淺談風電場就地升壓系統的選型及優化

李騰飛　戴曉亮　張曉峰

摘 要：風電場就地升壓系統是風電場重要的組成部分，文章介紹了風電場常用的幾種就地升壓系統方案的特點。對采用美式箱變的就地升壓系統方案進行了優化，并組織相關專家進行了認真的論證和評審，推出這種新型的就地升壓系統方案，在保證風電場設備安全可靠運行下，降低業主對風電場的投資成本，提高業主的項目收益率。

關鍵詞：風力發電；就地升壓系統；美式箱變；升壓變壓器；歐式箱變；油浸式變壓器

引言

風電作為一種潔凈的可再生能源，近幾年發展已較為成熟，隨著國家大力推廣新能源行業，風電也得到了迅猛的發展，預計到2016年末中國風電累計裝機容量將超過1.5×105MW，風電能發展如此之快的直接動力來自國家的政策導向“電價補貼”，盡管目前中國風電機組已國產化，發電趨于規模化，但如果沒有國家的政策導向“電價補貼”，風電還是很難與火電等傳統發電相競爭，遂怎么才能進一步降低風電場的建設成本，是值得我們去討論的，文章將通過優化風電場就地升壓系統的方式降低風電場建設成本。

1 風電場就地升壓系統的選型

風機發出的電能（0.69kV或0.62kV）通過附近的變電站升壓至35kV后接入場內的集電線路，風機和箱變采用“一機一變”的單元接線方式，箱變一般布置在距風機約15m處。以上這種升壓方案稱為風電場就地升壓系統。集電線路通過升壓站（110kV或220kV）接入電網。風電場就地升壓系統主要由變壓器構成，該變壓器作為風電場集電線路及風力發電機組的紐帶，起到了風機產生電能輸送的作用，同時也為塔筒內照明及電氣設備檢修提供了有利的保障。目前就地升壓系統選用的變壓器有以下幾種形式。

1.1 預裝箱式變壓器

俗稱歐式箱變，它主要由高壓負荷開關、高壓熔斷器、避雷器、變壓器（油浸式或干式）、低壓空氣開關、CT（電流互感器）、電能計量設備、電壓表和電流表等組成，所有的設備在工廠一次安裝、調試合格，結構一般為目字型布置，即高壓室及低壓室分別布、置在變壓器的兩側，各室之間用鋼板隔開，這樣每個箱都是獨立的，組合起來又是一個完整的變電站整體，具有結構緊湊，安全可靠特點。由于風電場風沙較大，變壓器選型時既要考慮防風沙措施又要考慮散熱等因素，另考慮到歐式變壓器成本高于美式箱變，故該種類型變壓器在風電場運用較少，其主要應用于住宅小區、城市公用變、繁華鬧市及施工電源燈。

1.2 組合式變壓器

俗稱美式箱變，與歐變不同的在于美式箱變是將變壓器鐵芯、高壓負荷開關、保護用熔斷器等設備統一設計，放在同一注油箱內，其結構為品子型布置，美式箱變分為前、后兩部分：前面為高、低壓操作間隔，操作間隔內包括高低壓接線端子，負荷開關操作柄，無載調壓分節開關，插入式熔斷器，油位計等；后部為注油箱及散熱片，將變壓器繞組、鐵芯、高壓負荷開關和熔斷器放入變壓器油箱中。避雷器也采用油浸式金屬氧化物避雷器。由于結構簡化，美式歐式箱變的占地面積和體積大大減小，其所需占地面積僅是歐式箱變的1/4，體積僅為同容量歐式箱變的1/5～1/3。根據以上美式箱變的結構優點，故該種變壓器在風電場應用廣泛。

1.3 華式箱變壓器

由于該種變壓器，國家還沒有明確的標準，故而市場上的華變型式各異，既有在美式箱變美式箱變基礎上，把高壓側油浸式負荷開關和熔斷器更換為外置的真空負荷開關熔斷器組合而形成的華式箱變的，也有在歐式箱變基礎上把散熱器外露而成的華式箱變，故文章不再詳細介紹。

1.4 油浸式變壓器

所有設備均露天布置，將跌落熔斷器及避雷器一同安裝于35kV爬桿（塔）上，采用電纜連接至風機塔機柜內。因高壓側除跌落熔斷器外，再無任何分斷裝置，當風機或箱變需要檢修時，會導致整條集電線路斷電，這樣將會造成其他風機也不能正常出力，對業主造成極大的經濟損失，因此，則需增加35kV戶外式負荷開關，另還需在塔筒內配置檢修變壓器，其綜合成本高于美式箱變。

1.5 干式變壓器

由于此種變壓器對環境條件要求較高，故一般的陸地風場均不采用此種形式，只有海上風電采用，并將其放置在塔筒內，由于對變壓器提出了較為苛刻的尺寸要求，并需配置相關的附件，故綜合成本高于常規的箱式變壓器。

以上就是目前風電場常用的幾種就地升壓系統方案，各種設備的結構特點可以得出，美式箱變較歐式箱變體積小，造價相對較低，而如采用油浸式變壓器，其綜合成本高于美式箱變。于是我們決定在美式箱變的基礎上進行設計優化。

2 風電場就地升壓系統的優化

我們根據市場調研及分析，設計一種就地升壓方案，風力發電機組的出口電壓一般為690V（或620V），通過專用變壓器升壓至35kV，然后通過埋地電纜或者架空線路輸送至風電場升壓站，再向電網送電，變壓器本體方案設計可按常規電力變設計，容量一般在風力發電功率的1.1倍。新型就地升壓方案中箱變的高壓側仍然保持高壓室負荷開關以及熔斷器都安裝在變壓器油箱內，將箱變的低壓柜部分優化掉，但需保留變壓器低壓部分接線端子，保證低壓電纜可與變壓器可靠連接。

該新型就地升壓方案較常規就地升壓方案，具有以下優勢。（1）改變傳統美式箱變的設計方案，簡化系統方案，減少美式箱變低壓柜的投資，體積更小，便于安裝。縮短施工周期。（2）簡化升壓箱變及減少電氣室土建工程量，提高土地利用率。（3）由于減少了箱變的低壓部分，則減少了低壓柜的維護，減少了故障點。

綜上所述，采用新的就地升壓設計方案為行業內在風電場設計方案的先進性方面提供新的思路。

3 優化后就地升壓系統保護的配置

之所以可以優化掉美式箱變的低壓柜，是因為風機的塔基柜內配置了對電網完善的保護裝置，一旦集電線路及箱變系統發生故障或出現異常，風機保護動作并切除風機，風機則不會因此受到損害。箱變內配置的一些保護是比較簡單的，其保護功能遠不如風機保護，且形成重復的交叉保護，因此，箱變配置的電網保護則是不必要的，可以取消。其中智能型斷路器的保護范圍及功能完全可由風機電網保護代替，所以可以優化掉美式箱變內的低壓柜，這樣不但有利于減少事故點，而且提高設備運行的可靠性。

4 結束語

為了確保此種就地升壓方案能夠滿足風電場運行需要，特變電工新疆新能源股份有限公司組織特變電工新疆變壓器廠、特變電工衡陽變壓器廠、特變電工西安電力設計有限公司等單位的15位專家對此種就地升壓方案進行了認真論證和評審，認為此種就地升壓方案是對風電場傳統就地升壓方案的一種優化，技術上滿足風電機組的安全、可靠的運行要求，如在今后的項目中采用容量為1600kVA的就地升壓方案，每臺箱變約節約成本4萬元，1個49.5MW的風電項目，節約成本約132萬元，以中國2014年新增裝機容量23GW計算，共節約成本約60720萬元，且減少美式箱變低壓柜的選型、設備的生產周期以及土建工程施工。具有客觀的研究意義及應用價值，目前此種就地升壓系統方案已應用于特變電工固陽興順西100MW風電場工程。

參考文獻

[1]DL/T537-2002.高壓/低壓預裝箱式變電站選用導則[S].

[2]JB/T10217-2013.組合式變壓器[S].

[3]GB/T6451.1-2008.三相油浸式電力變壓器技術參數和要求[S].

作者簡介：李騰飛（1988-），男，陜西西安，助理工程師，本科，主要從事風電系統集成的設計與研究。

戴曉亮（1983-），男，陜西西安，助理工程師，本科，主要從事風電系統集成的設計與研究。

張曉峰（1984-），男，陜西西安，工程師，本科，主要從事風電系統集成的設計與研究。