探究風力發電廠電氣設備的牢靠行

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1上川風電場整體可靠性設計

1.1電氣設備選擇

考慮到本工程的總裝機容量為85MW，變壓器選擇2臺容量為50000KVA，三相銅繞組自冷型油浸式無載調壓電力變壓器。設置這兩臺變壓器使得系統具有安全、可靠、靈活的特點，根據不同的風力資源，選擇變壓器的運行狀況。在風力較小的季節，風力發電的電力有限，可投入1臺變壓器運行，這樣可以減少變壓器損耗并且降低風電場的運行成本。在一臺變壓器發生故障需要檢修時，投切另一臺變壓器運行，確保電力的持續供應，大大降低了風電場全部出力的受阻率。

1.2過電壓保護及接地

在系統設計時，一般都會配有過電壓保護裝置，該裝置由過電壓保護器、微機控制技術及單相真空開關共同構成一套自動控制系統，該系統能夠將中性點非有效接地網的相間過電壓限制在電網能夠安全運行的電壓范圍之內，即能使中性點非有效接地，又可以將過電壓限制在比較低的的水平，以上措施消除了電網過電壓對電網安全運行的威脅，提高了電網運行的安全性和可靠性。系統中真空接觸器在系統發生間歇性湖光接地時將高能限壓器投入到故障相，高能限壓器可以限制故障相的電壓，使故障相的相電壓維持在比較低的電壓等級，并且可以保證電弧的可靠熄滅，這種方法給電網的擴容和改建帶來了很大的方便。系統還會采用微控制器抑制過電壓，當系統需要過電壓保護的時候，微控制器根據電壓互感器傳來的電壓信號進行判斷，查找故障點，選擇合理的解決辦法，發出指令，投入需要的設備解決問題。

1.3升壓站電氣設備布置

本工程的升壓站地處海島，有著較為惡劣的自然環境，考慮到主變設備的安全可靠地運行，采用主變壓器及采用戶內布置方式的中性點設備。主變壓器為單層建筑，緊靠生產綜合樓與35KV配電裝置及110KV高壓配電裝置，方便聯系。110kVGIS高壓設備布置在生產綜合樓二樓，GIS本體設備布置在GIS室。GIS主變回路出線套管布置在相應的主變壓器室平臺處，GIS套管與主變高壓套管采用軟導線連接。GIS出線則采用側面出線方式，GIS出線套管為戶外布置。35kV配電裝置設在生產綜合樓一層，開關柜采用雙列布置方式，二列開關柜中間設置操作通道。35kV開關柜與主變壓器套管連接采用共箱母線連接。

2風電對電網的主要影響

2.1風力發電機組對電網系統頻率的影響

風力發電機組對電網系統頻率的影響，主要取決于風力發電機組裝機容量占電網系統總容量的比例。當風力發電機組裝機容量在電網系統中所占比例較大時，風機輸出功率的隨機波動性對電網頻率的影響顯著，同時影響電能質量和頻率敏感負荷的正常工作。若風力發電機組進一步大量投入，將要求電網系統中其他常規機組進一步加強頻率響應能力，才能有效抑制頻率的波動。就目前情況，由于風力發電機組出力的間歇性，當發生大面積大風條件下失速保護失去出力后，會導致電網系統頻率突然降低。截至2012年底，廣東全省共有風電場32家，風電總裝機容量143萬千瓦，占統調總裝機容量1.4%。就目前情況，風電占電網比例較低，并未對電網頻率穩定性造成太大影響。

2.2風力發電機組對電網系統電壓的影響

風力發電機組出力受風速大小以及風向變化等因素影響。同時，受風資源分布的影響，上川風電場與風電場大多數風場一樣，都不得不建設在電網的末端，因此電網網絡結構比較薄弱。在風力發電機組并網運行時會影響電網系統的電源質量以及電壓穩定性。此外，現階段風力發電機采用永磁電機還未成為主流，較多機組還是采用感應發電機。因此，在風力發電機組運行期間，其感應發電機需要建立磁場。從電網系統角度分析，并網運行的風力發電機組是一個無功負荷。以采用雙饋機型V52-850kW的上川風電場為例，從表格1可以看出，當負荷達到30000kW時，即風機平均負載為35%時已經需要從網側吸收部分無功。當負荷達到78091kW時，風機需要從網側吸收17712kVar的無功，網側電壓明顯下降。

3針對發電組特征的可靠性設計

3.1應對電網電壓緩慢變化—無功補償裝置

無論是雙饋風力發電機還是直驅發電機，都受到變頻器的無功容量限制。所以必須采取相應的無功補償裝置來平衡場內的感性和容性無功，從而實現降低電網系統損耗，提高電網整體的經濟性。一般通過就地投切和控制無功補償裝置來降低電網系統損耗，避免長線路輸送無功。從而實現提高功率因數,降低電能線損率，增加電網線路有功功率的輸送比例。為了提高功率因數，上川風電場設置有4組4200kVar可投切并聯電容補償裝置。

3.2應對電網系統電壓突然下降低電壓穿越改造

電網系統在實際運行中比較容易出現不對稱短路等故障,且其中大多數的故障在繼電保護裝置的控制下，可以在<0.5s的時間內能恢復。但在這段短暫的時間內,由于電網電壓突然大幅度下降,因此要求風力發電機組必須在該時間內作出對無功功率調整。以確保風力發電機組不發生脫網故障,防止出現由電網波動引起大面積風機停機導致電網系統供電質量進一步惡化。假設在電網發生故障時，風力發電機組沒有脫網。那么電網電壓大幅度下降,并網運行的發電機相當于甩開負荷，轉矩變得非常小。同時定子側的磁鏈不能跟隨電壓突變,而轉速在慣性作用下沒有顯著變化,突變的滑差就致使轉子側過壓和過流。發電機表現出純電感電路特性，從系統中吸收大量的無功功率。沒有脫網的風力發電機組在沒有無功功率的補充下將加劇電網電壓的崩潰。截止于2013年10月，上川風電場所有的V52-850kW風機已經進行低電壓穿越升級。升級內容包括對VCS控制器升級到CT318，更換變頻器以及對控制系統增加UPS。其原理是當雙饋電機網側電壓突然下降的同時，VCS控制器通過變槳系統降低轉矩的輸入，同時限制轉子側電流實現保護變頻器以及發電機轉子。

4總結

風力發電機組的效率以及風電場運行的可靠性與許多因素有關。由于風機系統是一個隨天氣變化的系統，發展的方向將會是采用風向風速預報以及風光互補等能量管理系統，以實現電網的科學負荷調配。本文對上川島風電場的運行狀況以及設備的可靠性進行分析，針對該地區的環境條件選擇合適的設備，對在運行中會發生故障的部分進行分析，安置保護測量裝置，為了便于發電廠的管理，對電氣設備布置進行優化，使上川島風電場能夠穩定可靠運行。

作者：林勇單位：中廣核風電公司華南分公司