风电场培训讲座D

大家好欢迎大家第一页，共四十六页。风能的开发风能的利用第二页，共四十六页。风能的利用早在数千年前人们已经懂得利用风力推动船只在水面上航行。19世纪末期丹麦的气象学家保罗·库尔制造了第一步风力发电机，风能技术向发电方向发展。第三页，共四十六页。风能的分布据检测，世界风能总资源量高达1300亿千瓦。中国陆地十米层的风能资源总储量为32.26亿KW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿KW。近海风能资源约为陆地的3倍。中国大陆风能储备最丰富的地区青海：1143万千瓦甘肃：2421万千瓦新疆：3433万千瓦内蒙：6178万千瓦第四页，共四十六页。历史使命可见，风能的存储量是相当大的，我们所利用的仅仅是其中的一小部分，目前风能具有相当大的开发空间。人类在面临资源紧缺的严峻形势下，风能无疑是解决能源危机非常好出路，而且清洁无污染、可再生。所以对风能的开发和研究，是解决人类能源危机的伟大而又光荣的行为。也是人类走到今天的历史使命。第五页，共四十六页。风力发电一次系统第六页，共四十六页。风力发电概述风是最常见的自然现象之一，风能资源的储量非常巨大，一年之中风能产生的能量大约相当于20世纪90年代初全世界每年所消耗的燃料的3000多倍。风电技术是可再生能源技术中最成熟的一种能源技术，对于应对那些与传统能源有关的迫在眉睫的环境和社会影响，风电是一个切实可行、立竿见影的解决方案。风力发电由于环保清洁、无废弃物排放、施工周期短、利用历史悠久，受到了各国的广泛重视和大力推广。第七页，共四十六页。风力发电就是利用风力机获取风能并转化为机械能，再利用发电机将风力机输出的机械能转化为电能输出的生产过程。风力机有很多种类型，用于风力发电的发电机也呈现出多样性，但是其基本能量转换过程都是一样的，如下图所示，用于实现该能量转换过程的成套设备称为风力发电机组。风能风力机及其控制系统机械能发电机及其控制系统电能第八页，共四十六页。单台发电机组的发电能力是有限的，目前在内陆地区应用的主流“大型”机组的额定功率不过1.5MW，海上风电机组的平均单机容量在3MW左右，最大已达6MW，这与火电站上百MW发电机组相比是非常小的，所以大规模的风力发电是在风电场中实现的。风力发电机组输出的电能经由特定电力线路送给用户或接入电网。风力发电机组与电力用户或电网的联系是通过风电场中的电气部分得以实现的。下面分别对他们进行介绍：第九页，共四十六页。风电场风电场是在一定地域范围内，由同一单位经营管理的所有风力发电机组及配套的输变电设备、建筑设施、运行维护人员等共同组成的集合体。选择风力资源良好的场地，根据地形条件和主风向将多台风力发电机组按照一定的规则排成陈列，组成风力发电机群，并对电能进行收集管理，统一送入电网，是建设风电场的基本思想。应根据风能玫瑰图确定风电场的主导方向，在平坦、开阔的场址，要求主导向上机组间相隔5~9第十页，共四十六页。倍风轮直径，在垂直于主导风向上要求机组间相隔3~5倍风轮直径。按照这个规则，风电机组可以单排或多排布置。多排布置时应成梅花形。按照规模，风电场大致可以分为：小型、中型和大型（特大型）风电场，最大规模的风电场可上百万千瓦级。如下表所示。风能资源场地说明小型较好较小可建几兆瓦容量的风电场，接入35~66KV及以下电压等级的电网中型较好合适可建几十兆瓦容量以下风电场，接入110KV及以下电网大型（特大型）丰富开阔可建容量在100~600MW或更大的风电场，例如我国的特许权风电项目第十一页，共四十六页。风电场电气部分

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第十三页，共四十六页。用电不用多说，发出的电就是供用户使用的，从而使人们的生活更加的便捷更加舒适。然而，不同的用户用电负荷不一样，电压等级也是不一样的，所以需要专门的配电环节，主要是配电变压器，根据用户的不同需要，为用户提供不同的电能。除此外还有为保证人员和设备安全运行的接地部分、防止过电压过电流的设备，如避雷器和串联电抗器等。此为一般情况下的一次系统，而风电场的一次系统除了场用电需要小规模的配电与用电以外，主要以发电和升压为主。第十四页，共四十六页。风电场的特殊性决定了风电系统的特殊性风电场与常规发电厂相比，有它的独特性，这就决定了风电场必须要有独特的设备和系统来与之匹配。风力发电机组的单机容量小，目前内陆风电场使用的大型主流风力发电机组多为1.5MW；海上风电场的风电机组单机容量稍大一些，最大已达6MW，平均为3MW左右。而一般火电厂等常规发电厂站中，发电机容量往往是几百MW，甚至上千MW。电能生产方式分散，发电机组数目多。火电厂等常规发电厂站，要实现百万千瓦级的功率输出，往往只需少数几台第十五页，共四十六页。发电机组即可实现，因而生产比较集中。而对于风电场由于风力发电机组单机面积小，要达到大规模的发电，往往需要很多台风电机组。例如，按目前主流机型的额定功率计算，建设一个50MW的内陆风电场，需要33台风电机组。这就需要风电场有专门的系统把电能收集起来统一处理，就是集电环节。按不同的分组把电能收集起来，在把各组的电能汇集到一起统一升压。风力机组输出的电压等级低。火电厂等常规发电厂站中的机组输出电压往往在6~20KV电压等级，只需一到两级变压器即可送入220KV及以上的电网。而风电机组输出电压低的多。风第十六页，共四十六页。电机组的输出电压一般为690V或400V，需变换致更高的电压等级，这就需要比常规的火电厂或水电厂多一套升压设备，即集电变压器。在每个机组的出口处都装设一台小容量的变压器，将电压升高至35KV或10KV，再接入系统。风电场输出电压的波动性。对于火电厂、水电厂等常规发电厂站可以通过轮机的阀门控制，以及必要的励磁调节，可以比较准确的控制发电机的输出功率。而在风电场中风速的波动性会造成风力发电机组输出电压的频率、幅值的波动。第十七页，共四十六页。对此情况，为使风电机组定子绕组输出电压的频率波动不致影响电网的频率，往往采用电力电子换流设备作为风电机组并网的接口。这就有可能给风电场和电力系统带来谐波等电能质量问题，需要滤波设备。风电场还使用了除常规电厂用的同步发电机以外的多种发电机，如异步发电机、双馈感应电机等，造成风场发电机组的多样化。那些基于异步发电原理的机组还会从电网吸收无功功率，这就需要无功补偿设备来弥补，以提高功率因数和稳定性。第十八页，共四十六页。风电场一次系统风电场一次系统包括可以分为四个主要部分：风电机组、集电环节、升压变电站及场用电系统。注意：这里所说的风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括电力电子换流器和对应的机组升压变压器。集电系统将风电机组生产的电能按组收集起来。分组采用位置就近原则，每组包含的风电机组数目大体相同。升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再次升高。第十九页，共四十六页。风电场发出的电能并不是全部送入电网，有一部分在风电场内部就用掉了。风电场的场用电包括维持风电场正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场运行维护人员在风电场内生活用电，所以，场用电必须包含400V电源。第二十页，共四十六页。1.风机叶轮2.传动装置3.发电机4.变流器5.机组升压变电站6.升压站低压配电7.升压变压器8升压站高压配电9.架空线风电场一次系统的基本构成：第二十一页，共四十六页。风电场一次主接线图风电机组的电气接线，这里所说的风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括电力电子换流器和对应的机组升压变压器。目前风电场的主流风力发电机本身输出的电压为690V，经过机组升压变压器将电压升高到10KV或35KV。一般可把电力电子换流器和风力机看做一个整体，这样风电机组的接线大都采用单元接线，机组的升压变压器也称集电变压器，一般采用一台风电机组配备一台变压器，即一机一变。如右图所示：第二十二页，共四十六页。集电系统的主接线，集电系统将风电机组生产的电能安祖收集起来。分别采用位置就近原则，每组包含的风电机组数目大体相同，多为3~8台。每一组的多台机组输出一般可由电缆线路直接并联，汇集为一条10KV或35KV架空线输送到升压变电站。就接线方式而言，风电场集电环节的接线多为单母线分段。每段母线的进线是各组风机组的并联输出，即一组集群并联输出提供一条进线，每段母线的出线是一条通向升压变电站的输电线路。如右图所示：第二十三页，共四十六页。升压变电站的主接线，升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再次升高。达到一定规模的风电场一般可将电压升高到110KV或220KV接入电力系统。对于规模更大的风电场，例如百万千瓦级的特大型风电场，还可能需要进一步升高到500KV或更高。就接线方式而言，风电场升压变电站的主接线多采用单母线分段接线，这取决于风电机组的分组数目。如右图所示：第二十四页，共四十六页。第二十五页，共四十六页。主要一次设备风电场主要一次设备包括风力发电机、变压器、开关设备、载流导体、电抗器和电容器、互感器等。风电场通过一次设备之间的相互连接，组成风电场电气部分的一次系统，把风场产生的电能送入电网。一次系统的运行离不开二次系统的监控和保护，一二此系统的相互配合，共同组成风电场的电气系统。第二十六页，共四十六页。风力发电机风力发电机的内部结构与其他发电机基本相同，由定子和转子组成。定子固定在基座上，绕有定子绕组，定子绕组与外电网连接，输送电能。转子为转动的转轴，饶有转子绕组，通过机械力推动转子的转动，使得定子产生感应电势，向电网输出电能。不同类型的发电机，转子的结构不同，发电原理也不同。第二十七页，共四十六页。大型风力发电机的主流机型有四种：笼型异步风力发电机、永磁同步直驱式风力发电机、交流励磁双馈式感应风力发电机和无刷双馈式风力发电机。笼型异步发电机：励磁电流由定子提供，从电网吸收无功功率频率不随转子转速的的变化而变化电压幅值不稳定，需要通过换流器并网永磁同步直驱式风力发电机：无需励磁结构风力机直接驱动转子，无需加速机构转速低，磁极数多电压的幅值和频率均随转子转速变化而变化，需通过换流器并网第二十八页，共四十六页。交流励磁双馈式感应风力发电机：定子绕组和转子绕组都与电网连接，可以同时向电网输送功率结构与绕线式异步发电机类似定子绕组与电网直接连接转子绕组通过换流器与电网连接，用于控制旋转磁场的转速，在超同步运行时，转子向电网输送功率，次同步运行时，转子从电网吸收功率，同步运行时，相当于同步发电机运行可以向电网输出无功功率无刷双馈式风力发电机：定子有两套极数不同的绕组，一套成为功率绕组，直接连电网另一套为控制绕组，通过换流器与电网相连转子为笼形或绕线式结构，无需电刷和滑环定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组第二十九页，共四十六页。风电场用变压器风电场中常采用二级或三级升压的结构。变压器分为集电变压器、升压变压器和场用变压器。

在风电机组出口装设满足其容量输送的变压器将690V电压提升至10KV或35KV，成为集电变压器，归属于风电机组。升压变电站中的升压变压器，将集电环节汇集的电能经过再次升压到110KV或220KV，输送给电力系统，成为主变压器。若对也特大型的风电场，需将电压再次升高到500KV，在送入电网，也就是三级升压的结构。一般与电网有紧密联系的风电场主变压器的台数不少于两台，而且其中最大容量的变压器故障时，其余变压器在允许的正常过负荷范围内应能输送母线最大剩余功率。风电场和变电所内，各种监控保护以及人员的生活也需要用电，为满足需求，还设有场用变压器和所用变压器。第三十页，共四十六页。开关设备在电力系统生产运行中，电气设备的相互联系及生产方式的转换，由开关电器的分合来实现。开关电器的分合实现了电路的选择接通和断开。开关电器的本质是通过改变其自身“导体”↔“绝缘体”的转换来分合电路。常用的开关电器有断路器、隔离开关、熔断器和负荷开关。它们的功能各不相同。由于承载的电压高、通过的电流大，高压开关电器体型较大，其分合操作要依靠专门的操作机构来实现，同时在分合电路中还必须考虑其间电弧的影响。第三十一页，共四十六页。关于电弧：开关电器开断电流时，只要电路中的电流达到几百毫安，电压有几十伏，开关的触头间就会出现电弧。电弧是导电体，只有电弧熄灭，才能实现电路的真正断开。电弧是一种气体放电现象，是一种等离子体状态，即带正电荷和负电荷的粒子数量相等的离子集团状态。开关分合过程中所产生的电弧，对于开关电器以及整个系统的安全运行都具有重要影响，主要因为：电弧是强功率放电，在开断几十千安的短路电流时，以焦耳热形式发出的功率达到10000KW，电弧具有上万摄氏度或更高温度及辐射，在开关中，电弧的燃烧时间仅仅比正常情况多10~20ms，开关就会出现严重烧损甚至爆炸。如果用隔离开关拉合带负荷的电流（属于误操作），电弧回事操作者大面积烧伤。电弧是一种自持放电，很低的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧。如在空气中，每厘米电弧的维持电压只有15V左右；在100KV电压下开断仅5A电流时，电弧的长度可达7m；电流更大时，可达30m。因此单纯靠拉长电弧无法有效将电弧熄灭。电弧是等离子体，质量很轻，极容易变形。电弧区内的气体的流动，可能是自然对流，也可能是外界甚至电弧电流本身产生的磁场使电弧受力，改变形状，有时候运动速度可达每秒几百米。第三十二页，共四十六页。断路器：断路器是电力系统不可缺少的主要控制、保护设备，是电力系统中最重要的开关电器，其作用为切断电路。为了可以熄灭电路分合时所产生的电弧，断路器都装设有灭弧装置，因而可以用来实现电路的最终分和。用于实现导体连接、分断的触头在灭弧装置中，由可以快速拉动触头运动的操作机构分合。常用的断路器有：油断路器，真空断路器和SF6

断路器。其实质就是利用不同的绝缘物质来灭弧。第三十三页，共四十六页。隔离开关：隔离开关在电力生产中常被称为刀闸，是最常见的高压开关。它与断路器最根本的区别在于，它没有专门的灭弧装置，结构简单，因而不能用来分合大电流电路。由于它可以再电路中形成明显的断开点，因此常在高压电气设备中用作保证工作安全的检修电器。其主要用途是保证电压在1000V以上的高压装置的检修中作的安全，与断路器配合使用。检修时，断路器先断开，安装在断路器与电气设备之间的隔离开关再断开，在电气设备和断路器之间形成明显的断开点，保证检修的安全。此外，第三十四页，共四十六页。隔离开关常用来进行电力系统运行方式改变时的倒闸操作。如发电厂或变电站中常见的倒母操作和旁带操作。隔离开关还可接通和切断某些小电流电路，例如下面情况：电压互感器和避雷器电路空载母线励磁电流不超过2A的空载变压器电容电流不超过5A的空载线路为了检修接地的便利，隔离开关常常装设接地刀片第三十五页，共四十六页。熔断器：熔断器是最早的保护电气，串接与电路中，以熔点较低的材料作为熔断器的熔体，熔体装设于熔管中，当电路中流有故障电流时，由于熔体熔点较低，熔体熔化断开电路，实现故障时对电路的保护功能。负荷开关和接触器：负荷开关就是在隔离开关的基础上加装了比较简单的灭弧装置，一般可以开断负荷电流和过载电流，不能开断短路电流，也可以为线路提供明显的断开点。不适合频繁操作。接触器一般用于控制回路，也可以用于主回路，在一定条件下可以代替负荷开关，可以频繁操作。第三十六页，共四十六页。各种开关设备的功能比较：各种开关设备功能各部相同，断路器是最为重要的开关电器，装设了专门的灭弧装置，灭弧能力最强，可以通断负荷电流和短路电流，一般与隔离开关配合使用。隔离开关不能通断电流，只为线路提供明显的分割点。负荷开关的断流能力与接触器差不多，通断负荷电流和过载电流，不能通断短路电流，一般与熔断器配合使用，由熔断器的熔体熔化而断开短路电流。接触器可以频繁操作，用于控制回路多一点，例如控制电机的启停；负荷开关不适宜频繁操作，用于不经常通断的主回路。第三十七页，共四十六页。载流导体电力系统中的各个电气设备都有载流导体互相连接，组建成电路。从材料的角度讲，有铜、铝、铝合金或钢材等材料制成。多数为铝或铝合金制成。从性质的角度讲，导体有硬导体和软导体之分，其中硬导体又有矩形、槽形和管形之分。从功能上讲，可分为母线、连接导线、架空线和电缆。其中母线主要用于汇集、分配和传送电能，又称第三十八页，共四十六页。汇流母线。由于母线在运行中，有巨大的电能通过，短路时承受着很大的发热和点动力效应，因此，必须合理选择母线的材料、截面形状和面积以符合安全经济运行的要求。架空线一般为裸导线，造价低廉，但占用通道面积大，为目前主要线路型式。电缆通常是由几根或几组导线绞合而成的类似绳索的，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层。第三十九页，共四十六页。电抗器电容器电抗器其实就是个电感线圈，在系统中的中作用主要体现在以下两个方面：限流电抗器，用于限制系统的短路电流，通常装在出线端和母线间，使得在短路故障时，故障电流不致过大，并使母线电压维持在一定水平。分为普通电抗器和分裂电抗器。补偿电抗器，用于补偿系统的电容电流，在330KV及以上的超高压输电系统中应用，补偿输电线路的电容电流，防止线路末端电压的升高，并使系统内部过电压有所降低。第四十页，共四十六页。电容器：电容器分为并联电容器和耦合电容器，其中并联电容器是一种无功补偿设备，补偿系统传输中的无功消耗，提高功率因数，从而提高线路的传输效率。耦合电容器，这种电容器对50HZ的工频所呈现的阻抗，要比对高频所呈现的阻抗值大600~1000倍，基本上相当于开路；而对于高频信号，则相当于短路。所以耦合电容器可作为载波高频信号的通路，并可隔开工频高压电流。第四十一页，共四十六页。互感器在风电场和电力系统的运行过程中，需要监视器运行状态。对电气一次系统状