巴基斯坦風電場總承包項目電氣設計

文 | 孫長江，楊文斌，李華，沈錢蘭

巴基斯坦風電場總承包項目電氣設計

文 | 孫長江，楊文斌，李華，沈錢蘭

伴隨著我國新能源產業的不斷發展，我國在風電項目設計、設備制造、工程施工等方面積累了豐富的經驗，并已經成為風電大國。近年，我國越來越多的風電機組供貨商、工程設計企業、工程總承包企業正在帶著成熟的技術、先進的設備、豐富的經驗開拓國際市場。

隨著巴基斯坦電力需求的日益緊張，政府對綠色能源的重視，巴基斯坦風電市場逐漸走向成熟，中資企業在巴基斯坦開展風電投資、建設熱情高漲。對于海外總承包項目，在設計前需要進行充分的調研，了解當地電氣行業的設計思路、設計習慣、遵循的規程規范等，保證設計方案的合理性、適應性、先進性，不但要滿足合同及規范要求，更要從工程實際出發，節省項目投資，達到最優的執行效果。設計工作更是要根據工程實施計劃，提前向開發商、電網公司報批，為后續項目執行留足時間。本文根據巴基斯坦Sachal風電總承包項目從電氣設計依據及規范、電氣系統設計、設備及圖紙審批等方面進行了總結。

電氣設計依據

巴基斯坦風電項目電氣設計主要的設計依據來自EPC合同、EPA合同、巴基斯坦電網規范、IEC規范、中國國標規范等。

在電氣設計開始前，需要充分研究EPC合同、EPA合同以及熟練掌握電網規范及相關的IEC規范。巴基斯坦各行業采用的標準是沿用IEC和BS（英標）標準，巴基斯坦電網規范是在IEC標準上進行的深化，并且提出了較高的要求。雖然我國現行使用的國標、行標是等同或者高于IEC標準的，但由于電壓等級、設計習慣等因素，在實際使用中只能作為參考。

電氣系統設計及計算

一、 電氣主接線圖

巴基斯坦風電項目由可再生能源委員會（AEDB）統一規劃，一般為帶狀單列布置，單個風電場的裝機容量通常為5萬千瓦，以132kV電壓等級接入系統。風電場項目接入電網需要由開發商與電網公司簽訂購電協議，購電協議對風電場的若干技術細節提出了要求，其中包含電氣接線方式及設備參數。

巴基斯坦風電項目EPC合同已經形成了統一的合同模板，不同項目對于電氣技術要求也是基本一致的，并隨著風電工程經驗的積累不斷完善。綜合EPC合同以及EPA合同的要求，電氣設計方案的基本要求概括如下：

風電場通常設置一座132kV升壓變電站，升壓站內設置2臺主變壓器，單臺主變的容量與風電場裝機規模相當為50MVA，以滿足N-1的備用要求。

相鄰的風電場之間采用手拉手的方式相連，形成環形，最終接入到電網，如圖1所示。因此單個風電場需要雙回出線。根據電網要求，如果采用GIS則可以采用單母線分段接線方式，如果采用AIS則需要采用雙母線接線方式，2回進線2回出線，如圖2 所示。

升壓站中壓側根據開發商要求不同通常采用33kV或者22kV電壓等級，采用單母線分段接線。每段母線配置一套無功補償設備。

整個風電場集電線路分為四組聯合單元，采用鏈型接線方式，通常采用直埋電力電纜。每臺風電機組配置1臺箱式變壓器，在中壓側配置環網柜。

二、電氣系統設計

本節基于巴基斯坦Sachal項目，簡單闡述電氣系統的設計和相關的計算。Sachal 49.5MW 風電場由33臺1.5MW風電機組組成，采用“一機一變”的方式將風電機組出線電壓由0.62kV升至22kV，并分成四組聯合單元通過電纜直埋的方式進入升壓站中壓母線。升壓站采用圖2（a）的電氣主接線方式（GIS），最后通過兩回132kV架空線連接Yunus風電場和New Jhimpir變電站。Sachal風電場電氣系統主要設備參數如表1所示。為了便于后續的分析，將系統的運行方式進行分類。根據中壓側母聯開關的狀態和無功補償設備的投入與否，將系統運行模式分成四類如下：

1.模式1-正常運行，中壓母聯開關斷開，無功補償切斷；

2.模式2-正常運行，無功補償閉合；

表1 系統主要設備參數表

3.模式3-故障運行，一臺主變切除，中壓母聯開關閉合，無功補償斷開；

4.模式4-故障運行，無功補償閉合。

（一）系統短路計算

系統各個母線的短路電流值是系統設計的最基本數據，也是后續斷路器開斷能力校驗，接地系統設計，電纜熱穩定校驗等基礎。根據電網提供的末端電站短路容量，基于ETAP仿真軟件，搭建系統模型，可以得到系統各個母線不同故障條件下的短路電流值（或者正序，負序，零序電流）、序阻抗、各個支路對短路點的短路電流貢獻等。考慮變壓器有載調壓開關對阻抗的影響，仿真得到的最大短路電流值如表2所示，由此可知斷路器短路開斷能力的選擇符合要求。

（二）系統潮流計算

通過潮流計算可以清楚地看出系統功率分布、各母線電壓、系統損耗、設備過載情況等。尤其當系統工作在模式3和模式4下，只有一臺主變處于運行狀態，風電機組所有的電流將通過此主變進入電網，主變可能存在過載情況。考慮風電機組處于電壓調節模式, 基于Newton-Raphson迭代法，對模式4進行仿真，得到系統的潮流圖如圖3所示。此模式下，經過主變的容量為48.44MVA＜50MVA，滿足設計要求。同時通過潮流計算可以得到系統所有設備的有功損耗，具體分布如圖4所示。由此可知，系統集電線路和箱變部分占總損耗的81%，主變損耗將近7%，送出線路達到11%，站用變等其他損耗為1%，系統的效率約為3.01%。

（三）接地系統設計

接地系統分為風電機組接地系統和升壓站接地系統。對于風電機組接地系統，接地電阻值滿足風電機組廠家的要求以及當地電網的要求（＜5歐姆）。對于現場土壤的情況，設計內外環接地連接模式（內環位于基礎環位置，外環靠近基礎邊緣）計算的最大接地電阻約為4.2Ω，滿足要求。

表2 最大短路電流計算結果

對于升壓站接地系統，采用方形網狀接地結構，接地體之間不等間距（5m－10m）分布，土壤表層電阻率為260Ω·m，3米以上及以下的土壤電阻率分別為170Ω·m 和160Ω·m ，根據計算得到的最大3倍零序電流值為7.14kA，短路持續時間0.5s，分流系數為0.6，基于ETAP仿真計算得到的接觸電壓和跨步電壓均超過了允許值。因此，考慮在高壓區鋪設碎石增加表層電阻率（約為4250Ω·m），從而增加允許接觸電壓和跨步電壓。對比計算結果如表3所示，鋪設碎石后的接觸電壓和跨步電壓分布圖如圖4所示。從表3可以看出，高壓區鋪設碎石后不影響接地電阻和實際接觸電壓跨步電壓的值，但是有效的增加了接觸電壓和跨步電壓的允許值。從圖5可以看出，升壓站內部的接觸電壓和跨步電壓分布比較平坦，最大值出現在接地網的邊沿。

（四）無功補償容量驗證

風電場無功補償容量往往取值為風電場總容量的20%，Sachal風電場采用兩套10Mvar無功補償裝置，分別安裝在中壓兩段母線上。以升壓站線路輸出點為參考，考慮兩種極端情況：每臺風電機組輸出最大無功（ 500kvar），最大有功（1.5MW），根據上述潮流計算結果，無功補償前后的對比如表4所示。

從表4可以看出，當風電機組工作在-0.95功率因數下，每臺風電機組吸收500kvar無功，若此時系統處于滿發狀態，箱變、集電線路、主變等也均會消耗無功，此時功率因數僅為-0.876。投入無功補償裝置后，裝置發出18Mvar無功（兩臺無功補償裝置分別輸出9Mvar容性無功），有效的將功率因數控制在-0.98以上。當風電機組工作在+0.95功率因數下，每臺風電機組發出500kvar無功，若在滿發情況下，系統消耗部分無功，最終輸出點功率因數仍舊達到了0.97，投入無功補償裝置后，將功率因數提高到1。值得注意的是，實際運行中不存在這兩種極端的運行情況，風電機組的持續無功功率輸出也小于500kvar，尤其是風電機組持續輸出無功功率情況下，過多的容性無功不利于系統的穩定性。

（五） 防雷保護設計

防雷設計時需要考慮直擊雷和感應雷的保護。

表3 接地計算結果對比

表4 無功補償裝置投入前后對比

對于直擊雷，通常采用獨立避雷針或者避雷帶的方式，通過引下線將雷電流引入大地。Sachal項目的132kV設備以及22kV無功補償裝置均安裝在室外，需要合理設計避雷針的位置和高度。根據IEC 62305對雷電保護范圍的分類以及現場的情況，選擇IV類防雷保護，采用滾球法 （滾球半徑為60m） ，合理設計三根獨立避雷針的安裝位置和安裝高度，實現設備區的全面保護。對于各個房屋，采用屋頂避雷帶的配置實現直擊雷的防護。

對于感應雷，需要在各電壓等級設置避雷器或浪涌保護器等，設計時需要考慮各級之間的相互配合。具體設計方法不再贅述。

（六） 其他

1．由于風電場為2回出線，因此風電場的計量應該在2臺主變的高壓側分別設置。風電場計量系統設置在風電場升壓站內的單獨的房間內，分為主、備兩個計量表，且由當地電網公司負責維護。

2．目前巴基斯坦風電場通信主要有三種形式：載波通信DPLC、光通信SDH、衛星通信VSAT。

3．巴基斯坦風電場所在區域地域偏僻，附近沒有電網配電網絡，因此風電場的應急備用電源均采用柴油發電機。

4．巴基斯坦風電場項目對二次繼電保護整定、CT/PT選型計算、直流蓄電池、UPS容量估算等提出了具體的要求。

開發商及電網審批

根據EPC合同的要求以及風電場開發商與電網簽訂的EPA合同，總承包方需要向開發商及其咨詢方提交所有電氣系統設計相關計算稿、電氣設備技術資料、圖紙等進行審批；在完成開發商方的資料審批之后，需要根據電網的要求將相關資料、計算報告提交電網審批。以上資料的報批是否順利，將直接影響到設備的采購、排產以及整個項目的推進，在項目執行中需加強與開發商、咨詢方以及電網的溝通。

在項目電氣設備安裝完成后，電網公司會指派第三方試驗見證機構對EPA協議中要求的試驗進行一一現場見證，并頒發相關試驗通過的證書。取得相應的證書之后，電網會發函給開發商，許可項目進行倒送電聯調。完成升壓站、風電場的倒送電及動態調試之后，項目將進入168小時商業試運行。通過試運行之后，項目進入正常發電階段。

結論

電氣設計工作貫穿整個總承包項目的始終，從前期合同談判方案的確定、電網EPA協議的簽訂，到開發商和電網的審查、現場的設計變更優化，都需要做好相應的技術支撐工作。作為海外總承包項目，設計必須有一定的提前量，以保證在項目開工時能夠形成最終稿的施工圖紙，滿足項目進度要求。同時，海外項目電氣設計人員必須基于合同出發，掌握相關國際規范、當地規范以及當地常規設計思路，以滿足項目的合同技術要求，保證項目的順利推進。

（作者單位：中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司）