源技術，2014，38（1）：134-136.

[3]呂仁帥，趙鵬，等.風電場35kV系統中性點接地設計方案分析[J].電力與能源，2014，35（2）：80-84.

[4]吳玉龍，杜慧杰，等.應用于風電場的SVC與SVG性能比較[J].山西電力，2014，1（2）：18-21.

[5]霍志鵬，劉麗花，等.風力發電機箱式升壓變電站信息監控方案分析與比選[J].中國勘察設計，2011，（12）：88-90.

（責任編輯：孫晴）