高原型風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

王佰川

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高原型風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

王佰川

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

高原環(huán)境條件會影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的性能，只有摸清高海拔環(huán)境條件對風(fēng)電系統(tǒng)各個(gè)部件的影響，才能設(shè)計(jì)出穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組。本文闡述了高原環(huán)境對電氣系統(tǒng)的各種影響因素，針對電氣設(shè)備、電纜選型以及變流器水冷卻系統(tǒng)提出了科學(xué)的優(yōu)化方案。

高原型風(fēng)機(jī)；電氣系統(tǒng)；改進(jìn)措施

中國的風(fēng)能資源在海拔3000m以上約占16%，在海拔2000m以上為33%，在這些地區(qū)的風(fēng)電資源技術(shù)可開發(fā)量高達(dá)47000MW。高原型風(fēng)電場如此巨大的市場潛力將為高原型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展應(yīng)用帶來絕佳的機(jī)遇。在這些高海拔地區(qū)使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須具備良好的環(huán)境適應(yīng)性和適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以確保風(fēng)機(jī)各系統(tǒng)的穩(wěn)健運(yùn)行。

某公司93～1600m高海拔機(jī)組在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合高原地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，針對高原特殊生態(tài)環(huán)境從載荷、散熱、控制策略、電氣等多方面加強(qiáng)機(jī)組環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)[1]；同時(shí)，針對電氣設(shè)備及電子元件在高原使用的特殊要求、材料和部件的抗紫外線能力、比較大的晝夜溫差及其導(dǎo)致的凝露、高原地區(qū)的貯存和運(yùn)輸?shù)确矫娑甲龀隽擞嗅槍π缘恼{(diào)整和設(shè) 計(jì)[2]。通過對葉片、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了《高原型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)規(guī)范》的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。本文針對高原特殊環(huán)境條件對風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的主要影響因素進(jìn)行分析，并提出解決方案。

1 高海拔對低壓電氣系統(tǒng)的影響

海拔的升高對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低壓電氣系統(tǒng)的影響[4-5]，主要表現(xiàn)在電氣間隙、爬電距離、電氣元器件的容量、柜內(nèi)主回路設(shè)計(jì)等方面。下文將進(jìn)行詳細(xì)的論述。

1.1 電氣間隙和爬電距離

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部器件有交流400V和交流690V兩種電壓等級，變流器、主控柜、配電柜和冷卻柜內(nèi)所有元件的電氣間隙、爬電距離都要求滿足國家標(biāo)準(zhǔn)[6]，具體見表1。

表1 電氣間隙和爬電距離修正系數(shù)

對于690V電壓等級系統(tǒng)，依據(jù)GB 14048.1—2006的內(nèi)容，其最小電氣間隙應(yīng)是8mm。5km海拔時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整過后最小電氣間隙是8×1.48=11.84mm，定為12mm；其最小爬電距離是12.5mm。5km海拔時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整過后最小爬電距離是12.5×1.48=18.5mm，定為19mm。

對于400V電壓等級系統(tǒng)，依據(jù)污染等級3級和絕緣類型R標(biāo)準(zhǔn)、過電壓等級4kV來設(shè)計(jì)，依據(jù)GB 14048.1—2006[7]得知最小電氣間隙是3mm，再依據(jù)表1數(shù)據(jù)，得出設(shè)計(jì)調(diào)整后5km海拔最小電氣間隙是3×1.48=4.44mm。按絕緣類型R、工作電壓400V和材料等級IIIb，依據(jù)GB 14048.1—2006，得出最小爬電距離是6.3mm，設(shè)計(jì)調(diào)整后得出5km海拔最小爬電距離是6.3×1.48=9.324mm，定為10mm。

1.2 電氣元器件選型

塔基電氣柜及機(jī)艙電氣柜內(nèi)部的電子元件、電氣設(shè)備的容量應(yīng)該隨著海拔高度進(jìn)行降容。例如繼電器、接觸器和斷路器的容量，依據(jù)表2[2]進(jìn)行調(diào)整。

表2 繼電器、接觸器和斷路器的降容標(biāo)準(zhǔn)

1.3 柜內(nèi)主回路采用銅排母線

由于高海拔地區(qū)的電源電壓降低，回路中電流會增大，這對柜內(nèi)的電纜和工藝提出更高的標(biāo)準(zhǔn)，所以應(yīng)盡量將回路改為母線系統(tǒng)，主要原因如下：

1）使用母線后節(jié)約了柜內(nèi)的縱向空間，多出來的空間將用于外部進(jìn)電纜的空間，這將有利于車間整機(jī)裝配、現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)。

2）母線排由3根銅排組成，載流量較大，通過專用的支架進(jìn)行安裝。出線方式：母線系統(tǒng)由相應(yīng)的適配器進(jìn)行連接，將電源從3根銅排上引出來。進(jìn)線方式：通過柜側(cè)斷路器連接母排。

3）在采用母線后，柜內(nèi)將不會出現(xiàn)大電纜，減少工藝難度的同時(shí)，增加了其可靠性，避免了電纜散熱的問題。

4）鑒于電纜直徑變的很大，配電柜內(nèi)的配電電纜線徑也會變的很大。首先線槽很難能容納下這些電纜；另外柜內(nèi)空間電纜排布太過緊湊，將極大地影響電纜的散熱效果，從而直接影響電纜的載流能力。

2 高海拔對電纜選型的影響

本文以青海茫崖風(fēng)電場的電纜選型來分析高海拔對電纜選型的影響。該風(fēng)電場海拔高度為4000m，環(huán)境最高溫度為40℃，采用某公司1.6MW的機(jī)型。

2.1 電纜最大工作電流

發(fā)電機(jī)額定電壓為690V；發(fā)電機(jī)額定功率為1600kW；發(fā)電機(jī)繞組接線方式為星型繞組。

=1.732×cos（1）

所以最大工作電流為

max=1600000/(1.732×690×cos)A=1338A （2）

2.2 電纜設(shè)計(jì)

電壓級別定為1.5kV，基于IGBT脈沖整流的AC-AC變流器設(shè)計(jì)中包含瞬間的d/d，其區(qū)間是1.1～1.4kV。

參考遠(yuǎn)東電纜的電纜選型手冊：FDZ-YEH 1500V-1×300電纜在理想情況的載流量是894A，F(xiàn)D Z-YEH1500V-1×240電纜在理想情況的載流量是784A，所以粗略將電纜截面定為240mm2三根或300mm2三根。

2.3 校驗(yàn)

1）電流校驗(yàn)

表3 電流校驗(yàn)表

校驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

2）修正系數(shù)

在空氣中電纜多根排列分布時(shí)的計(jì)算公式為=t×1，式中t是環(huán)境溫度對比額定30℃時(shí)的校核系數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 環(huán)境溫度載流量校核系數(shù)

不在表4中的其他溫度點(diǎn)依據(jù)公式為

式中，m為電纜纜芯最高工作溫度，為90℃；a為環(huán)境實(shí)際溫度；N為對應(yīng)于額定載流量的基準(zhǔn)環(huán)境溫度，通常為30℃。

1為空氣中成束排列分布電纜的修正系數(shù)，具體取值見表5。

表5 電纜分布修正系數(shù)表

注：“同時(shí)工作系數(shù)”指一束電纜中滿負(fù)荷工作的電纜與總電纜根數(shù)的比值。

由于電纜分布為3層，且為同時(shí)工作，因此修正系數(shù)定為0.55。

3）依據(jù)長期發(fā)熱標(biāo)準(zhǔn)核對

×al≥max（為修正系數(shù)依據(jù)表6選定，al為理想條件下的額定載流量），其中環(huán)境溫度核對系數(shù)和電纜排列分布系數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)選定[8]。

4）經(jīng)濟(jì)電流密度校核、電壓損失校核

因風(fēng)電機(jī)組的電纜長度很短，所以電纜選型不考慮電壓損失因素。對母線長度大于15m、年利用小時(shí)數(shù)多且大容量傳輸?shù)幕芈凡庞媒?jīng)濟(jì)電流密度校核，而風(fēng)電是間歇性、不穩(wěn)定能源，所以本論文也沒做該校核。

最后結(jié)果：每相選定FDZ-YEYH1×300電纜為 3根。

表6 長期發(fā)熱的核對表

注：電纜纜芯工作溫度為90℃，青海茫崖風(fēng)電場地區(qū)環(huán)境溫度為40℃。

3 高海拔環(huán)境對變流器水冷系統(tǒng)的影響

高原環(huán)境下空氣密度會劇烈降低，這導(dǎo)致了變流器水冷系統(tǒng)的散熱效果變差。通過增加水冷散熱風(fēng)機(jī)的功率來加大風(fēng)機(jī)體積風(fēng)量，進(jìn)而保障風(fēng)機(jī)質(zhì)量風(fēng)量不變來改善變流器水冷系統(tǒng)的散熱效果。

水冷系統(tǒng)的外部冷卻器的電動機(jī)功率為

式中，e為外部冷卻器的電動機(jī)功率；0為風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械功率；1為風(fēng)扇的葉片效率，為0.35；2為傳動效率，非皮帶式，取0.99；3為電動機(jī)的效率，為0.88[9]。

風(fēng)筒輸出機(jī)械功率為

0=2×D1×D（5）

式中，2為以風(fēng)機(jī)空氣溫度為標(biāo)準(zhǔn)的溫度修正系數(shù)，對于一般的引風(fēng)式水冷風(fēng)筒2=1.2～1.5，對于一般的鼓風(fēng)式水冷風(fēng)筒2=1.1；本文選擇引風(fēng)式，所以取1.3[10]。

D1為風(fēng)筒的風(fēng)壓，取值為150Pa。D為空氣穿過風(fēng)筒時(shí)的體積風(fēng)量，依據(jù)平原的空氣密度= 1.395kg/m3來計(jì)算風(fēng)機(jī)的體積風(fēng)量，取值為4.8m3/s。

計(jì)算流程為

= (1.3×150×4.8)/(0.35×0.99×0.88)kW=3.07kW （6）

所以，平原型變流器的外冷散熱電動機(jī)功率定為3.07kW。

空氣密度和散熱電動機(jī)的體積風(fēng)量成反比例，依據(jù)4000m高海拔的情況下空氣密度為0.736kg/m3來計(jì)算得到體積風(fēng)量為8.29m3/s。

= (1.3×150×8.29)/(0.35×0.99×0.88)kW=5.3kW （7）

所以，高原型變流器的外冷散熱電動機(jī)功率修正為5.3kW。

4 結(jié)論

高海拔的環(huán)境條件對電氣系統(tǒng)的影響是多方面的，本文重點(diǎn)闡述了影響最大的3個(gè)因素，即低壓電氣系統(tǒng)、電纜、變流器水冷系統(tǒng)，并結(jié)合某公司青海茫崖風(fēng)電項(xiàng)目的工程實(shí)踐給出了高原型風(fēng)電機(jī)組的解決方案。

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The design analysis of the plateau environment to wind turbine generator system

Wang Baichuan

(Panzhihua University, Panzhihua, Sichuan 617000)

The environmental conditions at the plateau environment will affect the performance of the electric system of the wind turbine. Only by finding out the requirement of the specific environmental condition of the plateau environment to the various components of the wind turbine system, the wind turbine would operate stablely. This paper describes various factors of the electrical system in plateau environment, and invents a scientific measures for electrical equipment, cable selection and converter water cooling system.

the plateau environment to wind turbine generator system; electrical system; improve measurements

2018-02-08

王佰川（1985-），男，碩士研究生，工程師，從事風(fēng)電設(shè)計(jì)工作。

攀枝花市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015CY-C-5）

四川省科技廳科研項(xiàng)目（2015JY0250）