探究风力发电厂电气设备的牢靠行

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1上川风电场整体可靠性设计

1.1电气设备选择

考虑到本工程的总装机容量为85MW，变压器选择2台容量为50000KVA，三相铜绕组自冷型油浸式无载调压电力变压器。设置这两台变压器使得系统具有安全、可靠、灵活的特点，根据不同的风力资源，选择变压器的运行状况。在风力较小的季节，风力发电的电力有限，可投入1台变压器运行，这样可以减少变压器损耗并且降低风电场的运行成本。在一台变压器发生故障需要检修时，投切另一台变压器运行，确保电力的持续供应，大大降低了风电场全部出力的受阻率。

1.2过电压保护及接地

在系统设计时，一般都会配有过电压保护装置，该装置由过电压保护器、微机控制技术及单相真空开关共同构成一套自动控制系统，该系统能够将中性点非有效接地网的相间过电压限制在电网能够安全运行的电压范围之内，即能使中性点非有效接地，又可以将过电压限制在比较低的的水平，以上措施消除了电网过电压对电网安全运行的威胁，提高了电网运行的安全性和可靠性。系统中真空接触器在系统发生间歇性湖光接地时将高能限压器投入到故障相，高能限压器可以限制故障相的电压，使故障相的相电压维持在比较低的电压等级，并且可以保证电弧的可靠熄灭，这种方法给电网的扩容和改建带来了很大的方便。系统还会采用微控制器抑制过电压，当系统需要过电压保护的时候，微控制器根据电压互感器传来的电压信号进行判断，查找故障点，选择合理的解决办法，发出指令，投入需要的设备解决问题。

1.3升压站电气设备布置

本工程的升压站地处海岛，有着较为恶劣的自然环境，考虑到主变设备的安全可靠地运行，采用主变压器及采用户内布置方式的中性点设备。主变压器为单层建筑，紧靠生产综合楼与35KV配电装置及110KV高压配电装置，方便联系。110kVGIS高压设备布置在生产综合楼二楼，GIS本体设备布置在GIS室。GIS主变回路出线套管布置在相应的主变压器室平台处，GIS套管与主变高压套管采用软导线连接。GIS出线则采用侧面出线方式，GIS出线套管为户外布置。35kV配电装置设在生产综合楼一层，开关柜采用双列布置方式，二列开关柜中间设置操作通道。35kV开关柜与主变压器套管连接采用共箱母线连接。

2风电对电网的主要影响

2.1风力发电机组对电网系统频率的影响

风力发电机组对电网系统频率的影响，主要取决于风力发电机组装机容量占电网系统总容量的比例。当风力发电机组装机容量在电网系统中所占比例较大时，风机输出功率的随机波动性对电网频率的影响显著，同时影响电能质量和频率敏感负荷的正常工作。若风力发电机组进一步大量投入，将要求电网系统中其他常规机组进一步加强频率响应能力，才能有效抑制频率的波动。就目前情况，由于风力发电机组出力的间歇性，当发生大面积大风条件下失速保护失去出力后，会导致电网系统频率突然降低。截至2012年底，广东全省共有风电场32家，风电总装机容量143万千瓦，占统调总装机容量1.4%。就目前情况，风电占电网比例较低，并未对电网频率稳定性造成太大影响。

2.2风力发电机组对电网系统电压的影响

风力发电机组出力受风速大小以及风向变化等因素影响。同时，受风资源分布的影响，上川风电场与风电场大多数风场一样，都不得不建设在电网的末端，因此电网网络结构比较薄弱。在风力发电机组并网运行时会影响电网系统的电源质量以及电压稳定性。此外，现阶段风力发电机采用永磁电机还未成为主流，较多机组还是采用感应发电机。因此，在风力发电机组运行期间，其感应发电机需要建立磁场。从电网系统角度分析，并网运行的风力发电机组是一个无功负荷。以采用双馈机型V52-850kW的上川风电场为例，从表格1可以看出，当负荷达到30000kW时，即风机平均负载为35%时已经需要从网侧吸收部分无功。当负荷达到78091kW时，风机需要从网侧吸收17712kVar的无功，网侧电压明显下降。

3针对发电组特征的可靠性设计

3.1应对电网电压缓慢变化—无功补偿装置

无论是双馈风力发电机还是直驱发电机，都受到变频器的无功容量限制。所以必须采取相应的无功补偿装置来平衡场内的感性和容性无功，从而实现降低电网系统损耗，提高电网整体的经济性。一般通过就地投切和控制无功补偿装置来降低电网系统损耗，避免长线路输送无功。从而实现提高功率因数,降低电能线损率，增加电网线路有功功率的输送比例。为了提高功率因数，上川风电场设置有4组4200kVar可投切并联电容补偿装置。

3.2应对电网系统电压突然下降低电压穿越改造

电网系统在实际运行中比较容易出现不对称短路等故障,且其中大多数的故障在继电保护装置的控制下，可以在<0.5s的时间内能恢复。但在这段短暂的时间内,由于电网电压突然大幅度下降,因此要求风力发电机组必须在该时间内作出对无功功率调整。以确保风力发电机组不发生脱网故障,防止出现由电网波动引起大面积风机停机导致电网系统供电质量进一步恶化。假设在电网发生故障时，风力发电机组没有脱网。那么电网电压大幅度下降,并网运行的发电机相当于甩开负荷，转矩变得非常小。同时定子侧的磁链不能跟随电压突变,而转速在惯性作用下没有显著变化,突变的滑差就致使转子侧过压和过流。发电机表现出纯电感电路特性，从系统中吸收大量的无功功率。没有脱网的风力发电机组在没有无功功率的补充下将加剧电网电压的崩溃。截止于2013年10月，上川风电场所有的V52-850kW风机已经进行低电压穿越升级。升级内容包括对VCS控制器升级到CT318，更换变频器以及对控制系统增加UPS。其原理是当双馈电机网侧电压突然下降的同时，VCS控制器通过变桨系统降低转矩的输入，同时限制转子侧电流实现保护变频器以及发电机转子。

4总结

风力发电机组的效率以及风电场运行的可靠性与许多因素有关。由于风机系统是一个随天气变化的系统，发展的方向将会是采用风向风速预报以及风光互补等能量管理系统，以实现电网的科学负荷调配。本文对上川岛风电场的运行状况以及设备的可靠性进行分析，针对该地区的环境条件选择合适的设备，对在运行中会发生故障的部分进行分析，安置保护测量装置，为了便于发电厂的管理，对电气设备布置进行优化，使上川岛风电场能够稳定可靠运行。

作者：林勇单位：中广核风电公司华南分公司