風(fēng)電場電氣主接線設(shè)計及優(yōu)化

(沈陽工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110136)

緒論

世界各地的風(fēng)力發(fā)電越來越多,發(fā)展利用風(fēng)力發(fā)電的首端減少，乃至鏟除依賴,都具備十分重要的意義[1]。目前，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正在不斷的完善和進步，近幾年來，單個風(fēng)機的裝機容量每年都在增加的趨勢走。最大值可達到750KW[2]。清潔能源在造電場的時候相對應(yīng)的也會有很多污染的存在。例如，風(fēng)電場選址的過程中，會因為選址而帶來的對植物和生態(tài)環(huán)境的破壞以及架空線路對山谷的影響。其中產(chǎn)生的工業(yè)污染對動植物以及人類造成的傷害都是難以預(yù)計的[3]。早年間的風(fēng)電場，由于技術(shù)不夠成熟，對環(huán)境保護的意識甚小，以及各種裝備不夠成熟，一般的風(fēng)電場占地面積大，但是實際的有效利用面積小，導(dǎo)致的土地資源的浪費，而且我們陸地上的風(fēng)電場主要以山谷居多，這樣就給架空線路留下了不小的隱患，也給施工帶來了很大的難度。而且資金浪費的比較多，因此，設(shè)計一個好的風(fēng)電場選址是極為重要的。

表1 成本投資表

本文設(shè)計的風(fēng)電場由33臺EN87-1500型風(fēng)力發(fā)電機組成。額定功率為1.5MW，風(fēng)功率密度為355.45w/m2。此種風(fēng)機的切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速為11.5m/s，風(fēng)機等級為IECS。電機型式為4極雙饋發(fā)電機，電機輸出電壓為690V，工頻50HZ。設(shè)計風(fēng)電場風(fēng)機出口電壓為0.69kv，風(fēng)場內(nèi)部的電壓為35kv，升到66kv的輸電線，并到國家電網(wǎng)或直接到用戶[4]。

一、設(shè)計風(fēng)電場介紹

河北省張家口市于東經(jīng)113°50′～116°30′，北緯39°30′～42°10′，地形坡度多在5～35°，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。本文設(shè)計的風(fēng)電場采用1.5兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機組[3]。共有33臺風(fēng)機，分三條線路，工期為一期。總裝機容量為49.5兆瓦。集電線路采用35kv的線路，風(fēng)電場集電采用35KV線路。風(fēng)電廠有主變壓器兩座，電能輸出采用66KV架空線路[5]。

二、風(fēng)電場與常規(guī)發(fā)電廠的區(qū)別

1.風(fēng)力渦輪機體積小，一般為1.5 MW或2MW，火力發(fā)電廠的單機容量比風(fēng)力渦輪機的容量大。

2.風(fēng)力發(fā)電機的出口電壓低。一般來說，我們常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機的出口電壓大多為0.69kv。但是如何提升到35kv，這就需要一個變壓器，通常稱為箱式變壓器，由于風(fēng)的不穩(wěn)定性，所以一個風(fēng)力發(fā)電機就要有個變壓器鏈接來直接升壓。但是傳統(tǒng)能源的發(fā)電技術(shù)的成熟，大多火電廠都不需要箱式變壓器來升壓。

3.由于氣候的不穩(wěn)定，風(fēng)具有很強的波動性，導(dǎo)致風(fēng)電場需要無功補償裝置，來對輸出電壓的上下幅值進行補償。

由于風(fēng)力發(fā)電機組的獨立容量低，位于遠程，分布式，所以主接線設(shè)計需要多個風(fēng)扇，采集線連接到35kv電網(wǎng)，火電廠獨立運行能力一般 高達數(shù)百兆瓦，所以不喜歡風(fēng)電場的主要布線設(shè)計需要幾倍的收集線。

傳統(tǒng)的發(fā)電場的出口電壓多為6-25kv，而風(fēng)力發(fā)電機的出口電壓為0.69kv，所以在設(shè)計風(fēng)電場的時候?qū)ψ儔浩鞯囊蟾鼮閲栏瘛６谠O(shè)計傳統(tǒng)電場的時候就沒有風(fēng)電場設(shè)計的限制。

三、主要設(shè)備選型

風(fēng)電廠主要設(shè)備包括主變壓器，箱式變壓器，以及載流導(dǎo)體。

每個電場都有升壓的變壓器，主要作用是經(jīng)過風(fēng)機的出口電壓升高后再升高到輸電線路里，或者并入電網(wǎng)。風(fēng)電場的總?cè)萘繛?6.5MW.所接電網(wǎng)電壓為35kV，輸電線路電壓為66kv。風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電通過箱式變壓器升壓到35kv，再由主變壓器升壓到66kv的輸電線路上。

由于此次設(shè)計的主變壓器容量應(yīng)為50MVA，根據(jù)資料選型，本次采用了SZ11-50000/66的型號。

箱式變壓器主要有兩種，一個歐式變壓器，和美式變壓器。我國更為常用的是歐式變壓器。可以直接向用戶提供電源。本次設(shè)計選用的接進35kv，由風(fēng)機的出口電壓0.69kv。本次設(shè)計的由風(fēng)機出口的0.69kv電壓升到35kv的箱式變壓器的選型

現(xiàn)選擇由遠景集團出產(chǎn)的EN87-1500型1.5MW風(fēng)冷雙饋風(fēng)力發(fā)電機,具體數(shù)據(jù)如表:

表2 風(fēng)力發(fā)電機參數(shù)表

風(fēng)力發(fā)電場大多在偏僻的地區(qū)。本次設(shè)計的風(fēng)電場總裝機容量為49.5MW。一共分3組的33臺風(fēng)力發(fā)電機。單臺裝機容量為1.5MW。一般在1800～2500小時。

風(fēng)電場的位置大多比較分散，風(fēng)向不確定，有著較強的不穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)動機和箱式變壓器的關(guān)系是一機一變單元接線方式，風(fēng)力發(fā)電機的出口電壓為0.69伏，經(jīng)電纜送至配電箱(變壓器)，升壓至35kV接到35kV集電線路上。

設(shè)計33臺風(fēng)力發(fā)電機組，箱式變壓器升壓到35kv，一機一箱式，每條線路帶11臺風(fēng)力機，每個風(fēng)機為1.5MW，系統(tǒng)總裝機容量共為49.5MW。由主變壓器升壓到66kv，送到輸電線路上，在并入電網(wǎng)中，系統(tǒng)等效簡圖如下：

本次設(shè)計在A,B,C,F,預(yù)設(shè)計隔離開關(guān)，由A,B,C,處，可設(shè)計為手車式斷路器，故不需要隔離開關(guān)。斷路器的好壞，直接決定了整個系統(tǒng)是否有著良好的保護和安全功能。所以本文設(shè)計采用計算方法來確定斷路器的型號。

由計算可知E點的電流約為174A，根據(jù)電氣系統(tǒng)簡圖可得，UN=66KV,I=0.175kA。根據(jù)實際情況布置要求尋找最佳型號，初步選型確定為SW2-66/630型戶外高壓少油斷路器,SW2-66/630型戶外高壓少油斷路器的額定技術(shù)數(shù)據(jù)為:UN=66kV,IN=630A,額定開斷電流為Ibr=6.6kA,動穩(wěn)定電流imax=17kA,熱穩(wěn)定電流(及時間)It=6.6kA(4S),固有分閘時間tg=0.06s,燃弧時間t=0.12s。

互感器比率計算公式為k1n/k2n。額定電流互感變壓器變壓比也被標準化。Kn可以近似表示為主要和次級線圈的變壓器匝比，即Kn材料Kn=N1 N2 /型，N1 N2，為一，二圈數(shù)匝數(shù)。

根據(jù)線路圖，可確定UN=66kv，IN=174.96A，根據(jù)網(wǎng)上參考型號，我們初步選型為LCWB5-66型高壓電流互感器。

校驗熱穩(wěn)定:由校對熱穩(wěn)定性公式

(1.1)

其中I∞表示最大短路電流

Tk表示短路電流發(fā)熱等值時間

Kt表示熱穩(wěn)定系數(shù)

(I1NKT)2=(300×50)2=225KA2.S>8.122KA2.S

(1.2)

滿足要求。

校驗動穩(wěn)定:

(1.3)

其中ick表示短路電流沖擊值。

Kd表示動穩(wěn)定系數(shù)

(1.4)

滿足要求。

根據(jù)《電氣工程設(shè)計手冊》上，找到了軟導(dǎo)線的電流經(jīng)濟密度，大多小于220kv的鋁絞線，關(guān)系如表所示：

表3 電纜經(jīng)濟電流密度表

由導(dǎo)線截面計算公式：

S=P/1.732/U/J/COSφ

(3.5)

式中:S——導(dǎo)線截面積，mm2；

P——輸送功率，kW；

U——線路額定電壓，kV；

J——經(jīng)濟電流密度，按上表取值，A/ mm2；

COSФ-0.90～0.95

35kv的線路導(dǎo)線橫截面積為：

S=495000/1.732/35000/1.85/0.93≈4.75mm2

選擇66kv的線路導(dǎo)線橫截面積為：

S=495000/1.732/66000/1.85/0.93≈0.251mm2

故架空線選擇導(dǎo)線為35kV LGJX150/20型。

表4 設(shè)備匯總選型表

四、設(shè)計優(yōu)化

在本次設(shè)計中在35kv側(cè)加入接地變，接地變的主要作用為地面提供相對低阻抗的路徑，從而將系統(tǒng)中性保持在或接近地電位。限制重新起動接地故障時瞬態(tài)過電壓的大小。

(一)接地變選擇

系統(tǒng)額定電壓：UN=35kV

系統(tǒng)額定相電壓：UФ=20.2kV

接地變的10秒短時運行容量

S10=3×UN×I10/3=3×20.2×600=36360KVA

將10秒短時運行容量折算為連續(xù)運行時的額定容量

SN=S10/10.5=49500/10.5=4714.28Kva取5000kVA

(二)容量選擇

該方法是基于變壓器過載比的選擇，考慮了變壓器的可靠系數(shù)，所以不需要重復(fù)考慮安全系數(shù)，選擇5000 kva接地變壓器的額定容量是安全可靠的操作。因此，接地變型號S11-5000KVA/35KV其具體參數(shù)如下：

表5 接地變壓器型號

五、結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電廠的電器接線設(shè)計的原則方案應(yīng)該考慮很多方面，在一些環(huán)境比較特殊的風(fēng)電場中,特別是在沿海地區(qū),環(huán)境條件嚴酷,這時候架空線路的優(yōu)點就顯然沒有埋地電纜好,但在視圖的地形設(shè)計和經(jīng)濟考慮得方面,架空線將成為首選方案。

在風(fēng)電場的各種組合中，鏈條結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)成本最低，但沒有損失，考慮到風(fēng)電場的大小，它對電網(wǎng)的影響較小。如果沒有電源損耗或電壓偏差，應(yīng)該選擇更便宜的鏈結(jié)構(gòu)選項。

在文章的最后，提出了可能存在優(yōu)化的地方，就是在風(fēng)電場中加入接地變，優(yōu)化方案基于風(fēng)力發(fā)電的特點在不減小經(jīng)濟性能，再對以前的方案進行優(yōu)化和改進。