某49.5MW风电场电气主接线及二次系统设计

I某49.5MW风电场电气主接线及二次系统设计摘要长期以来，我国气候问题的根源是以化石能源为主的能源发展方式，但随着国际能源产业的发展以及我国提出的“双碳”目标，世界能源格局将发生巨大改变。其中，风能作为一种储量丰富、成本低廉且发展潜力巨大的清洁能源，对新能源的发展发挥着不可替代的作用。因此，着眼于风电场的规划建设并制定相应的电气系统设计方案具有强大的现实意义。本文主要根据国内外风能发电状况分析风能发电的发展背景和重要性,并介绍了对风电场及其所在区域的外部要求。首先,通过比较各种风力发电机的技术参数，并针对风电场的实际情况选用了最优风力发电机组。然后,根据风电场的基本设计准则与要求制定方案,并选定主变台数。接着，对电气一次系统进行总体设计工作,该部分也是本文的核心,通过绘制主接线图并完成短接计算,再进行主要电气设备的选型,最后完成电气设备在总平面的布局。再次,对电气二次系统进行总体设计，重点针对风电场和升压站的监控系统以及继电保护设备开展研究。最终完成该49.5MW风电场电气主接线及二次系统设计。关键词风电场；电气设计；电气一次系统；电气二次系统目录TOC\o"1-3"\h\u139921.前言 323711.1风力发电的背景及意义 3140301.2国内外风力发电研究现状 4151741.2.1国外风力发电研究现状 4202311.2.2国内风力发电研究现状 558801.3本文主要研究内容 8167652.风机选型及安装方案 8222892.1引言 8169852.2风电场地貌及风能资源情况 8312712.2.1风电场地形地貌 9114552.2.2风能资源 10292192.3风机选型及技术特点 1022722.3.1风机选型指标 10216592.3.2风机选型比较 11131832.4风机安装方案 12150462.5小结 13149893.风电场设计方案 13138443.1引言 13245323.2风电场设计现状、范围及原则 1399283.2.1风电场设计现状 13311723.2.2风电场设计范围 13276383.2.3风电场设计原则 14276163.3主变台数的选择 14247863.4小结 15315834.电气一次系统设计 15310394.1引言 15107444.2电气主接线 1581814.3一次系统短路电流计算 19204694.3.1短路电流的计算目的 19191314.3.2短路电流的计算要求 20143404.3.3短路计算的过程 2075584.4主要电气设备选择 21210844.5电气总平面布置及配电装置布置 23316114.5.1220kV配电装置 235534.5.235kV配电装置 2374684.5.3配电装置 24244284.5.435kV无功补偿装置 24157474.5.5380/220V场用配电装置 24226944.5.6风机塔箱式变压器 24151594.5.7电缆设施 24151104.6防雷接地及绝缘配合 24150434.6.1防雷保护 2474204.6.2接地保护 25300034.7站用电及照明通信 25180054.7.1站用电源 255854.7.2全站照明 25190264.7.3全站通信 2583814.8小结 26274765.电气二次系统设计 26219405.1引言 26238315.2二次接线 27175585.2.1二次接线设计规则 27249775.2.2信号 27273725.2.3测量 27240415.2.4电量 2720385.2.5“五防”系统 27123365.3计算机监控系统 28302245.3.1风电场监控系统 2850465.3.2升压站监控系统 28112995.4风电场继电保护装置 2944025.4.1主变电站保护 2940165.4.235kV母线保护 2984815.5小结 29174736.结论 306648参考文献 3119261致谢 32前言风力发电的背景及意义伴随科学技术的发展和人类社会的进步，工业革命爆发，大量消耗了煤、石油和天然气等非可再生能源，导致氟利昂、一氧化碳和二氧化碳等排放量极大增加。然而，化石燃料的储藏与使用并不是无穷无尽的，因此，人类开始探索对可再生能源的开发与利用。尤其是在1970年爆发的丹麦石油危机中，能源危机问题进一步引发了人类的思考，寻找替代有限的化石能源的新能源也成为了人类刻不容缓的任务ADDINCNKISM.Ref.{9BDAAB1226424ec59C9176EDC8F77ADA}[1]。进入二十一世纪后，世界的能源结构发生了天翻地覆的变化，高质量发展的数字化、经济化、智能化时代也接踵而至，传统化石能源的发电形式已不再成为主流，利用现有的创新设计方法和技术实现可再生能源发电势不可挡ADDINCNKISM.Ref.{CAF5735937DC4e9aA56655578FB1BAB0}[2]。习近平总书记在第七十五届联合国大会上郑重宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年前，实现碳中和。”为实现“双碳”目标，我国将深化能源供给侧结构性改革，形成多轮驱动的能源生产体系。目前，加快发展可再生能源已成为世界各国促进能源转换和应对全球气候变化的共同课题。其中，风能作为分布最广泛的一种可再生能源，在风力发电时相较于其他发电技术，其优越性在于：首先，风能是一种清洁能源，在能量转换中既不消耗化石资源，也不污染环境，对减缓全球气候变暖的现象和促进节能减排具有现实意义；其次，风电场的占地面积小，建设周期短，且装设规模灵活，开发效率高，能有效解决电力供需不充分不平衡等问题；同时，风力发电的市场前景好，因成本逐年下降而其经济性大幅度提升ADDINCNKISM.Ref.{9AC27698E7B74dbc9B584A0A4009878E}[3]。但是，由于风力发电本身具有随机性，难以控制，且我国的风能主要分布在东北、华北和西北等经济欠发达地区，具有电网电压不稳定和电力线路损耗较大等缺点，故实现风电并网传输电能是实现风能有效利用的唯一途径。为了应对风力发电的缺陷，提高风电场运行的稳定性，本文将基于风电场的选址与风力发电机的选型、接地点方式的选择和主要电气设备的选择对风电场进行优化设计，使风能资源的利用率得以提升，提高风电场的可靠性，从而保证电力系统的安全运行。国内外风力发电研究现状国外风力发电研究现状风能在自然界中储量丰富，但由于多受地理位置的影响，故主要集中在沿海区域且风速普遍较高（8~9m/s以上），少数分布在内陆。全球风能资源较为丰富的地区主要集中在以下几个区域：全球各大陆沿海地区、整个欧洲大陆、东亚、中亚以及西亚阿拉伯半岛地区、澳大利亚及新西兰岛屿、北美特别是美国大陆、南美的南部、中美的加勒比海地区、北非沙哈拉沙漠地区以及南非ADDINCNKISM.Ref.{4819971502F7474c8D9C628BA27C8E3F}[4]。全球风能资源分布表如表1-1所示。表1-1全球风能资源分布表地区陆地面积高风力（3~7级）所占的面积（km2高风力（3~7级）所占的面积比例（%）北美19339787641拉丁美洲和加勒欧4742196842东欧和独联体23049678329中东和北非8142256632撒哈拉以南非洲7255220930太平洋地区21354418820中亚和南亚42992436中国9597105611总计1066602914327近年来，伴随着电力电子技术和自动控制理论等学科的迅速发展，风力发电技术得到了广泛应用。在2003年，美国最先在旧电力系统设施的基础上对其信息技术进行加工改造，开展智能电网的相关学习与研究，此后于2008年提出智能电网的建设任务与路线。而欧洲也在2006年确立了智能电网的发展方向并对电力系统的基础架构实行升级改造ADDINCNKISM.Ref.{3E0E6862D7B244568F2078DBB1357B51}[5]。至此，世界各国的电力行业逐渐被带动并快速发展。由全球风能协会（GWEC）统计数据可知，截止2015年，国外风电装机容量已超过传统化石能源发电装机容量，大约为43,200万千瓦。自2009年来，国外风力发电机组的新增装机容量变化趋势较为稳定。但在2019年时，国外风力发电机组的累计装机容量已突破60,000万千瓦ADDINCNKISM.Ref.{A1D4125E0D5A4b26B580E815E491D3B3}[6]。2009~2019年国外风力发电装机容量对比如图1-1所示。图1-12009~2019年国外风力发电装机容量对比由于可持续发展的观念在全球得到普遍传播与认可，世界各国更加注重风力发电的现实意义，风力发电产业也得到强烈支持。因此，风力发电的成本在很大程度上得以减少，许多国家在电价上能保持风电与其他化石能源发电的一致，强烈促进了可持续发展的大循环，实现经济性的满足。与此同时，国外也已开发出自主设计风电场的应用软件，但还需要进一步优化与升级。国内风力发电研究现状我国风力发电的起步与发展时间与国外相比较晚。在2009年的“特高压技术国际会议上”，国家电网首次提出名为“坚强智能电网”的三阶段发展规划。在2015年，我国更是颁发了《中华人民共和国可再生能源法》建立较为完备的法律法规体系。此后，通过更加完善的智能电网管理标准和更加合理的运行控制方案，结合我国的实际用电供需情况，我国智能电网取得了良好的成效，其中风电产业也得到了巨大发展。由GWEC统计数据可知，自2016年来，我国风力发电机组的新增装机容量呈现较为稳定的变化趋势。与此同时，从2009年至2019年，我国风力发电机组的累计装机容量从1,200万千瓦增加至23,400万千瓦，增长速度十分迅速，预测近几年其数值还会创新高ADDINCNKISM.Ref.{1D9297D4BDD34b97B6417ED382DC684B}[6]。2009~2019年国内风力发电装机容量对比如图1-2所示。图1-22009~2019年国外风力发电装机容量对比据国家能源局发布的《2021年全球电力工业统计数据》显示，我国风电新增装机4,757万千瓦，全国风力发电机组的累计装机容量为33,000万千瓦，同比增长16.6%；平均利用率96.9%，较去年同期增加0.4%。在“十四五”的开局之年，在“双碳时代”的启动之年，我国作为风力发电的倡导者，讲述了一个更为广大的、关于减排兑现承诺的绿色发展故事。我国幅员辽阔，风能丰富，特别是在一些地理位置偏僻、地形地貌相对复杂和供电相对短缺的地区，非常适合大力发展风电。由中国气象部门的评估数据可知，中国最大的风能资源区主要集中在东南沿海及其附近岛屿，而内蒙古和甘肃北部是最大的风能资源毗连区域ADDINCNKISM.Ref.{3EDF0C2F27C149238CFA17296F14BCE5}[7]。截止2021年底，全国十大风电装机省份分别是：内蒙古、河北、新疆、江苏、山西、山东、河南、甘肃、宁夏和广东。全国风电装机分布图和2021年全国十大风电装机省份排行分别如图1-3和图1-4所示。图1-3全国风电装机分布图图1-42021年全国十大风电装机省份排行由此可见，我国的风力发电产业化水平进步飞速，风电场设计规模逐渐壮大，相关从业技术人员水平不断提升，未来风能必然成为全球的第三大能源，风能的优势决定其未来的发展。但不可忽视的是，我国的风电场设计仍然存在着程序化，缺乏特殊性等不足之处ADDINCNKISM.Ref.{9E9C45CD0B4D4476AD8259908BB8C16A}[8]，故在风能的充分利用上还具有一定的挑战性。本文主要研究内容本文针对某地区的地形地貌和风能质量进行勘测评估后，利用场区特征确立规划区域，选择适合的风力发电机组，制定恰当的安装方案，最终与电网相连。在风电场的基本格局大致确定的基础上，进行电气一次系统设计和电气二次系统设计，主要内容包括通过短路电流的计算选择主要电气设备、规划电力线路布局、防雷与照明设计、监控配置和继电保护等，完成该风电场的设计与优化。风机选型及安装方案引言风电场的选址是循序渐进的过程。确定完大致的宏观选址后，再缩小为一个前提范围，根据风电场所处地区的地形地貌，结合风能资源的特征分析，进行风力发电机选型和制定安装方案。最终在确保机组安全运行的基础上，以风电场现实效益最佳为目的，完成风电场的设计。风电场地貌及风能资源情况对风电场所处地区进行地形地貌和风能资源的勘测，在风力发电机的选型以及布置上具有现实意义。若风电场的选址不合理、不科学，即使使用性能优异的机组也会降低风电场的效能，甚至由于湍流等因素导致风力发电机运行时发生倒塌、飞车等事故ADDINCNKISM.Ref.{1A37ADF2C2B84646AA6043E468A20306}[9]。因此，风电场选址显得格外重要。2.2.1风电场地形地貌该风电场处于松辽平原腹地，属于温带大陆性气候，为丘陵台地地貌，起伏较小，坡度不高，地面崎岖不平。由我国建标库《中国地震动参数区划图GB18306-2015》可知，该风电场所处地区的基本地震动峰值加速度为0.05g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.35s，符合本次工程地质建设标准。在此基础上，考虑其地下水深度和土壤腐蚀度等外部因素，得出该地区的工程地质稳定性高的结论，初步确定施工方案的可行性。中国地震动峰值加速度区划图和中国地震动加速度反应谱特征周期区划图分别如图2-1和2-2所示。图2-1中国地震动峰值加速度区划图图2-2中国地震动加速度反应谱特征周期区划图2.2.2风能资源参照风电场及其周围70m的风功率密度分布示意图，结合当地有关气象数据，风电场所在地区高50~70m处的风向大多为西南-西-西北风，年平均风速为6.63~6.85m/s，年平均功率密度为331.5~367。由以上风能数据可知，该风电场所处地区最大风向频率与最多风能的频率方向大致相同，在布置风力发电机上具有很大优势。在本次设计中，确定风力发电机的布置区域海拔在150~270m之间，占地面积为20。风电场及其周围70m的风功率密度分布示意图如图2-3所示。图2-3风电场及其周围70m的风功率密度分布示意图风机选型及技术特点2.3.1风机选型指标在确定风力发电机型号时，有以下几项指标需要考量分析：结合上述风电场地形地貌，为了实现更好地利用风能资源的目的，该风电场应安装应用IEC61400-1型号风力发电机中基本等级参数为ⅢC类高于ⅢC类的机组。由国家气象科学数据中心所提供的风电场历史气温数据可知，该风电场所处地区最高温度高达37.8℃，最低温度仅仅只有-37.2℃。因此，将同时能够承受高温与低温的风力发电机组应用到该风电场较为合理。所选机型具有较高性价比，并且具备相应的售后保障服务，确保机组的运行可靠性和故障后的修复快速性。在现有的装机容量为1.5MW风力发电机产品中，满足上述指标的有以下三种型号：WTG1、WTG2和WTG3。2.3.2风机选型比较2.3.1中选出的三种风力发电机在目前较为流行，并且运用了相对成熟的技术，主要是变速恒频技术、变桨控制技术和最大功率跟踪技术。预选风电机组主要技术参数表如表2-1所示。由表可知，WTG1、WTG2和WTG3所用的发电机都是双馈异步发电机，具有控制和产生无功功率，代替电网励磁而从转子电路中励磁等优点；在功率调节上采用先进的控制方式，实现桨叶的节距角的变化和变速恒频技术ADDINCNKISM.Ref.{1CFFF7112D41447c97A8689C46AB6842}[10]。关于变速恒频技术的实现有两种方式：当风速小于额定风速时，控制机组通过最大功率跟踪技术输出最大功率，实现风能资源的最大利用；当风速大于额定风速时，通过桨叶的节距角调节，实现气流改变桨叶的攻角，达到控制风轮捕获的气动功率和气动转矩，降低风力发电机的转速，并扩大风速的利用范围的效果。表2-1预选风电机组主要技术参数表技术参数机型WTG1-1500WTG2-1500WTG3-1500结构形式上风向三叶片上风向三叶片上风向三叶片额定功率/kW150015001500叶轮直径/m82.982.782单位千瓦扫风面积/m3.5993.5863.583额定风速/m/s10.510.510.3切入风速/m/s333切出风速/m/s202020轮毂高度/m7065/8070功率调节变桨变速变桨变速变桨变速发电机双馈异步发电机双馈异步发电机双馈异步发电机出口电压/V690690690气动刹车三叶片顺桨三叶片顺桨三叶片顺桨生存风速59.559.559.5IEC等级IIIAIIIAIIIAWTG1、WTG2和WTG3的功率曲线图如图2-4所示。由图可知，三种风力发电机的功率曲线大致重合，但在细微之处上，WTG1的功率最高，其次是WTG3，再者是WTG2。图2-4WTG1、WTG2和WTG3的功率曲线图在此基础上，进行风力发电机的选型时仍需考虑其年上网电量的差异。WTG1、WTG2和WTG3的年上网电量表如表2-2所示。表2-2WTG1、WTG2和WTG3的年上网电量表机型WTG1-1500WTG2-1500/65WTG2-1500/80WTG3-1500单机容量（kW）1500150015001500额定风速（m/s）10.510.510.510.5叶轮直径（m）82.982.782.782轮毂高度（m）70658070装机台数（台）33333333装机容量（MW）49.549.549.549.5理论年发电量（万kWh）15712.314787.116138.316241.1尾流损失（%）5.25.14.84.8尾流折减后年发电量（万kWh）1430413465.6314746.7514845.3综合折减系数（%）70.1170.1370.3770.31年上网电量（万kWh）10574.539954.7510901.8410968.48等效满负荷小时数2136.272011.062202.392215.86容量系数0.240.230.250.25风机安装方案由表2-1、图2-4和表2-2的数据可知，WTG3的技术参数相较于WTG1和WTG2并无较大差别，并且输出功率较高，年上网电量在三种风力发电机中位居第一，各项数据均排在最佳的位置。综合考虑，WTG3为本次风电场设计的不二之选，并确认采用33台单机容量为1.5MW的WTG3风力发电机实现49.5MW风电场的设计。小结本章基于风电场所处地区的地理环境和风能资源，预选出三种较为合适的风力发电机机型，并且通过对其技术参数、输出功率和年上网电量的对比分析，选出最优风力发电机，即WTG3后，确认大致布机方案，即采用33台单机容量为1.5MW的WTG3风力发电机，完成49.5MW风电场的设计。风电场设计方案3.1引言本次风电场的规划目标是实现49.5MW风电场的设计，故需要33台单机容量为1.5MW的WTG3型风力发电机实现49.5MW风电场的设计。首先通过分析风电场的建设现状，以此确定设计范围，制定设计原则。接着，考虑未来扩建需求，制定主变压器的设计方案。通过以上思路进行详细规划，完成本次风电场的规划建设。3.2风电场设计现状、范围及原则3.2.1风电场设计现状在本次接线设计中，将33台风力发电机平均分成3回，每回11台。在每台机组出口处通过1kV电压等级的电缆线连接到变电箱，将出口电压690V升至35kV，连接到35kV母线上。35kV母线再通过220kV电压等级、容量为100MW的主变压器连接到220kV母线，将电压35kV升至220kV。由此初步制定本次风电场的设计方向。3.2.2风电场设计范围本次风电场的设计包括风力发电场区和220kV升压站，分成两个部分开展，分别是电气一次系统和电气二次系统进行研究。而由于外部环境因素，除去电气设计外的进站道路规划、给排水设施以及系统通信问题，并不属于本次设计范围内。3.2.3风电场设计原则在本次风电场的主接线设计中，必须满足的首要条件是风力发电与电网之间的适应性，基于此再坚持标准一致、技术先进、运行高效和投资合理的原则。考虑到未来风电场的检修维护和再规划问题，风电场的设计需要保证方案尽可能普遍化、风电接入尽可能规范化、升压变电站尽可能标准化和集电线路尽可能模块化，并且预留一定的扩展容量。3.3主变台数的选择本次风电场的设计在主变压器的型号选用、台数选择和容量选择上，需要实现目前风电场的电气设计，并为之后的扩建打下基础，主要考虑的是变压器是否为两线圈、是否为三相、损耗和噪音是否较低等技术参数，能否实现有载调压和自然油循环风冷电力系统等必要功能。具体有以下三点要求：第一，保证主变压器的选择原则合理。当电力线路的负荷较大时，或者对于一级负荷和二级负荷的电力线路，选择两台或两台以上的主变压器，保证电能传输的安全性和稳定性，降低电力线路的故障率，减少电力线路维修成本；当电力线路的负荷较小时，选择一至两台主变压器，保证电力系统的稳定运行，避免电能浪费的情况，保证工程上的经济效益。第二，保证主变压器的台数选择准确。主变压器的台数选择与风电场所在地区的主要用电量有关。若风电场所在地区为城市或城郊，用电量较大，应先了解该地的中低压环网情况，一般选择两台主变压器；若风电场所在地区为工业区或开发区，或者位置较为偏僻，一般选择三台或三台以上的主变压器，保证供电的安全高效，降低电力线路的故障率。第三，保证主变压器的容量选择有效。当前，我国大部分变电站是根据电网结构和主要负荷量或者未来的负荷计划决定主变压器的容量。因此，必须考虑风电场所在地区的以上影响因素进行主变压器的容量选择ADDINCNKISM.Ref.{9DDBAD136A394ee8BDB40C485BBDB214}[11]。与此同时，主变压器的接地方式应为220kV中性点接地，35kV经消弧线圈接地。除此之外，本次风电场的设计应结合风电场所在地区的具体情况，考虑之后的维护和检修问题，最大程度上减少支出ADDINCNKISM.Ref.{FB026EF48F6F4f3492049243EC6D1ED1}[10]。在本次风电场的设计中，通过当前的变压器市场上的产品分析，选用技术先进和运行高效的主流变压器；通过风力发电机的装机容量、风电场所在地区的地形地貌、施工难易程度和经济效益等条件，确定主变压器的台数。参考变压器设计方案中的惯例，制定了以下两种设计方案。方案一：目前采用一台容量为50MVA的主变压器，之后风电场进行扩建时再投入变压器。这个方案在扩建时将增加电力系统回路数。方案二：目前采用一台容量为100MVA的主变压器，之后风电场进行扩建时共用本台变压器。这个方案在扩建时将减少电力系统回路数。对比方案一和方案二，方案二所需要的配电装置明显较少。考虑到单台不同容量的主变压器在占地面积上只有细微的区别，所以方案二较方案一更具有经济性，大大减少了投资。因此，本次风电场的主变压器设计采用方案二，即安装一台容量为50MVA的主变压器，之后扩建风电场时也不会增加回路ADDINCNKISM.Ref.{E1CD6C53179C4427915AC02031960A66}[12]。3.4小结本章基于风电场的设计现状，初步制定了本次风电场的设计方向，确定设计范围，即电气一次系统和电气二次系统的规划建设。在此基础上，结合之后扩建的实际情况制定本次风电场的设计原则和要求，确定主变压器的设计方案。电气一次系统设计4.1引言本次风电场的电气设计中，最为重要的就是确定高压部分的设计，换而言之就是确定电气的主接线方案。结合主接线的设计原则与具体要求，设计电气主接线方案，再进一步进行短路计算和电气总平面的布置等工作。4.2电气主接线4.2.1主接线设计原则在电气一次系统设计中，最关键的环节就是主接线的设计，因为电气主接线关系到电力系统中选择不同的装置和模块，关系电力系统的正常运行。本次风电场的主接线设计需要在保证发电系统的可靠安全、并网系统的高效稳定和输出优质的电能的基础上，同时保证接线尽可能简单，便于后续维护和检修，甚至扩建，提高工程经济效益。在本次风电场的主接线设计中，尤其需要引起重视的是当电力系统发生故障时，其能否定位故障发生在何处，并将故障设备快速切除于电路中，便于检修人员查找故障原因进行维修，尽快恢复故障设备的正常运行。4.2.2主接线设计要求可靠性主接线的可靠性是保证生活生产供电质量的基本原则之一，包括宏观可靠性和微观可靠性，宏观可靠性是指电气一次系统和电气二次系统之间相互配合的可靠性，微观可靠性是指主接线的可靠性。其中最重要的是电气设备的可靠性，可靠的电气设备将大大减少对于电力线路的投资。关于主接线的可靠性具体有以下四点要求：第一，在巡检断路器等电气设备时，保证电能的稳定输出；第二，当母线和断路器等重要电气设备发生故障或损坏时，一级负荷做到保证不断电，二级负荷做到保证尽可能不断电；第三，诸如风力发电机组的大容量发电机组必须保证电能的可靠性；第四，诸如风电场的电能上游供应侧必须保证电能的可靠性。灵活性主接线的灵活性主要是应对随时可能发生的调度不同、日常检修和扩展容量等问题，具体有以下三点要求：第一，调度时需要保证一定的灵活性。只有发电机、电力线路和变压器实现灵活地投切，才能与电力系统的负荷的不确定性和发生故障时的不确定性相适应。第二，检修时需要保证一定的灵活性。任何电气设备在保证不间断供电的基础上灵活地投切，才能同时实现供电与检修。第三，扩容时需要保证一定的灵活性。电力线路之间实现灵活地修改，才能在新的机组与旧的机组之间达到融合。经济性主接线的经济性是在保证可靠性和灵活性的基础上实现的，如果不能同时实现主接线的可靠性和灵活性，更谈不上保证经济性。关于主接线的经济性具体有以下三点要求：第一，投资尽可能少。首先，在主接线上选择最为节省线材的设计，从而减少主接线上的保护设备，例如避雷器和互感器等。其次，在主接线的设计上尽可能保证二次接线的简易。第二，占地面积尽可能小。风电场的设计不仅有一次设备的安装，还有二次设备的安装。因此，考虑到其他二次设备的布置，必须保证主接线设计的占地面积较小。第三，电能损失尽可能少。这一要求具体体现在升压站的主变压器的选择上，如果能够使用一级升压，尽可能不使用二级升压ADDINCNKISM.Ref.{462EE0E8EC8A42a89AFF40452F24A8BC}[13]。4.2.3主接线设计方案主接线的基本形式及其优缺点单母线接线在变电站的电气主接线设计中，多使用单母线接线。单母线接线就是通过一个开关控制接在这组母线上的所有电源和回路，所有电气设备在这组母线上串联运行。单母线接线的主要优点是接线较为简单，操作较为方便，连接设备少，经济性高，并且母线便于向两端延伸，方便扩建；主要缺点是可靠性低，灵活性差，当母线或母线侧隔离开关检修或故障时，所有设备和回路都要停止运行。因此，单母线接线的形式适用于出线回路较少和对电能供应的可靠性要求较低的变电站中。双母线接线双母线接线就是两组母线同时运行，并且通过母联断路器实现并列工作，平均分配电源和负荷。双母线接线的主要优点是供电可靠，当检修其中一组母线时，另一组母线通过倒闸操作实现正常工作，不影响正常供电；调度灵活，不同电源与回路负荷根据电力系统的实际情况随意分配到任一组母线中；方便扩建，扩建母线时不影响其正常运行。主要缺点是增加了母线长度和配电装置的架构，增大了占地面积，增加工程成本；变更主接线形式时，倒闸操作容易导致误操作；检修回路断路器时，该回路将断电；任何一组母线故障时短时停电，母联故障时两组母线都停电。桥形接线桥形接线分为外桥接线和内桥接线。外桥接线的主要优点是调整变压器较为简单，无需较多设备；主要缺点是在断路器故障时，必须停止变压器的运转，直接影响正常的电能供应。内桥接线的主要优点是高压断路器较少，切换线路较为简单；主要缺点是在断路器故障时，检修时间较长，且线路必须断电。角形接线角形接线的主要优点是有效减少投资成本，当线路或设备故障时，只需切除故障元件，且不影响电力系统的正常运行；主要缺点是选择电器设备时考虑的影响因素较多，不利于后续扩建变电站。变压器—线路单元接线变压器—线路单元接线的主要优点是操作方便，连接设备少，有效减少投资成本；主要缺点是当线路或变电站的电气设备故障时，线路必须断电，很大程度上影响供电ADDINCNKISM.Ref.{6029CB78A1FB46558D3D6B7BDEDADED7}[14]。升压站电气主接线本次风电场的220kV升压站电气主接线设计采用单母线接线，出线1回。由于220kV升压站的出线为1回，当电力线路故障时，整个升压站将会断电，所以在出线处装设断路器显得多此一举，且增加了工程成本，提高了电气设备故障率ADDINCNKISM.Ref.{875A093ABF43465cB7C1C52F13F4F755}[15]。风电场电气主接线由前文选出的风力发电机WTG3可知其出口电压为690V，通过装设升压变压器以及一系列升压过程接至220kV变电站中。其中，装设升压变压器有两个方案，分别是将690V升至10kV或35kV。当风力发电机为兆瓦级时，若将690V升至10kV，每回10kV的汇流母线上可接3-4台风力发电机；若将690V升至35kV，每回35kV的汇流母线上可连接更多的风力发电机。由此可知，将690V升至35kV的升压方案更加合适，减小线损，节省电力线路投资成本，提高工程经济性。因此，结合风电场主接线的设计原则和要求，参考当前的风电场设计一般惯例设计主接线方案，一是在电压匹配方面，风力发电机和箱式变压器在低压出线侧设定为690V，高压出线侧设定为35kV；二是在电能输送的经济性方面，将33台单机容量为1.5MW的WTG3型风力发电机平均分为3组，每组各11台。最终实现本风电场的电能供应。风电场的电气主接线图如图4-1所示。图4-1风电场的电气主接线图4.3.3短路电流的计算过程4.3一次系统短路电流计算计算一次系统的短路电流，将为本次风电场设计的电气设备选择提供参考。下文将在短路电流的计算要求上，计算出该风电场的短路电流。4.3.1短路电流的计算目的由于短路电流的数值直接决定了电气设备的绝缘装置和防护措施，所以其也为断路器和互感器等电气设备的选择提供依据。短路电流的数值为继电保护等等装置的整定数据提供依据。评价主接线的设计方案时，短路电流的结果作为评价依据，确定电力线路中是否需要添加抑制短路电流的设计方案。短路电流的计算结果与电力系统瞬态稳定性和通信线路的电磁屏蔽等工作有关。确定中性点的接地方式ADDINCNKISM.Ref.{5DBF83BD95FE45ec8A6E9F659793D751}[13]。4.3.2短路电流的计算要求在计算该风电场的短路电流的过程中，假设电力系统在正常运行时发生短路，短路电流值为峰值时，遵循以下四点要求进行计算：第一，不仅是所有的电源，而且电力系统中的电气设备都在额定功率下运行；第二，电力系统在最大运行方式的接线方式下运行；第三，按照三相短路的故障情况进行短路电流计算；第四，关于短路计算点的选择，为电气设备的短路电流节点ADDINCNKISM.Ref.{F1B58A6B17D34f0b91BECE1D53C02362}[12]。4.3.3短路计算的过程在短路计算的过程中选择系统阻抗时，选取220kV侧的阻抗，选取100MW为基准容量，35kV的母线按两台主变压器分列运行仿真。使用PSASP软件画等值阻抗图。等值阻抗图如图4-2所示。图4-2风电场的等值阻抗图根据等值阻抗图设置故障类型和故障地点。运行单线图，输出短路报表。短路电流计算结果表如表4-1所示。表4-1短路电流计算结果表短路电流简表短路作业名：作业1故障类型：ABC三相短路区域分区厂站全网全网全网母线名短路电流（kA）短路容量（MVA）0.69kV41.5730.69220kV16.884260.1335kV23.39939.13由短路电流的计算结果可知，本次风电场设计的35kV母线和220kV母线的短路电流水平分别为31.5kA和40kA。确定完短路电流这一参数后，下文将以此选择主要电气设备。4.4主要电气设备选择根据《导体和电器选择设计技术规定》和以上的短路电流计算结果，主要电气设备的选择如表4-2所示。表4-2主要电气设备的选择风力发电机组序号设备名称型号规格单位数量备注1风力发电机组WTG3额定电压690V额定容量1.5MW出厂标准功率因数：1.0功率因数可调节范围：-0.9～+0.95台332机组保护控制柜套33机组配套升压站设备序号设备名称型号规格单位数量备注1主变压器SFZ10-100000/220100MW，220±8×1.25%/35kV，Ud=14%，Ynd11台1带载调压2中性点接地保护装置套13隔离开关GW7-220额定电压：220kV额定电流：2000A额定短时耐受电流：40kA/4s额定峰值耐受电流：100kA三相组74断路器LW14-220额定电压：220kV额定电流：2000A额定频率：50HZ额定开断电流：40kA额定关合电流（峰值）：100kA热稳定电流（3s）：40kA三相组15抽屉式断路器三相组16避雷器YH10W-204/532台47电流互感器LCWB6-220变流比：2*300/5A额定电压：220kV台2835kV共箱母线2500A米25935kV开关柜KYN-40.5出线柜：KYN口－40.5额定电压：40.5kV额定电流：2000A4s热稳定电流：31.5kA额定动稳定电流：80kA进线柜：额定电压：40.5kV额定电流：630A4s热稳定电流：25kA额定动稳定电流：63kA面101035kV场用变压器SC11-315/35/0.4容量315kVA电压比：35±2×2.5%/0.4kVDyn11Ud=6.0%台11135kV消弧消谐装置（带PT）50面112无功自动补偿装置20Mvar动补套113抽屉式低压配电屏GCS10.4kV面614照明项115接地项1箱变及场内线路序号设备名称型号规格单位数量备注1箱式变压器S11-1600/35额定电压：高压侧35kV、低压侧0.69kV额定容量：1600kVA阻抗电压：6.5%联接组别：Dyn11调压范围：35±2×2.5%高压负荷开关：油浸式负荷开关高压熔断器：全范围保护熔断器低压断路器：2000A，50kA（低温型）台332电力电缆YJY23-3x240+1x1501kV风机至箱变（4根并联）3电力电缆YJY23-3x5035kV箱变至电杆4电力电缆YJY23-3x24035kV电杆至开关柜5电缆终端热缩型3x240+1x1501kV6电缆终端冷缩型3x5035kV7电缆终端冷缩型3x24035kV送去工程序号设备名称型号规格单位数量备注1220kV架空线路LGJ-3004.5电气总平面布置及配电装置布置4.5.1220kV配电装置220kV的电气设备及其配电装置一般安装在户外。结合风电场所在地区的地理条件，本次风电场的设计采用户外安装和分相中型型式单列布置，共计设置4个间隔，每个间隔宽约13米。4.5.235kV配电装置与220kV的电气设备类似，35kV的配电装置一般也安装在户外。结合风电场所在地区的自然资源，本次风电场的设计采用户外安装和普通中型型式布置，共计设置9个间隔，每个间隔宽约5.5米。该设计虽然占地面积较大，但布置简单，运行高效，母线的检修较为方便，且建设工作量小，建设时间短，具有良好的经济性。4.5.3配电装置由于电力线路的交叉将影响风电场的正常运行，故配电装置的布置应系统规划，间隔排列。4.5.435kV无功补偿装置35kV无功补偿装置与风电场内35kV的电气设备临近布置。4.5.5380/220V场用配电装置由于380/220V场用配电装置等低压设备电压等级低，为了确保其经济效益，与用电端临近布置。4.5.6风机塔箱式变压器风机塔箱式变压器与风力发电机组临近布置。4.5.7电缆设施当风电场内电压等级为220kV的电力线路需要穿过围墙时，电缆设施一般采用绝缘套管或地下高压电缆布置。本风电场内的主变压器出口220kV电力线路的电缆需埋在地下或在地下建设电缆通道，在地下建设电缆通道时需通过桥架固定电缆。由于电缆线路将通过开关柜和配电盘等终端设备进入室内，故需用防火绝缘的材料封堵电缆所在的路径。4.6防雷接地及绝缘配合4.6.1防雷保护结合风电场所在地区的具体情况可知，本风电场处于露天环境，雷电容易直击场内电气设备，造成雷击过电压、设备损害甚至事故发生，故风电场内必须装设避雷针。根据《交流电气装置的过电压和绝缘配合》DL/T7620-1997的参考标准，本次风电场的设计是装设七根避雷针构成防雷保护，其中在主变电站装设两根220kV用避雷针，在风电场其余位置装设五根避雷针ADDINCNKISM.Ref.{93EF382BC4DE43cb85C2C7D31D87F3CE}[16]。除此之外，需在母线上装设一组复合绝缘氧化锌避雷器防止雷电侵入波导致的电能质量下降，在主变压器的高低侧均装设氧化锌避雷器确保安全ADDINCNKISM.Ref.{D05FEB7711F34dba93CBEC21B655E2C8}[17]。4.6.2接地保护由《交流电气装置的接地》DL/T621-1997的参考标准可知，主变压器接地时需与地面保持水平，且在较高电压等级时，结合水平与垂直进行接地，达到热稳定性的要求。装设完主变压器接地保护后，需在主变电站的人流活动区装设均压装置，防止跨步电压导致事故。4.7站用电及照明通信4.7.1站用电源由于本风电场的升压站内的供电电压为380/220V，需运行低压设备，故需在主变电站附近装设两台三相四线制且中性点接地的变压器互为备用。当电力系统正常运行时，每台变压器只给其对应的母线供电，而故障时互补运行，提高电力线路的可靠性ADDINCNKISM.Ref.{4D453BD8854A4003B7BCDE3AAEBC9595}[13]。4.7.2全站照明本风电场升压站的站内照明分为工作照明和事故照明。工作照明为日常照明，采用380/220V三相四线制TN-C-S系统供电，事故照明即故障照明，采用蓄电池直流母线向直流220V系统供电。当工作照明系统故障时，事故照明电源立即投入运行。关于照明光源又分为室外照明和室内照明。室外照明为在主变电站内装设可自由调整方向的投光灯，实现站外道路的照明，且在配电装置区内采用金卤泛光灯的混合照明。室内照明分为工作照明和事故照明，在220kV和35kV配电装置区内装设使用时间较长的节能型壁灯以及节能泛光灯实现照明需要；在主控室内装设防尘防水灯、安全工具室内装设节能型壁灯、警卫室和资料室内装设吸顶荧光灯，满足工作照明的需要；在各配电装置室内装设白炽灯，满足事故照明需要ADDINCNKISM.Ref.{11D83FAEF66E495190BA3B32CFECB315}[18]。4.7.3全站通信电力通信网依托风电场进行建设，属于风电场的基础设施。因此，本风电场的通信设计的主要任务是根据国家、企业和行业的标准制度和相关法律法规，在工程建设、运行检修和技术升级等各个环节对通信系统实现全过程和全方位的技术监督，贯彻落实“安全第一，预防为主，管理和技术并重，超前预防”的方针，满足安全可靠、实用先进和便于扩充等要求ADDINCNKISM.Ref.{4EC94DF7EF5A4bdd84DC69AC6F997E68}[19]，建立健全质量、标准和计量三位一体的技术监督体系ADDINCNKISM.Ref.{3A15A9D2608846e7A9E1F81BA12FC962}[20]。通信方式一般发电厂内的通信方式通信分为与生产调度相关和与生产管理相关的信息交互，本风电场的站内通信由一套数字程序控制交换机实现信息交互，该交换机共计60门，并具有扩容能力。与此同时，数字程序控制交换机又与系统中继相连。中继接口采用2M数字接口。通信电源数字程序控制交换机的通信电源与电力系统的通信设备共用，采用直流-48V电源配电ADDINCNKISM.Ref.{12222BDCB2AE482585EB58584D44AB54}[21]。4.8小结本章主要进行风电场的电气一次系统的总体规划与设计。首先根据主接线的设计原则和设计要求制定主接线方案。其次，通过短路电流的计算结果为电气设备的选型提供依据，总结出主要电气设备的选择要求。再者，进行电气总平面的布置设计。最后不可忽视的是风电场内的防雷接地保护和照明通信部分，确保风电场的安全稳定运行。电气二次系统设计引言为了减少本风电场接入电网后对电力系统造成的负面影响，设计较为完善的电气二次系统是必不可少的。结合电气二次系统接线的设计原则，本风电场对操作单元等电气设备进行计算机监控，并开展继电保护装置的规划设计，确保风力发电机组的正常运行。通过电气二次系统的设计，本风电场实现了实时监控跟踪风力发电机组的运行情况，同时为电气一次系统的安全稳定运行提供了可靠保证。 二次接线5.2.1二次接线设计规则本风电场的电气二次系统设计分为综合楼主控室和电子设备间。其中综合楼主控室内装设风力发电机组计算机监控系统、计算机监控系统操作台和图像监控操作台，电子设备间装设操作电源和继电保护装置等二次设备。本风电场的监控部分由计算机控制系统实现。当电力系统正常运行时，计算机系统发出控制命令。此外，在风电场内装设监控/手动转换开关作为监控部分的备用操作控制指令。5.2.2信号为了确保计算机监控的准确性，需在本风电场的关键位置采用关键点单独采集的方式。如在主变电站中，在高压侧的断路器等电气设备的信号采用单独的点对点的方式，但在低压侧只需采用串口通信的方式。5.2.3测量本风电场在主变压器220kV出线侧、35kV出线侧和其余变压器等节点装设三相四线制全电子式多功能电能表采集信号，测量电压值和电流值。5.2.4电量本风电场通过数字式电量表连接计算机控制系统，实现对电压值和电流值的采集。5.2.5“五防”系统为保证电力系统的安全运行，本次风电场的二次系统设计需满足“五防”的要求，即防止带负荷分、合隔离开关；防止带电挂（合）接地线（接地开关）；防止误分、合断路器；防止误入带电间隔；防止带地线送电。具体措施如下：第一，为了防止带电时开后门，在35kV开关柜后门与地刀或智能操控装置之间设置电气闭锁；第二，为了防止母线接地时断路器闭合，在35kV开关柜内的断路器与母线接地手车之间设置电气闭锁；第三，为了防止手车在工作位或负荷侧带电时合地刀，在地刀与手车和智能操控装置之间设置电气闭锁；第四，为了防止线路带电或接地时推入手车，在断路器手车与各自断路器及35kV开关柜内地刀之间设置电气闭锁；第五，在母线接地手车与各35kV开关柜内断路器手车和母线带电显示器之间设置电气闭锁，在35kV开关柜内断路器手车均处于试验位且母线不带电时可推入接地手车ADDINCNKISM.Ref.{C64418A8419842df837A2F258AE6B831}[22]。计算机监控系统5.3.1风电场监控系统风电场监控系统包括了在线的风力发电机组的控制器以及综合楼主控室中的集中监控装置。风力发电机组的控制器又分为电源单元和计算机单元，电源单元主要使异步风力发电机与电网同期，计算机单元主要实现对风力发电机组运行的控制ADDINCNKISM.Ref.{B0039E191A1D4e049F053B7410D018DF}[23]。在综合楼主控室中，集中监控装置的对象为33台单机容量为1.5MW的WTG3型风力发电机，可对其实现远程手动开机或停机以及向顺时针或逆时针旋转，主要由中央监控层、风机现地监控层和场内通信设备构成。其中，中央控制层中配置操作员站、后台监控软件、服务器和打印机等，风力发电机组现地监控层中配置风力发电机组主控及偏航系统、箱变监控系统以及变频和变桨控制系统等ADDINCNKISM.Ref.{A2525B3E20FD46caB2851CB29558CD5D}[22]。5.3.2升压站监控系统本风电场的升压站内系统包括了站控层和间隔层，再加上网络设备。站控层中配置主机兼操作员工作站、远动工作站和公用接口装置等，其中主机和远动机工作站完全可靠地测量、监视并控制站内全部电气设备，具有遥测、遥信、遥控、遥调功能，同时做到时钟同步，与电网的调度中心进行信息传输与交换。间隔层中配置保护测控装置等二次设备，其中35kV系统监控与保护一体化设备采集和监控就地数据ADDINCNKISM.Ref.{48CB31248FAE4d15938BE905F10DA49D}[22]。风电场继电保护装置5.4.1主变电站保护220kV母线保护采用纵联电流差动保护的方式，其中通信方式为光纤通信，通过装设独立观测屏观测信号。主变压器保护主变压器的变比为35/220kV，且高低压两侧均为单母线接线，但高压侧采用中性点直接接地的形式，低压侧采用小电流接地的形式。主保护：微机差动保护作用。220kV侧后备保护主变高压