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1、风电场电气系统,第2讲 风电场电气部分的构成和主接线方式,制作：朱永强，张旭，申惠琪,华北电力大学,第2章 风电场电气部分的构成和主接线方式,教学目标 掌握风电场电气部分的特点和基本构成，了解电气主接线的基本概念和设计原则，理解各种电气主接线形式的特点并掌握分析方法，理解和掌握风电场电气主接线设计的基本思想和依据。,关注的问题 风电场与常规电厂的区别是什么？其电气部分的构成有哪些？电气主接线的概念和相关术语有哪些？其设计原则又是什么？常见的电气主接线形式有哪些？风电场电气主接线应如何进行设计？,2.1 风电场电气部分的构成,2.1.1 风电场与常规电厂的区别风力发电机组的单机容量小风电场的电能
2、生产比较分散，发电机组数目多风电机组输出的电压等级低风力发电机组的类型多样化风电场的功率输出特性复杂风电机组并网需要电力电子换流设备,风电场电气部分的构成 总体而言，风电场的电气部分也是由一次部分和二次部分共同组成，这一点和常规发电厂站是一样的。根据在电能生产过程中的整体功能，风电场电气一次系统可以分为四个主要部分：风电机组、集电系统、升压站及厂用电系统。目前，风电场的主流风力发电机本身输出电压为690V，经 过机组升压变压器将电压升高到10kV或35kV。,风电场电气部分的构成 风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括电力电子换流器（有时也称为变频器）和对应的机组升压变压器（有的文献称之为集
3、电变压器）。集电系统将风电机组生产的电能按组收集起来。分组采用位置就近原则，每组包含的风电机组数目大体相同。每一组的多台机组输出（经过机组升压变压器升压后）一般可由电缆线路直接并联。升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再次升高。厂用电包括维持风电场正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场运行维护人员在风电场内的生活用电等，也就是风电场内用电的部分。,风电场电气部分的构成风电场电气一次系统示意图如下图所示：其中各部分为1风机叶轮2传动装置3发电机4变流器5机组升压变压6升压站中的配电装置7升压站中的升压变压器8升压站中的高压配电装置9架空线路,2.2 电气主接线及设计要求,2.2.1 电气主
4、接线的基本概念 2.2.1.1 地理接线图 地理接线图就是用来描述 某个具体电力系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路 的路径，以及他们相互的联结 它是对该系统的宏观印象，只表示厂站级的基本组成和连接关系，无法表示电气设备的 组成,2.2.1.2 电气主接线 在发电厂和变电所中，各种电气设备必须被合理组织连接以实现电能的汇集和分配；而根据这一要求由各种电气设备组成，并按照一定方式由导体连接而成的电路被称为电气主接线。,对于电气主接线的描述是由电气主接线图来实现的。,主接线电路图用规定的电气设备图形符号和文字符号并按照工作顺序排列，以单线图的方式详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接
5、关系某些需要表示接线特征的设备则要表示其三相特征,2.2.1.3 电源和负荷 通常认为相对于需要分析的具体电气设备，为其提供电能的相关设备即是其电源。在发电厂和变电站中，用于向用户供电的线路被称为是负荷。配电装置用于具体实现电能的汇集和分配，它是根据电气主接线的要求，由开关电气、母线、保护和测量设备以及必要的辅助设备和建筑物组成的整体。,设备工作状态 运行中的电气设备可分为四种状态，即运行状态、热备用状态、冷备用状态和检修状态。运行状态是指电气设备的断路器、隔离开关都在合闸位置；热备用状态是指设备只断开了断路器而隔离开关仍在合闸位置；冷备用状态是指设备的断路器、隔离开关都在分闸位置；检修状态是
6、指设备所有的断路器、隔离开关已断开，并完成了装设地线、悬挂标示牌、设置临时遮栏等安全技术措施。,设备工作状态 送电过程中的设备工作状态变化为：停电过程中的设备工作状态变化为：,倒闸操作 利用开关电器，遵照一定的顺序，对电气设备完成上述四种状态的转换过程称为倒闸操作。倒闸操作必须严格遵守基本操作原则,2.2.2 电气主接线的设计原则 发电厂主接线设计的基本要求有三点：一、可靠性 供电可靠性是电力生产的基本要求，在主接线设计中可以下几方面加以考虑：任一断路器检修时，尽量不会影响其所在回路供电；断路器或母线故障及母线检修时，尽量减少停运回路数和停运时间，并保证对一级负荷及全部二级负荷或大部分二级负荷
7、的供电；尽量减小发电厂、变电所全部停电的可能性。,2.2.2 电气主接线的设计原则 二、灵活性 发电厂主接线应该满足在调度、检修及扩建时的灵活性：调度时，应可以灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，灵活调配电源和负荷，满足系统在事故、检修以及特殊运行方式下的系统调度要求；检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修不至影响电力系统的运行和对用户的供电；扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。,2.2.2 电气主接线的设计原则 三、经济性 在满足可靠性、灵活性要求的前提下，还应尽量做到经济合理：投资省：主接线力求简单，继电保护和二次回路不过于复杂，采取限制短路电流的措施；
8、占地面积小：主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积小；电能损失少：经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量，并尽量避免因两次变压而增加的电能损失。,2.3 常用的电气主接线形式,2.3.1 电气主接线的分类 在发电厂和变电站中，配电装置实现了发电机、变压器、线路之间的电能的汇集和分配，这些设备的连接由母线和开关电器实现，母线和开关电器的不同的组织连接也就构成就了不同的接线形式。主接线形式可以分为两大类：有汇流母线和无汇流母线。汇流母线，简称母线，是汇集和分配电能的设备。,2.3.1 电气主接线的分类 有汇流母线 采用有汇流母线的接线形式便于实现多回路的集中。接线简单、清晰、运行方便
9、，有利于安装和扩建。配电装置占地面积较大，使用断路器等设备增多，因此更适用于回路较多的情况，一般进出线数目大于4回。有汇流母线的接线形式包括：单母线、单母线分段、双母线、双母线分段、带旁路母线等。,2.3.1 电气主接线的分类 无汇流母线 无汇流母线的接线形式使用开关电器较少，占地面积小，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的发电厂或变电站。无汇流母线的接线形式包括：单元接线、桥形接线、角形接线、变压器线路单元接线等。,电气主接线的常见形式 2.3.2.1 单元接线 单元接线是最简单的接线形式，即发电机和主变压器组成一个单元，发电机生产的电能直接输送给变压器，经过变压器升压后送给系统。,桥型
10、接线 当变配电装置中只有两条线路连接站内两台主变时，常采用桥形接线，此时这两回进线分别和两条线路连接，形成了两个线路变压器的供电路径，在这两个供电路径由桥断路器联络。根据桥断路器相对于变压器和线路的安装位置，又分为内桥接线和外桥接线,桥型接线 内桥接线 内桥接线的桥断路器靠近变压器，对于变压器的投切需要操作两台断路器，而对于线路的操作只需要一台断路器 适用于变压器不经常切换，而线路较长，故障概率较高，所造成的线路需要经常操作的场合,桥型接线 外桥接线 外桥接线对于变压器的投切操作一台断路器，而线路则需要操作两台断路器,外桥接线适用于变压器切换 频繁，或线路较短，故障概 率小的场合,单母线 单母
11、线以一条母线作为配电装置中的电能汇集节点，是有母线接线形式中最简单的接线形式,优点是：接线简单清晰、设备少、操作简单、便于扩建和采用成套配电装置缺点：单母线的可靠性较低单母线接线适用于电源数目较少、容量较小的场合：(1)610kV配电装置的出线回路不超过5回。(2)3563kV配电装置的出线回路数不超过3回。(3)110220kV配电装置的出线回路不超过2回。,单母线分段 当配电装置中有多个电源（发电机或变压器）存在的时候，可以将单母线根据电源的数目进行分段，这也就单母线分段形式,两台主变作为电源分别给两段母线供电，两段母线之间由分段断路器联系，两段母线可以由分段断路器的闭合而并列运行，也可以
12、由分段断路器断开而分列运行分段的数目由电源数量和容量决定,单母线分段 单母线分段的优点：重要用户可以从两段母线上引出两个回路，由不同的电源供电（母线）。当一段母线发生故障的或需要检修的时候，分段断路器可以断开，保证另一段母线的正常运行。缺点：当一段母线故障的时候，其所连接的回路依然需要停电；同时重要负荷采用双回线时，在扩建的时候需要向两个方向均衡扩建 单母线分段的适用范围如下：(1)610kV配电装置出线回路数为6回及以上。(2)3566kV配电装置出线回路数为48回。(3)110220配电装置出线回路数为34回,双母线 双母线接线方式通过设置两条独立的母线，每条母线都可以和配电装置中的任意回
13、路相连接，从而使得当一条母线故障或检修时，所有的回路可以运行于另一条母线,每个回路通过一个断路器和两个隔离开关和两条母线相连，母线之间通过母线联络断路器（母联）连接,双母线 双母线接线的优点：供电可靠、调度灵活、扩建方便、便于试验 缺点：投资增加、增加了误操作可能 适用范围：双母线接线适用于回路数或母线上电源较多、输送和穿越功率大、母线故障后要求迅速恢复供电、母线或母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活性有一定要求的情况下采用。具体条件如下：（1）610kV配电装置，当短路电流较大的时候，出线需要加装电抗器时。（2）3563kV配电装置，当出线回路数超过8回时；或连接电
14、源较多，负荷较大时。（3）110220kV配电装置出线回路数在5回及以上时；或在系统中具有重要地位，出线回路数为4回及以上。,双母线分段 当220kV进出线回路甚多时，为了减少母线故障时候的停电范围，需要对双母线进行分段 提高了供电可靠性和灵活性，但是其增加了断路器的投资,双母线分段 分段的原则如下：（1）当进出线回路数为1014回时，在一组母线上用断路器分段。（2）当进出线回路数为15回及以上时，两组母线都分段。（3）为限制220kV母线短路电流或系统解列运行的要求，可根据需要将母线分段。,2.4 风电场电气主接线设计,2.4.1 风电机组的电气接线 风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括
15、电力电子换流器（有时也称为变频器）和对应的机组升压变压器。目前，风电场的主流风力发电机本身输出电压为690V，经过机组升压变压器将电压升高到10kV或35kV。一般可把电力电子换流器和风力发电机看作一个整体，这样风电机组的接线大都采用单元接线 一般情况下，多采用一机一变，即一台风电机组配备一台变压器。,2.4.2 集电环节及其接线 集电系统将风电机组生产的电能按组收集起来 一般每一组38台风电机组的集电变压器集中放在一个箱式变电所中 每一组的多台风电机组输出，一般可在箱式变电所中各集电变压器的高压侧由电力电缆直接并联 风电场集电环节的 接线多为单母线分 段接线,2.4.3 升压变电站的主接线
16、升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再次升高。达到一定规模的风电场一般可将电压升高到110kV或220kV接入电力系统。对于规模更大的风电场，例如百万千瓦级的特大型风电场，还可能需要进一步升高到500kV或更高。风电场升压站的主接线多为单母线或单母线分段接线，取决于风电机组的分组数目。对于规模很大的特大型风电场，还可以考虑双母线等接线形式。,2.4.4 风电场场用电及接线 风电场的场用电包括维持风电场正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场运行维护人员在风电场内的生活用电等，也就是风电场内用电的部分。至少应包含400V的电压等级。,2.4.5 风电场电气主接线举例 不同于其它类型的电场，除了表示集中布置的升压站，还需要在图中表示风电机组和机电系统。由于风机组数一般较多，因此常在集电系统的绘制时候采用简化图形，即以发电机表示风电机组，再对风电机组进行单独的详细描述。,朱永强，华北电力大学电气与电子工程学院,本课程的配套教材：风电场电气系统，朱永强 张旭 主编，机械工业出版社，普通高等教育“十一五”电气信息类规划教材,
