风电场大型主接线设计

1、内蒙古工业大学本科毕业设计摘要风能作为一种清洁能源，现在已越来越受到各个国家重视。虽然风电场主接线设计与常规的设计原理几乎一样，但是由于其本身的装机容量小等原因，又与常规的设计有一定的区别。此次风电场主接线设计主要包括以下几方面：方案的设计及确定、风电场设备的选取、短路电流计算和开关器件的选取及校验。风力发电机出口电压一般为690v，通过箱式变压器升高到35kv，并通过架空线连接到升压变电站，主变压器升高到110kv，送入电网。计算电压偏移，来校验导线的性能。计算三相短路电流，来校验开关器件是否满足要求。本次的风电场设计方案采用的双母线接线方式，适合于能够扩建的电厂。只建设一期工程的风电场不适

2、用于本次设计。关键词：风电场，主接线设计，集电线路第一章 绪论1.1 研究背景随着煤炭等化石能源渐渐的枯竭，风能作为一种清洁的可再生能源已经越来越受到各个国家的重视。2013年3月，中国可再生能源学会风能专业委员会发布了中国总体装机情况，中国在2013年新增装机容量为16088.7MW,同比增长24.1%，累计装机容量为91412.89MW，同比增长21.4%，为世界第一。这些数据表明我国正大力发展风力发电这项产业。但由于我国的风电产业起步较晚，相应的技术不成熟，所以在我国的很多风机制造企业的风力发电机都需要从外国风机制造商引进技术。在我国缺少能够真正自主研发且性能稳定的风机制造商。2013年

3、全球风电的累计装机容量已达到318.137GW，新装机容量每年都在快速的提升，这说明风电产业在全球都在快速发展。以丹麦的vistas、美国的ge、西班牙的gamasa等公司为其中的龙头。欧洲的风电事业起步早、技术成熟，在全球的风机市场占有很高的份额。2013年全球风电的累计装机容量已达到318.137GW，这说明风电产业在全球都在快速发展。且从2013年的全球总体装机情况来看，非洲国家将会成为下一个风力发电事业大力发展的地区。风力发电产业还有许多缺陷。因为风的波动性和随机性导致其输出特性的复杂化，频率不稳定。所以现在火电还是作为向电网输电的主要部分，风电的频率不稳对电网的冲击大，可能会导致电网

4、的崩溃。1.2 研究的目的及意义风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式,已越来越受到世界各国的欢迎和重视。由于我国风力发电事业起步较晚，相应的风力发电设计也不成熟。风电场主接线设计与常规电厂的主接线设计，在电气原理上是相同的，但是在实际主接线设计的时候又有所不同。风电场主接线的很多设计方法都是按照常规电厂主接线的方法进行设计，但由于风力发电与常规发电的区别，这些设计方法并不一定适合风力发电设计。在进行风电场主接线设计时，应根据风力发电机容量小、分布分散、出口电压低等特点来进行特殊的设计。本次通过对国内外主接线设计现状和风电设备的研究，根据此次风电场的设计情况，来进行这接线设计。希望此次的设

5、计能够对将要进行风电场的主接线设计提供参考。1.3 研究现状风电场主接线设计主要包括以下几个方面：风力发电机组的分布；风力发电机组升压接线形式的确定；无功补偿装置的选择；集电线路的选取。风力发电机的出口电压为690v，通过箱式变压器将690kv提高到35kv，再将其通过集电线路汇集到升压变电站。升压变电站中的主变压器将电压提高到110kv与电网相连。由于风力发电机组出口电压低，如果不经过箱式变压器升压，导体截面积需要做的很大，且损耗高。风的随机性和波动性导致了风力发电机组的输出电压不稳定，需要无功补偿装置进行无功功率的补偿，维持电压恒定。风力发电机组由于其单机容量很小，一般为1.5MW或2MW

6、。风力发电机组一般采用的是叶片旋转的平面与风的风向垂直。这样能够吸收较大的风功率。且风机的分布应避免尾流效应。尾流效应会导致风机的吸收的风功率减少。风力发电机组升压方式一般为单母线接线、双母线接线、双母线分段接线方式等。风力发电机组升压方式一般需要从可靠性、灵活性、经济性三个原则出发，能够根据所要建设的风电场规模、扩不扩建、可靠性要求高不高等因素来设计一个适合设计要求的合理的设计方案。风电场的无功补偿装置一般为静止型动态无功补偿器（svg）。其既能够发出无功功率，又能吸收无功功率，能够根据母线上电压的波动，来调整其输出或吸收无功功率。但一般由于svg需要维持其工作的电能较高，一般用fc与svg

7、配合使用，价格合理，性能好。风电场的集电线路采用的导线一般为架空线或者电缆。架空线的造价低，容易受到雷击。电缆价格高、可靠。架空线应满足载流要求、温度要求、机械强度要求和电压偏压要求。1.4 本文主要工作内容 本文设计的风电场由20台西门子SWT-2.3-93型风力发电机组组成。西门子SWT-2.3-93型风力发电机组额定功率为2.3 MW，电机型式为ABB异步电机，电机输出电压为690V，工频50HZ。设计此风电场电气主接线，风场内部输电电压等级为35kV，和电网的联络线电压等级为110kV。1）风电场主接线的特殊性。分析常规电厂与风电场在主接线设计方面的区别。明确风电场在进行主接线设计时特

8、殊的设计。2）风电场主接线设计方案。因为风电场的升压方式的不同，具有不用的接线方式。接线方式包括单母线接线方式、双母线接线方式、双母线分段等。根据可靠性，灵活性，经济性三个原则选择方案。3）主接线设备的选取。确定主接线设计方案后，选取箱式变压器、主变压器和导线选型。4）主接线设备校验。通过短路电流计算，对断路器、隔离开关、电流互感器等开关元件是否满足条件进行校验。第二章 风电场主接线特殊性 2.1 风电场与常规发电厂的区别（1）风力发电机单机容量小，一般为1.5MW或2MW，而一台火电厂的单机容量要比风力发电机的容量大的多。（2）风力发电机的出口电压低，一般为690v，需要经过箱式变压器将电压

9、升高到35kv，而火电厂的发电机不需要通过箱式变压器提高电压。（3）风的波动性和随机性，导致风电场需要无功补偿装置，来对输出电压的幅值进行补偿。2.2风电场与常规发电厂的主接线设计图对比如图所示，火电厂的发电机不需要像风电场一样，通过箱式变压器将电压升高。火电厂的发电机一般采用的是同步发电机，其主接线不需要无功补偿装置。火电厂的发电机数目少，且不用像风电场一样，需要将多台风机并起来，用集电线路与母线连接。2.3 风电场的特殊性由于风力发电机单机容量低，地处偏僻，分布分散，所以主接线设计时需要将多台风机用集电线路连到35kv电网中，而火电厂的单机容量大，一般可达几百MW，所以不必像风电场主接线设

10、计需要好几回集电线路。由于风力发电机的出口电压一般为690v，而火电厂的机组输出电压一般为6-25kv的电压等级，所以火电厂主接线设计图中的发电机不用通过集电变压器升压，而风电场主接线设计需要。第三章 风电场主接线设计方案3.1主接线主接线是发电厂或者变电所中实现生产、变换、传输、分配、消耗电能的电路也可以称作为一次主接线。电气主接线的设计方案对发电厂、变电厂的电气设备的选取等。其设计应遵守三个基本原则：可靠性、灵活性和经济性。主接线是电力系统的安全、可靠运行地保障。3.2电气主接线1）单元接线发电机直接与变压器连接的一种电气接线方式。本设计集电变压器和风力发电机采用了单元接线方式连接到35k

11、v母线。2）桥形接线桥形接线分为外桥和内桥接线两种方式。外桥接线适用于变压器经常发生故障或者线路较短的情况，当存在穿越功率的情况下，也应采用外桥接线。内桥接线适用于变压器不易发生故障、线路过长和线路故障频发的情况。本设计主变压器与连个变电所之间的连接采用了外桥接线的方法。3）单母线分段接线单母线分段接线的优点是重要用户可以通过两个电源供电，且当母线发生故障时，减小停掉的范围。缺点是当风电场扩建时，需要向两边均衡扩建；一段母线发生故障时，其还是需要所在回路还是需要停电；任一断路器检修时，所在回路都需要停电。当对可靠性要求性不高时，可用分段隔开开关。对可靠性要求高时，可以用分段断路器。本次设计一，

12、采用了单母线分段形式。4）双母线双母线的优点是运行的方式可靠，可以通过倒母操作来实现母线发生故障或者检修时不停电；调度灵活，扩建时不需要像单母线分段接线那样需要均衡扩建。其缺点：任一断路器检修时，其所在回路仍然需要停电；倒母操作比较复杂，容易出现误操作，导致人身和设备安全。增加了大量的隔离开关。本次设计二采用了双母线接线形式。5）双母线两分段双母线两分段除了具有双母线的优点以外，还具有减少停电范围的优点。但相比于双目线用了更多的开关元件。此次设计三采用了双母线分段接线。3.3设计方案1）方案1图1-1 单母线分段接线形式2）方案2图1-2 双母线接线方式3）方案3图1-3 双母线分段这接线形式

13、3.4方案选择1)可靠性：方案1当母线检修时可以减少停电范围。方案2当母线检修或者发生故障时可以通过倒母操作，来实现不停电。方案3在方案2的基础上可以减小母线发生故障或检修时，倒母的范围。2灵活性方案1当电厂需要扩建时需要均衡扩建，且当断路器检修时，所在回路不需要停电。方案2因为有两条母线，所以不需要像方案1那样均衡扩建，且当线路断路器故障时候，可以不停电。方案3如方案2一样。3经济性方案1是最经济的。方案2用了大量的开关性元件。方案3在方案2的基础上多了分段断路器，和两个母联隔离开关。综合以上因素，我采用了方案2为此次风电场的主接线设计方案。第四章 主接线设备的选型4.1风电场设备风电场设备

14、包括箱式变压器，主变压器和架空线。箱式变压器将风机的出口电压690v提高到35kv，在通过主变压器升高到110kv，架空线将电能输送到电网中。4.2箱式变压器箱式变压器的容量按照风力发电机的额定功率扣除本机组所需要用的电量，留有10%的裕度。本次采用的风力发电机西门子SWT-2.3-93型风力，发电机的单机容量为2.3MW,其所拥的机组负荷为其单机容量的3%，功率因数为0.85，所以可求得箱式变压器的容量为S集=1-3%2.31031.10.85=2887KVAR,此次设计采用了由S11-3150/35系列三相油浸无载调压的箱式变压器。型号连接组空载损耗负载损耗空载电流阻抗电压（kw）（kw）

15、（%）（%）S11-3150-35Yd112.924.60.27表1-1 箱式变压器型号参数4.3 主变压器本次设计主变压器与变电所之间的连接采用了外桥式接法，两台主变压器互为备用。当其中一台变压器需要退出运行时，另一台主变压器应能够承担总传输功率的70%的容量。所以此次设计的主变压器容量应为S主=1-3%202.31030.7/0.85=36745KVA，我采用了SFZ10-40000/110的型号。其具体数据如下：型号电压组合及分接范围连接组空载损耗负载损耗空载电流阻抗电压kv(kw)(kw)(%)(%)高压低压SFZ10-40000/11011081.25%6.3,6.610.5,11Y

16、nd1130.7147.90.210.5表1-2 主变压器型号参数4.4导线的选型导线的选型应满足四个条件：截面积、机械强度、发热条件和电压损耗。截面积是根据经济电流密度或工作电流密度计算得到。如果导线的机械强度不够高，则导线易拉断。所以在各种电压等级下导线具有最小截面积。导体本身的电阻和其热效应，会使温度升高，从而加速导线的老化，破化绝缘。所以所选的导线型号的允许电流应大于其根据负荷计算出的电流，并应根据温度来进行校正。在35kv线路中，允许的电压变化浮动不应超过5%。 导线的截面积选取一般按照经济电流密度或工作电流密度所决定的。当负荷利用小时数5000h的时候，一般按照经济电流密度，其他情

17、况下是按照工作电流计算。而经济电流密度是按照常用的导线的经济电流密度曲线所确定的，再根据公式Sj=ImaxJ，来确定经济截面积。假设我们的负荷利用那个小时数大约在5000h左右，则j为1.03A/mm2，Imax应为其所在回路长期运行时工作电流：Imax=Sn3Un=1500 3Un= 24.74（A），所以经济截面积Sj=24.741.03=24.02mm2，所以选择LGJ-35 /6型号的导线，其数据如下：导线型号RX（/km）(/km)LGJ-35/60.90.433表1-3 导线型号及数据导线允许电流为为170A，满足其发热要求的导线允许电流为24.02A。假设铺设导线的温度为25，则

18、无须考虑温度因素，所以LGJ30/6满足发热条件要求。在35kv电压等级下，满足机械强度允许最小的截面积应为35mm2，所以LGJ30/6满足机械强度要求。电压偏移计算：(1) 一条输电线路的等值电阻和电抗分别为RL=0.924.5=22.05(） (1-1) XL=0.43324.5=10.6（） (1-2)由于输电线路长度为24.5km100km。故可以忽略电纳的影响。所以，一条输电线路的功率损耗为 SL=S一台U352RL+jXL=2.3352(22.05+10.6)(1-3)=0.04+0.02j（Mvar）(1-3)线路总损耗：SL总=20SL=200.04+j0.02(1-4)=0

19、.8+j0.4（Mvar）(1-4)线路末端输出功率:S1=46-(0.8+j0.4)=45.2-j0.4（Mvar）(1-5)线路侧电压损耗：UL1=(PLRL+QLXL)U35=2.322.0535=1.18kv(1-6)(2)一台箱变的等值电阻、电抗、及励磁功率R箱变=PSVN21000SN2=24.635210003.152=3.04（）(1-7)X箱变=VS%VN2100SN=73521003.15=8.64（）(1-8)S0=P0+jI0%SN100=0.0029+j0.23.15100(1-9) =0.003+j0.0063（Mvar）(1-9)一条输电线路经过线路损耗后的剩余功

20、率为：S=2.3-SL=2.3-0.04-0.02j=2.26-0.02j(1-10)一台箱变的阻抗损耗： S箱变=SU352(RT+jXT)(1-11) =（2.262+0.022）352(3.04+j8.04)(1-11) =0.013+j0.034（Mvar）(1-11)箱变的阻抗总损耗：S箱励=20S箱变=0.26+j0.68（Mvar）(1-12)箱变总的励磁损耗：S箱励=20S0=200.003+j0.0063(1-13)=0.06+j0.126（Mvar） (1-13)经过箱变末端的功率为:S2=SL-S0-S箱变(1-14)=45.2-j0.4-0.26-j0.68-0.06-

21、j0.126(1-14) =44.88-j1.206（Mvar）(1-14)箱变电压损耗： 由于一台箱变的励磁损耗低，所以忽略不计，所以箱变侧的输入功率为： ST1=2.3-SL=2.3-0.04-0.02j=2.26-j0.02(1-15)经过箱式变压器后的电压降落：UL2=(PT1R箱变+QT2X箱变)U35(1-16) =2.263.04-0.028.6435=0.19（kv）(1-16) (3)一台主变的等值电阻、电抗、及励磁功率R箱变=PSVN21000SN2=24.635210003.152=0.11（）(1-17)X主变=VS%VN2100SN=10.535210040=3.22

22、（）(1-18)S主=P0+I0%SN100=0.03+j0.240100(1-19) =0.03+j0.08（）(1-19)一条输电线路经过箱式变压器后的剩余功率：S=2.26-j0.02-0.013-j0.034(1-20) =2.247-j0.054（Mvar）(1-20)两台主变的阻抗损耗： S箱变=SU352(RT+jXT)(1-21) = 2.2472+0.0542352 0.11+j3.222(1-21) =0.013+j0.034（Mvar）(1-21)两台主变的励磁损耗：S主励=2S主=0.06+j0.16（Mvar）(1-21)经过主变后的电压损耗： ST2=S-S主励(1

23、-22) =2.247-j0.054-0.06-j0.16 (1-22) =2.187-j0.214;(Mvar)(1-22)式中，S为一条输电线路经过箱式变压器后减去主变励磁损耗的功率UL3=PT2R主+QT2X主U35(1-23) =2.1870.11-0.2143.2235(1-23) =-0.449kv(1-23)所以总的损耗：（忽略两台主变的阻抗损耗中的电阻损耗） S总=SL+S箱阻+S箱励+S主变+S主励(1-22) =0.8+j0.4+0.26+j0.68+0.06+j0.126+j0.027+0.06+j0.16(1-22) =1.18+j1.393（Mvar）(1-22)总的

24、电压偏移：UL=UL1+UL2+UL3(1-25) =1.18+0.19-0.449=0.921(1-25)因为电压偏移满足35kv，偏移电压不大于5%的额定电压。所以LGJ-35/6符合条件。第五章 主接线设备校验5.1 短路简介 短路是一切非正常相与相之间或者相与地之间的发生通路的情况。短路故障的类型可以分为以下几点：单相接地短路故障，两相短路接地故障，两相短路故障，三相短路故障。单相接地短路故障发生的几率约有70%，其次两相短路，三相短路。三相短路故障最为严重。当发生短路故障时，产生的短路电流会比额定电流数值大好几倍，是电压大幅度下降，或者引起更为严重的后果大面积停电等影响。所以通过设计

25、通过算出其等值阻抗图的各个短路点的三相短路电流，来作为选择断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器等器件选取的依据。5.2 等值阻抗图及标幺值计算图3-1 短路点示意图基准容量：Sj=100MVA基准电压：取各级的平均电压负荷以额定标幺电抗为3.05，电势为0.8的综合负荷表示发电机的电势以1.08表示1） 一台风力发电机的标幺值的计算：If=10030.690.85=83.674(kA)(4-1)Ie=2.330.690.85=2.26(kA)(4-2)I=5Ie=11.30(kA)(4-3)XG=IfI=If5Ie=7.40(4-4)2)一台箱式变压器的电抗标幺值的计算X箱变=Vs%SB1

26、00S箱变=71001003.15=2.22(4-5)3）一台风电机连接到35kv配电柜的线路电抗标幺值计算:X线=0.39524.5100352=0.79(4-6)4）一台主变压器的电抗标幺值计算X主=VS%SB100S主=10.510010040=0.26(4-7)所以20台风机，20台箱变和20条线路的总标幺值X集电线路=（XG+X箱变+X线）/20(4-8) =7.40+2.22+0.7920=0.52(4-8)两台并联运行的主变的电抗标幺值：X主并=0.262=0.13(4-9)5.3 A、B、C三点的三相短路电流计算:图3-2 A点短路示意图A点短路计算A点为风机和箱变之间短路点，

27、风机侧为低压侧，不予考虑。风机和短路点距离很短，忽略这段电抗。故障输电线路A点右侧的箱变电抗和输电线路电抗：X故=X箱+X故障线路=2.22+0.79=3.01(4-10)A短路点右侧的19台风机，箱变组成的电路：X19台风机=（XG+X箱变+X线）/19(4-11) =7.40+2.22+0.7919=0.548所以等效电抗为：X等效=X一台箱变+X故障线路+（X主变/X19台风机）(4-12) =3.01+0.13/0.548=0.312(4-12)短路点的总的起始次暂态电流为：IA=13.12=0.32(4-13)基准电流：IB=SB3Vav=100337.5=1.54（kA）(4-14

28、)冲击电流:I无穷大=2KshIAIB=21.80.321.54(4-15) =1.25KA(4-15)式中，Ksh为高压时取1.8。B点短路计算：图3-3 B点短路示意图B点短路计算(1)三相短路计算：短路点距离35kv母线4.5km处：B短路点右侧的无穷大系统，由其提供的起始次暂态电流： I无穷大=1X无穷大=10.13=7.69(4-16)B短路点右侧的19台风机，箱变组成的电路： X19台风机=（XG+X箱变+X线）/19(4-17)因为故障点的距离距离20条输电线路汇合点短，其等值阻抗可忽略不计。由发电机提供的起始次暂态电流： I=E发X19台风机=1.080.548=1.97(4-

29、18)故障输电线路风机当负荷处理，负荷以额定标幺电抗为0.35，电势为0.8： X线=0.39520100352=0.64(4-19)故障回路：X故=XG+X箱变+X线=7.40+2.22+0.64=10.26(4-20)由故障发电机提供的起始次暂态电流： I=E发X故=1.0810.26=0.11(4-21)短路点的总的起始次暂态电流为： IB”=I“+I变”+I=1.97+7.69+0.11=9.77(4-22)计算冲击电流：发电机冲击系数为1.8I发=1.82IIB(4-23)=1.822.081.54=8.15（kA）(4-23)无穷大系统冲击电流: I无穷大=2KshI无穷大”IB(

30、4-24)=21.87.691.54=30.14KA(4-24)式中，Ksh为高压时取1.8。ish=I发+I无穷大=30.14+8.15=38.29（KA）(4-25)图3-4 C点短路示意图由发电机提供的起始次暂态电流：I=E发X集电线路=1.080.52=2.08(4-26)由无穷大系统起始次暂态电流为：I无穷大”=1X无穷大=10.13=7.69(4-27)短路点的总的起始次暂态电流为：IC=I“+I变”=2.08+7.69=9.77(4-28)基准电流：IB=SB3Vav=100337.5=1.54（kA）(4-29)起始次暂态电流的有名值：IC=9.771.54=15.04（kA）(4-30)计算冲击电流：发电机冲击系数为1.8 I发=1.82IIB(4-31)=1.822.081.54=8.15（kA）(4-31)无穷大系统冲击电流I无穷大=2KshI无穷大”IB=30.14（KA）(4-32)式中，Ksh为高压时取1.8。ish=I发+I无穷大=30.14+8.15=38.29（KA）(4-33)两相短路计算：图3-5 正序等值阻抗图图3-6 零序等值阻抗图X1=0.13/0.52=0.104(4-34)X