电气工程及其自动化专业300MW海上风电场电气主接线设计毕业设计8

PAGE毕业设计[论文]任务书姓名

朱刚

专业

电气工程及其自动化指导教师

张红

学号

入学时间10年3月站点（院系）

昆山

一、课题名称(论文标题)300MW海上风电场电气主接线设计二、课题内容随着不可再生能源资源的日益消耗，风力发电作为一种清洁的发电方式，已越来越受到世界各国的欢迎。与此同时，海上风电备受重视，虽然海上风电场电气设计与陆上风电场的原理相同，但由于海上环境因素和风机布局的影响，以往设计方法并不一定适合海上风电场。所以有必要进行针对海上风电场电气主接线设计的探讨。海上风电场的电气设计主要包含几个方面：风力发电机组升压方式、风电场汇流电缆（集电线路）选择、风机分组及连接方式、风电场入网方式等等。海上风电场汇流线路方案无一例外采用海底电缆敷设方式。虽然海底高压电缆的成本很高，但可靠性也高；海上汇流电缆线路结构主要有3种常用方案：链形结构、单边环形结构和双边环形结构。链形结构因简单，造价低，被陆上风电和海上风电广泛采用。风力发电机分组多为靠风机的排布位置、结合海上土建施工的便捷性，由微观选址制定。本文主要针对开发中的江苏沿海某300MW海上风电场（海上升压站平台）电气主接线进行设计，通过对风机的分组和连接方式、风电场汇流线路方案、风电场短路电流计算以及主要设备选取原则等问题进行具体的讨论，提出两种关于风机分组连接、汇流线路设计的可行方案。并借鉴现有海上风电场的数据，对方案进行技术和经济方面的比较，确定最终方案。陆上部分变电/开关站预留了扩建二期间隔和光伏发电送出通道，原则为一期预留二期建成，具体不在设计范围内。三、课题任务要求1、观点正确，论证充分，信息来源可靠2、结构合理，逻辑严密，用数据说话3、有新颖性，并满足一定的阅读量四、同组设计者无五、主要参考文献[1]风力发电场设计技术规范(DLT_5383—2007)，中电联；[2]风电场接入电力系统技术规定（报批稿）；[3]国家电网公司，风电场接入系统设计内容深度规定（修订版）；[4]大型风电场并网设计技术规范（NB/T-2010）；[5]国家电网公司，风电场电气系统典型设计（ISBN：9787512318489）；[6]朱永强,张旭《风电场电气系统》.机械工业出版社2008；[7]许瑞林.江苏省海上风电发展前景与展望；[8]东海大桥海上风电场工程；[9]刘海东《江苏沿海风电开发的可行性分析》.北京,华北电力大学，2006；[10]PredragDjapic,GoranStrbac《CostBenefitMethodologyforOptimalDesignofOffshoreTransmissionSystems》.FUNDEDBYBERR,July2008；[11]所有风资源数据和信息均来自国家发改委能源局、中国风力发电、欧洲风能协会、中国再生资源网、中国新能源与再生资源网、江苏省发改委、全球风能协会、东台市气象局、日本风能协会、澳大利亚风能协会、清洁能源网社区、国家电网公司、中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会等网站.指导教师签字

______教研室主任签字

年

月

日摘要随着不可再生能源资源的日益消耗，风力发电作为一种清洁的发电方式，已越来越受到世界各国的欢迎。与此同时，海上风电备受重视，虽然海上风电场电气设计与陆上风电场的原理相同，但由于海上环境因素和风机布局的影响，以往设计方法并不一定适合海上风电场。所以有必要进行针对海上风电场电气主接线设计的探讨。海上风电场的电气设计主要包含几个方面：风力发电机组升压方式、风电场汇流电缆（集电线路）选择、风机分组及连接方式、风电场入网方式等等。海上风电场汇流线路方案无一例外采用海底电缆敷设方式。虽然海底高压电缆的成本很高，但可靠性也高；海上汇流电缆线路结构主要有3种常用方案：链形结构、单边环形结构和双边环形结构。链形结构因简单，造价低，被陆上风电和海上风电广泛采用。风力发电机分组多为靠风机的排布位置、结合海上土建施工的便捷性，由微观选址制定。本文主要针对开发中的江苏沿海某300MW海上风电场（海上升压站平台）电气主接线进行设计，通过对风机的分组和连接方式、风电场汇流线路方案、风电场短路电流计算以及主要设备选取原则等问题进行具体的讨论，提出两种关于风机分组连接、汇流线路设计的可行方案。并借鉴现有海上风电场的数据，对方案进行技术和经济方面的比较，确定最终方案。陆上部分变电/开关站预留了扩建二期间隔和光伏发电送出通道，原则为一期预留二期建成，具体不在设计范围内。关键词：海上风电场，汇流系统，电气设计，经济技术比较，设备选取原则AbstractWiththepossibleconsumptionofrenewableenergyresources,increasingly,windpowerasacleanrenewableenergypowergeneration,moreandmorecountriesaroundtheworldhavebeenwelcomed.Atthesametime,offshorewindpowerhasattractedincreasingattention.Althoughoffshorewindfarmsonshorewindfarmelectricaldesignandthesameprinciple,butbecauseofthelayoutofoffshoreenvironmentalfactorsandtheimpactofthefan,thetraditionaldesignapproachisnotnecessarilysuitableforoffshorewindfarm.Therefore,theneedforoffshorewindfarmforthedesignofthemainelectricalwiring.Offshorewindfarmelectricaldesignmainlyincludesseveralaspects:windturbinestep-upapproach,windconvergencecable(collectorlines)options,fangroupsandtheconnectionofthewindfarmnetworkandsoforth.Offshorewindfarmprogram,withoutexception,theuseofconverginglinessubmarinecablelayingmethod.Althoughthehighcostofsubmarinehighvoltagecable,butthereliabilityishigh;seacablelineconvergencestructureTherearethreecommonscenarios:chain-shapedstructure,unilateralandbilateralring.Chain-shapedstructureissimple,lowcost,isonshorewindandoffshorewindpowerwidelyused.Windturbinefangroups,mostlyarrangedbylocation,combinedwiththeconvenienceofmarinecivilconstruction,developedbythemicro-site.Heremainlyforthedevelopmenta300MWoffshorewindfarmoftheJiangsucoast(step-upstationoffshoreplatform)mainelectricalwiringdesign,throughthefangroupandconnection,windconvergencelineoptions,calculatingshort-circuitcurrentandthewindfarmmasterdeviceselectthespecificissuessuchasthecalculationanddiscussion,proposedtwogroupsoffanstoconnect,convergencecircuitdesignoptions.Andlearnfromexistingoffshorewindfarmdata,theprogramoftechnicalandeconomiccomparison,todeterminethefinalplan.Onshorepartofthesubstation/switchingstationreservedforexpansionoftwointervalsandsentPVchannel,butnotwithinthescopeofthisdesign.Keywords:offshorewindfarm,thebussystem,electricaldesign,economicandtechnicalcomparison,theequipmentselection目录摘要……………………I引言……………………1一、概述………………21.设计背景和意义…………………22.海上风电场电气主接线设计现状………………3二、300MW海上风电场介绍及主要设备选型………71.海上风电场基本资料……………72.电气主接线设计…………………73.场用电设计………………………114.主要设备选型……………………11三、300MW海上风电场接线方案……………………141.概述………………142.汇流线路方案描述及比较………143.风电机分组和连接方案比较……………………18四、短路电流计算及主要电气设备的选取…………261.短路计算说明……………………262.系统等值阻抗电路图……………273.短路电流的计算…………………284.主要220kV电气设备的选取要求………………32结束语…………………35致谢……………………36参考文献………………37引言本文在通过对江苏沿海地区某一300MW海上风电场电气方面的设计优化及其所面临的问题、设计意义等内容的基础上，对风电场电气设计的几个重要部分进行了讨论，其中主要包括以下部分内容：1、确定海上风场所布置的机型、主接线、海上汇流线路形式及主变；2、讨论了海上风电场风机的分组和连接方案，并从经济和技术上进行比较；3、进行了短路电流的计算,用以选择和校验所选电气设备的相关参数；4、对选定的汇流线路接线方式进行优化，以降低造价。一、概述1设计背景和意义风力发电是世界范围内发展速度最快的新能源，目前已有100多个国家和地区开始发展风能发电，主要市场集中在欧洲、亚洲和北美洲。海上风电则代表了当今风能发电技术的最高水平，要求设备高可靠、易安装、易维护，市场规模极大，风险也很高，因此备受各国关注。随着我国风电产业优惠和激励政策的相继出台以及2006年1月1日《可再生能源法》的颁布实施，风力发电得到了飞跃发展。2010年10月12日，全球风能理事会和国际环保组织“绿色和平”在京发布《全球风能展望2010》报告，2010年年中中国风电装机容量已达3000万千瓦，提前10年完成了我国原先规划的2020年风电装机容量达2000年哥本哈根湾建成全球第一个商业化运作的海上风电场至今，海上风电发展最快的英国2010年装机突破100万千瓦。而截至2010年底，中国海上风电装机容量仅为14.25万千瓦，在2010年世界海上风电装机350万千瓦中只占4%左右。中国海上风资源储量丰富，据初步测定有7亿千瓦，是陆地风资源储量的2到3倍。而根据中国气象局风能资源详查成果，测得我国5米到25米水深线以内近海区域、海平面以上50米高度风电可装机容量约2亿千瓦，70米以上可装机容量约5亿千瓦。海上风电的优势是：年利用小时长，风速较陆上更高，风切变更小，湍流强度小，有稳定的主导方向，因此机组运行稳定、寿命长，不需要很高的塔架，单机能量产出较大。根据“十二五”可再生能源规划，风力发电将作为可再生能源的重要新生力量继续获得大力发展，规划2015年中国海上风力电装机500万千瓦，规划到中国已建和在建的海上风电项目有上海东海大桥10万千瓦项目、江苏如东潮间带15万千瓦示范项目以及2010年国家发改委启动的首轮100万千瓦海上风电招标项目。有专家断言，随着海上风电的加速发展，风电将成为沿海一带省市未来能源供给的主要来源。至2020年，我国将是欧洲之外惟一一个快速发展的海上风电市场，特别是未来5年，我国海上风电将进入加速发展期。东部沿海特别是江苏沿海滩涂及近海具有开发风电非常好的条件，不占用土地资源，且接近沿海用电负荷中心。根据江苏省海上风电发展规划前期研究成果，江苏省海上风电可开发容量约1800万千瓦，其中，潮间带可开发250万千瓦，近海可开发1585万千瓦，预计到2020年，江苏省在潮间带和近海将建成约700万千瓦海上风场，规模化开发千万千瓦级风电基地的基本条件已经具备。我国风力发电事业的发展只是近五年的事情，且相应的风电场电气设计也是在近几年才真正发展起来，因此还不成熟。陆上风电场电气设计仅有一部风电场接入电力系统技术规定（征求意见稿）作为参考，海上风电场设计更是没有可依据的设计指导文件。虽然海上风电场电气设计与传统的陆上风电场在原理上是相同的，但是海域使用、海洋环境保护以及海底电缆管道等海上环境的特殊性，又决定了实际工程设计的不同，陆上风电设计的经验，并不能简单地移植到海上风电设计中。已经建成的海上风电场电气设计有很多地方由于没有经验可参照，都是按照传统陆上风电场甚至是传统变电站的设计方法来进行，直接“山寨”国外海上风电场设计又存在水土不服和设备选型的尴尬。风电场电气主接线设计良莠不齐，无规可循，甚至某些设计院照搬照抄地把陆上风电场电气设计的缺陷带到了海上风电。海上风电场电气设计方面水平的提高，对于整个风电建设事业进一步发展有着重大的意义，其主要表现在以下几个方面：（1）海上风电场的选址、风机安装点的选址主要是从风资源、海域规划使用的角度去考虑，而关于海上风电场内的电气接线方案、风机布置方案的设计研究可为其提供参考；（2）现已设计的许多海上风电场的风机分组、接线方式都采用了比较直观的方案，但缺乏经济性、可靠性方面的综合考虑和比较。海上风机分组、接线的设计探讨为今后的工作提供一种参考；（3）为海上风电场的风力发电机的选型、海底电缆优化和大幅降低工程造价提供参考。海上风电大规模、迅速的建设，要求设计尽快成型，从而减少设计进度与工程建设进度的矛盾，加快海上风电场建设的速度，提高工程建设和管理的效率，以更快地收益。2海上风电场电气主接线设计现状海上风电场电气主接线的设计主要分以下几个方面：风力发电机组升压方式、风电场汇流线路选择、风力发电机分组及连接方式和陆上入网方式等。风力发电机组升压：由于发电机和电力变流设备的限制，现国内外主流风力发电机组出线电压多为690V，若直接汇总并接入风电场的升压站，则电能损耗过大，且导体的截面过大，无法满足安装要求。虽然海上风机单机功率一般在2.5MW以上，如3.6MW的发电机出口电压达到3000V，但也是同样原因须将电压升高至35kV甚至110kV或更好电压才能接入电网。从年运行费用上比较，在经济输送容量的范围内，35kV方案线损和投入较小，且维护工作较少。因此，现国内外风力发电机组升压多采用35kV方案（欧洲普遍采用20kV、34.5kV和66kV）。国外有少数分布式设置风机的实验，不考虑主变和汇集送出通道，将风机输出直接升压至110kV并网。这样的结果会导致风机的频繁离并网，使得风机的总发电量降低，对主电网电能品质影响大。图1-1国外某海上风电场升压站平台海上风电场接线：汇流线路结构一般有3种常用方案：链形结构、单边环形结构和双边环形结构。链形是已建风电场中采用最多的一种连接方法。陆上风电场多用此设计是因为结构简单，成本不高，其基本思想是将一定数目的风力发电机（包括其附带升压变压器）连接在一条电缆之上。主要问题是每条链上的风机数目受到地理位置、电缆长度、电缆容量等参数限制。环形设计比链形需要的电缆规格更高、长度更长，因此成本较高，但因其能实现一定程度的冗余，可靠性较高。其中，单边环形结构是将链形中每串尾部的风力发电机通过电缆接回汇流母线，双边环形结构是将链形中两相邻串的尾部风力发电机相连，而造价均较高。图1-2汇流线路常用结构风电场汇流线路选择方面，陆上风电场汇流线路方式一般采用架空线或电缆敷设这两种。海上风电场由于复杂恶劣的的自然条件等海况限制，加之风速大，风电场年利用小时数较高，检修线路对发电量造成的损失较大，在考虑建设造价、施工难度、运行成本等诸多因素后，国外海上风电场汇流线路均选用可靠性高的电缆敷设方案。风力发电机分组多为靠风机的排布位置、结合现场施工的便捷性制定，再由微观选址结果决定。大多数情况下，要尽量使风机均匀地分部到各个汇流支路上，以免造成风场运转时由于各条支路电量和潮流不均而造成的冲击。合理的进行风机分组可以减少出线断路器台数，使风电场海底高压电缆投资尽量节省，从而优化了主接线设计。二、300MW海上风电场介绍及主要设备选型1风电场基本资料江苏沿海地区某海上风力发电场一期位于某市的一个镇行政区内，西距其沿海经济开发区海岸线32-35公里（根据国家海洋局和国家能源局联合出台的《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》规定海上风电场原则上应在离岸距离不少于10千米、滩涂宽度超过10千米时海域水深不得少于10米的海域布局和已经上报待批的江苏省级2010年至2020年海洋功能区划要求，调整后的用海范围，较原规划向深海推进12-15公里），用海面积约60平方公里，海底地势延伸平缓，基本属于近海风电场。风电场区域水深5-25米，90米高度年平均风速约8.6米/秒，年有效风速小时数8248小时（3.5米/秒~25米/秒），年等效满负荷小时数大于2600小时。风电场海域属北亚热带和太平洋暖温带季风气候，冬冷夏热，春温多变，秋高气爽。常年平均气温14.6℃现设计海上风电场一期总装机容量302.4MW，使用3.6MW双馈变速型风力发电机组84台，分布在大约60平方公里的近海，风电场风机汇流采用35kV海底电缆线路。根据海上风机微观选址结果，84台风电机组设计分8条汇流回路，220kV分相式复合光纤海底电缆线路总长约35公里，35kV复合光纤海缆总长度约50公里。海上风电场一期有220kV升压站一座（升压平台），设计两台容量为150000kVA的主变压器和220kV以及35kVHGIS组合电器。电能由海上风电场升压站平台经陆上配套的变电/开关站往江苏苏北某500kV变电站220kV母线送出。由于该沿海滩涂每年以80米2电气主接线设计电气主接线又称一次接线，它是电厂变电站（升压站），电力系统传递电能的通路，主接线是发电厂变电站电气部分的主体，其中包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离开关、互感器等主要设备，变电站的电气主接线应根据该站在电力系统中的地位、变电站的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。海上风电场升压站实质上为终端变电站，当能满足风机启动、电能送出和继电保护要求时，宜采用断路器较少的分支接线。鉴于单一的海上风电场的容量较大，且配有两台主变的情况，故海上升压站宜选用单母接线方式，220kV母线避雷器和电压互感器，宜合用一组隔离开关，以减小海上平台面积。此组合方式有着接线简单清晰，设备少，投资省，运行操作简单和便于扩建的优点，适用于海上风电场的主接线设计方式。海上升压站及陆上变电/开关站的主接线图如下:图2-1.陆上变电/开关站主接线图图2-2.海上升压站平台主接线图图2-3.风机分组主接线3场用电设计场用电接线见图2-2.场用电电源取自35kVI段母线和35kVII段母线，保证了两个相对独立电源供电，低压侧采用单母线分段的接线形式，部分重要负荷可在低压侧I段母线，II段母线各取一回，保证供电的可靠性。4主要设备选型（1）风电机组的选型现选择由某风电制造公司生产的SEC-W-3600型3.6MW风冷双馈风力发电机，主要技术数据如下:额定功率3.6MW额定效率97%冷却方式IC616定子/转子额定电压3000V/674V定子/转子额定电流573A/定子输出频率50Hz转子开路电压1927V定/转子接线方式Δ/Y额定转速1800r/min直轴同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗Xd=1.129，Xd’=0.047，Xd’’=0.047交轴同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗Xq=1.129，Xq’=0.047，Xq’’=0.047绝缘等级H发电机防护等级IP54滑环防护等级IP23重量210t运行转速范围1000~2000r/min运行环境温度-30~40（2）风机箱变的选型风机出口电压为3000V，所以需要为风机提供一变压器以达到汇流线路的额定电压,具体数据如下:表1.风力发电机美式箱变参数型号SRM-M-3700/35容量（kVA)3700接线方式Dyn11抽头电压(kV)35+2*2.5%/3短路阻抗（%）5.23空载电流（%）0.23%空载损耗（W）2228（3）主变压器的选型海上风电场一期的总功率为302.4MW，所接电网电压为220kV，以此数据选择主变压器，具体数据如下:表2.风电场主变压器参数型号SFP7-150000/220容量（MVA)150接线方式YNd11抽头电压(kV)230±8*1.25%/35空载电流（%）0.65空载损耗（kW）140负载损耗（kW）450短路阻抗（%）13.6高压侧容量（MVA)150电压等级（kV）220/35冷却方式ONAF表3.风电场场用变压器参数型号参数容量（kVA)400接线方式Dyn11抽头电压(kV)35/0.4短路阻抗（%）12.04空载电流（%）1.45空载损耗（W）1130海上升压站平台布置见下图。平台上设有五个模块和主变、场用变间隔，电缆进线和防火系统专设一室。平台下部有220kV和35kV电缆进线转接器。220kV和35KvHGIS模块分别安装有两个电压等级的组合配电装置。控制和保护系统模块内安装有继电保护、SCADA-RTU和包括蓄电池在内的UPS系统。具体这里不做讨论。图2-4.海上升压站平台布置示意图三、300MW海上风电场接线方案1概述此设计的模拟海上风电场的容量较大，但由于海上风电的特殊性，风电场接入电网对系统的影响也不可小觑。因此，在离岸距离达35km以上该设计风场为近海风电场，属于近海域。由于离岸较远和海域使用限制，也为了后续的运行维护交通方便，故风机没有采取狭长的布置方式，而是风机布置得相对十分集中，大部分风机距风电场升压平台较近，以规则的阵列布局。本设计根据风电场的装机规模确定采用的升压级数，风电场需设置汇流线路，风机的分组和布置也有多种方案。2汇流线路方案描述及比较（1）方案描述由于海上风电的特殊性，在海水中大量架设塔杆很不现实，故本设计不考虑架空线和电缆与架空线的经济技术比较。风电场的风机至升压站平台之间的汇流线路以及上岸送出线路均采用电缆方案。电缆由于埋设在海底，不受周围环境影响，可靠性较高；电缆对地电容较大，发生单相接地故障时，电容电流较大，并且发生单线接地故障通常以永久故障为主，因此不可以采用中性点不接地方式，只能采用消弧线圈接地或电阻接地方式,无形中降低了可靠性；太平洋表层年平均水温为19.1℃，除海底火山口周边外，一般海水温度随着水深逐渐降低。由于本风场海域海底均为泥沙淤积，导热系数大、易于电缆散热，海底电缆埋入海底淤泥之下，不仅散热好且无跨越，因此不考虑发热和机械强度校验，短距离电缆在截面积满足要求时，一般也无需进行电压损失校验高压海底电缆造价异常昂贵，且铺设复杂，相同截面导线载流量不宜多。本设计中电缆导线截面积不宜过大，220kV宜选择单根电缆，35kV宜选择三相电缆，以降低造价。根据项目规划后预可研微观选址结果，风机布局有4排和5排两种方案，见下图。图3-1风机布局方案风电场行列间距各600米，根据土建专业设计结果，海上升压站平台安装在B排和F排之间，综合风机微观布局要求，得到下表的数据。表4.风机布局方案一排号风机数量(台)本排总功率（MW）本排总负荷（A）线路总长（米）A排（E排）1139.6653.36900B排（F排）1139.6653.36300C排（G排）1036593.96300D排（H排）1036593.96900风机布局方案二A排（F排）932.4534.55700B排（G排）932.4534.55100C排（H排）828.8475.15100D排（I排）828.8475.15700E排（J排）828.8475.16300（2）经济比较：1）导线的选择由于本地区海面上90米高层平均风速为8.6米/秒，年有效风速可利用小时数达8248小时，最大负荷年利用小时Tmax＝2600h（实际大于此数据，这里仅计算参考），经济电流密度220kV电缆选J=1.68，35kV电缆选J=1.64。略方案一方案二线路正常工作电流（A）653.3593.9534.5475.1电缆截面积（mm2）398.35362.13325.92289.7220kV电缆（单相）选择为日本J-PowerSystems公司的PPLP1*500复合纸绝缘电缆,查得允许长期载流为763A，正常允许的最高温度为90℃，r=0.037Ω/km，x=0.07Ω/35kV电缆（三相）选择为两种截面，正常允许的最高温度均为90℃，具体型号和参数见下表电缆型号截面（mm2）允许电流（A）r（Ω/km）x（Ω/km）ZS-YJQF-26/353*4006890.04700.3266ZS-YJQF-26/353*3005750.06010.3485略鉴于前述的海底敷设理由，无需计算电缆载流修正系数，载流量即可满足长期发热要求。2）电缆价格方面:220kV电缆（单相）选择为日本J-PowerSystems公司的PPLP复合纸绝缘电缆共105km，约780万元/km，总造价约为81900万元两个方案的35kV电缆造价见下表7。电缆型号单价方案一方案二长度造价长度造价ZS-YJQF-26/353*400130万元/km23432万元km万元ZS-YJQF-26/353*300122万元/km26.43220.8万元55.86807.6万元总造价6652.8万元6807.6万元由此可见，220kV大截面超高压电缆十分昂贵，而且还不包括敷设施工等费用。两个方案中35kV中压电缆造价差距不大。小结电缆线路需要较大投资，尤其是超高压海底电缆，但在海上风电场设计中还必须优先考虑此方案，如：离岸较远的海上风场及风力影响较大且不允许采用架空线路的地区。另外，还需根据造价、施工、便于检修以及可靠性等综合考量对电缆方案进行优化。3风电机分组和连接方案比较根据该海上风电场的微观选址、现场情况及平均分组的原则，现将风机按所在汇流电缆线路分为8回和10回，分属方案一和方案二，以确定何种方案更具实际经济技术意义。（1）方案描述风电场的风机排列各异，有阵列布置，也有线性布置，合理选择风机分组和风机连接型式，可以使风电场电缆投资尽量节省。风电场的风机分组及连接方式视微观选址结果而定。从陆上风电场和海上风电场的设计经验综合来看，连接方式基本上均采用链形。这里优先采用图1-2（a）所示的链形结构。将若干风力发电机连接在同一条汇流电缆上，整个风电场的电能通过若干条电缆线路送到汇流母线上，汇流电缆的额定功率须大于所连接风机的总功率。该连接的优点是操作简单、投资成本较低；缺点是可靠性不高，如果电缆的某处发生故障，那么整条汇流线路都将被迫切除，与其相连的所有风机都将停运。所以对海底汇流电缆的质量可靠性要有极高的保证。（2）方案比较1）技术比较略线路计算采用等效简化法，在计算过程中可将电路简化：略现比较两种35kV电缆方案的无功损耗及电压偏差值:表8：方案一线路参数电缆长度电缆电阻电缆电感表9：方案二线路参数电缆长度电缆电阻电缆电感由于线路长度远小于100km图3-4等效电路根据公式可计算出各线路的损耗和线路总损耗，表10：电缆线路电压分布（kV）线路损耗（MVA）线路总损耗（MVA）方案一A排（E排）0.3660.415+j2.8883.264+j20.799B排（F排）0.3350.379+j2.637C排（G排）0.3890.4+j2.326D排（H排）0.4260.438+j2.548方案二A排（F排）0.3170.293+j1.7052.451+j14.542B排（G排）0.2830.262+j1.525C排（H排）0.2520.207+j1.205D排（I排）0.2810.232+j1.347E排（J排）0.3110.232+j1.489风电场总容量为方案一线路末端的输出功率为:方案二线路末端的输出功率为:用公式计算线路侧电压分布:方案一D（H）排方案二A（F）排变压器内的功率损耗为:方案一方案二计算略通过计算得出有功、无功损耗和电压偏差，表11:方案一方案二有功损耗3.264MVA2.451MVA无功损耗20.799MVA14.542MVA电压偏差0.426kV0.317kV2）经济比较，表12：项目方案一方案二海底电缆(万元)6652.86807.6HGISSF6断路器(套*万元）8*36010*360HGISSF6电流互感器(套*万元）8*8010*80总价（万元）10172.811207.6由于方案一和方案二结构上没有大的不同，因此各风机之间的熔断器-负荷开关数量相同，这里没有将其纳入经济比较。从数据可见，方案一和方案二使用电缆长度相差不大，尽管方案一使用了两种截面的电缆。方案二的HGISSF6断路器和电流互感器比方案一各多出了2套，海上HGIS组合电器投资成本较大。方案二大约多支出1034.8万元。但是，我们知道，链形结构的同一条汇流线路上，尾端的风机送出功率最小，而终端风机由于需要转接其他风机功率，需要承担全线路的额定功率。因此，如果对风机进行分组，见图3-5.所示，对电缆截面选择进行优化。图3-5汇流电缆组合优化风机组合优化后35kV截面选择见下表（风机布局方案一），表13：风机组合数量(台)组合功率（MW）组合负荷（A）电缆计算截面（mm2）电缆选定截面（mm2）13.659.436.213527.2118.872.470414.4237.6144150518296.9181.06185725.2415.7253.48240828.8475.1289.693001036593.9362.114001139.6653.3398.32400以D排为例，用上表数据进行电压分布计算结果见图3-6.为计算方便，忽略了电缆电感。图3-6汇流电缆截面优化后电压分布可以对组合后的风电场35kV汇流线路各电压节点进行计算，在满足节点压降的基础上，可以得到35kV电缆截面优化后的数据，表14：电缆截面（mm2）3570150185240300400A排（E排）X1200X1800X18002100B排（F排）X1200X1800X18001500C排（G排）600X1800X1800X2100D排（H排）600X1800X1800X2700总长度（米）24004800720072007200720016800电缆单价（万元/km）3037597188122130总价（万元）72177.6424.8511.2633.6878.42184表中X表示无，各截面电缆合价计4881.6万元。可以看出，仅35kV海底电缆一项，方案一优化前后的造价相差1771.2万元，经济性非常明显。小结1）方案一的8回海缆线路设计的建设造价较低，但是有无功损耗、电压偏差较大；2）方案二的有功损耗、电压偏差小，但是由于增加了HGIS高压配电设备，建设成本增加；鉴于此海上风电场容量较大，有较高的风资源可用小时数，因此对有功损耗、电压偏差没有过大的要求，宜选择造价便宜的8回海缆结构方案。在风电场内部，风机需要各自经过3/35kV箱变一次升压，然后进行分组连接，各组风机经过若干条汇流电缆线路接入升压站，在升压站经过二次升压后再经陆上开关站接入电网。设计首先对汇流电缆从技术、经济上进行了比较。然后还对风机的链形分组连接方式进行了介绍，并着重比较了两种链形方案在技术、经济上的差别，总结出了较为合理的方案，为该风电场的电气设计提供了参考。实际工程设计中，由于海上风机的分组布局涉及到地方政府的海域功能区划、国家海洋部门海域综合管理以及军队对海域范围和面积使用的限制，一旦确定风电开发海域，设计阶段就无权更改。设计虽然选择了造价较低的方案一，但如进一步通过风机重新组合，精确计算各组风机的节点电压降，在满足长期负荷和电压分布基础上从尾端向始端逐渐增大电缆截面，如此优化可以大幅降低造价，也符合少投入多产出的国情。从长期运行考虑，方案一的有功损耗、电压偏差较大也是其不足。鉴于此风电场容量较大，加之电网对风力发电场的有功损耗、电压偏差、风机低电压穿越均有较严的技术限制和要求，设计中也不应一味选择低造价的方案。四、短路电流计算及主要电气设备的选取1短路计算说明电力系统发生短路时，电压严重下降，可能破坏常规发电机并联运行的稳定性，使整个系统被解列成为几个异步运行的部分，影响发电厂出力直至无法运行。为了保证发电厂的运行，不得不切除一部分负荷。而风力发电机有其特殊性，短路电流造成的电压跌落或使风机控制系统启动自我保护，造成风机群集体脱网，对电网恢复稳定运行及其不利。短路时电压下降的越大持续时间越长，破坏整个系统稳定运行的可能性越大。为了保证电力系统安全可靠运行，减轻短路的影响，必须努力设法消除可能引起短路的隐患，还必须快速切除故障部分，使系统电压在较短时间内恢复到正常值，为此，可采用快速动作的继电保护和断路器，在常规发电厂应装设自动电压调整器，风电场选用具有低电压穿越能力（LVRT）的风力发电机，以及其他措施。短路电流计算的目的是为了在主接线设计中用来选择电气设备、选择限制短路电流的方式、设计继电保护装置和分析电力系统的故障等。选择电气设备时，一般只需近似计算该设备的最大可能三相短路电流值，设计继电保护和分析电力系统故障时，必须计算各种短路情况下系统各支路中的电流和电压分布。在进行短路电流计算时，应该根据计算要求收集有关资料，如电力系统接线图，运行方式和各元件的技术参数等。首先做出计算电路图，再做出针对各短路点的系统等值电路图，然后利用网络简化规则，化简等值电路，求出短路总电抗，最后根据总电抗即可求出短路电流值。海上风电场初步设计阶段电气主接线短路电流计算，用以选择和校验所选电气设备的动稳定、热稳定的强度等相关参数。鉴于以上方案的选择，本计算只限于方案一链式结构的数据。系统等值参数220kV系统等值阻抗(由电网提供的2010年度220kV等值参数，等值在陆上220kV开关站母线）如下：等值基准UB=230kV，SB=100MVA。大方式：X0=0.0552，X1=X2=0.0372。220kV海底电缆参数：电缆长度为35km。因无实测参数，采用厂家值，正序电阻值：0.037Ω/km；正序电抗值：0.07Ω/km，相应的标么值2系统等值阻抗电路图各电压级的基值SB、UB如下表15所示：基准容量100MVA各侧基准电压为230kV3.5kV各元件参数（正序）计算：系统侧（含220kV电缆线路）：正序电抗（标么值）＝0.0015+0.0372=0.0387零序电抗（标么值）＝0.0053+0.0552=0.0605计算略35kV电缆线路参数标幺值，由前章数据计算得表16。风机布局方案一排号线路总长（km）本段线路电抗A排（E排）6.90.0262B排（F排）6.30.0239C排（G排）6.30.0309D排（H排）6.90.0338风机布局方案二A排（F排）5.70.0279B排（G排）5.10.0250C排（H排）5.10.0250D排（I排）5.70.0279E排（J排）6.30.0309图4-1正序阻抗网络图3短路电流的计算现选择d1和d2这两个短路点进行短路电流计算（35kV母线上的母联断路器合闸运行，即主变并列）。图4-2短路点选取风机-箱变-电缆线路转移电抗计算如下图：图4-3转移电抗计算所以,其他线路依此类推。各单排风机-箱变-电缆线路转移电抗（计算过程略），表17。风机布局方案一电缆线路风机箱变线路转移电抗风机箱变线路转移电抗（等值到母线）A排（E排）0.35020.045B排（F排）0.3416C排（G排）0.3840D排（H排）0.3939风机布局方案二A排（F排）0.39620.04B排（G排）0.3868C排（H排）0.4173D排（I排）0.4259E排（J排）0.4348注：全部风机箱变线路组合电抗，为所有风机箱变和线路等值到35kV母线的电抗。d1点的短路电流计算:图4-4转移电抗化简（d1点）略d2点的短路电流计算:图4-5转移电抗化简（d2点）风机提供：计算略短路计算的成果表18：短路点位置运行方式短路电流计算参考数据冲击电流0s0.2s4sd1两台变压器并列运行3.775kA3.022kA1.77kA10.142kAd2两台变压器并列运行43.194kA28.843kA12.372kA116.045kA4主要220kV电气设备的选取要求导体和电器的选择设计，同样必须执行国家的有关技术政策，并应做到技术先进，经济合理，安全可靠，运行方便和适当的留有余地，以满足电力系统安全运行的需要，对导体和电器选择设计规定简述如下：1）应满足正常行，检修，短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展。2）应按当地环境条件检验，如海上运行维护条件。3）应与整个工程的建设标准协调一致，尽量使新老电器型号一致。4）选择导线时应尽量减少品种。5）选用新产品应积极慎重，新产品应有可靠试验数据，并经主管部门鉴定合格。导体和电器应按正常运行情况选择，按短路条件验算其动稳定和热稳定，并按环境条件校核电器的基本使用条件。基于前述各点的短路电流的计算，选取一次设备。（1）设备选择要求略（2）母线的选取略（3）断路器的选取略（4）隔离开关的选取略（5）互感器的选取略（6）其他设备的选取略小结