风电场培训讲座

集电系统的主接线，集电系统 将风电机组生产的电能安祖收 集起来。分别采用位置就近原 则，每组包含的风电机组数目 大体相同，多为3~8台。每一组 的多台机组输出一般可由电缆 线路直接并联，汇集为一条 10KV或35KV架空线输送到升 压变电站。 就接线方式而言，风电场集电 环节的接线多为单母线分段。 每段母线的进线是各组风机组 的并联输出，即一组集群并联 输出提供一条进线，每段母线 的出线是一条通向升压变电站 的输电线路。如右图所示：
+ 无刷双馈式风力发电机：
•定子有两套极数不同的绕组，一套成为功率绕组，直接连电网另一套为 控制绕组，通过换流器与电网相连 •转子为笼形或绕线式结构，无需电刷和滑环 •定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈பைடு நூலகம்电机的定 子绕组和转子绕组
风电场中常采用二级或三级升压的结构。变压器 分为集电变压器、升压变压器和场用变压器。
不同类型的发电机，转子的结构不同，发电原理 也不同。
大型风力发电机的主流机型有四种：笼型异步风 力发电机、永磁同步直驱式风力发电机、交流励 磁双馈式感应风力发电机和无刷双馈式风力发电 机。
+ 笼型异步发电机：
• 励磁电流由定子提供，从电网吸收无功功率 • 频率不随转子转速的的变化而变化 • 电压幅值不稳定，需要通过换流器并网
升压变电站的主接线，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。就接线方式而 言，风电场升压变电站的主接 线多采用单母线分段接线，这 取决于风电机组的分组数目。 如右图所示：
•在风电机组出口装设满足其容量输送的变压器将690V电压提升至10KV 或35KV，成为集电变压器，归属于风电机组。
•升压变电站中的升压变压器，将集电环节汇集的电能经过再次升压到 110KV或220KV，输送给电力系统，成为主变压器。若对也特大型的风电 场，需将电压再次升高到500KV，在送入电网，也就是三级升压的结构。 一般与电网有紧密联系的风电场主变压器的台数不少于两台，而且其中 最大容量的变压器故障时，其余变压器在允许的正常过负荷范围内应能 输送母线最大剩余功率。
小型
风能资源 较好
中型
较好
大型（特大型） 丰富
场地 较小 合适 开阔
说明
可建几兆瓦容量的风电场，接入35~66KV 及以下电压等级的电网
可建几十兆瓦容量以下风电场，接入 110KV及以下电网
可建容量在100~600MW或更大的风电场， 例如我国的特许权风电项目
+
用电不用多说，发出的电就是供用户使用的，从 而使人们的生活更加的便捷更加舒适。然而，不 同的用户用电负荷不一样，电压等级也是不一样 的，所以需要专门的配电环节，主要是配电变压 器，根据用户的不同需要，为用户提供不同的电 能。 除此外还有为保证人员和设备安全运行的接地部 分、防止过电压过电流的设备，如避雷器和串联 电抗器等。 此为一般情况下的一次系统，而风电场的一次系 统除了场用电需要小规模的配电与用电以外，主 要以发电和升压为主。
风电场与常规发电厂相比，有它的独特性，这就 决定了风电场必须要有独特的设备和系统来与之 匹配。
+ 风力发电机组的单机容量小，目前内陆风电场 使用的大型主流风力发电机组多为1.5MW；海 上风电场的风电机组单机容量稍大一些，最大 已达6MW，平均为3MW左右。而一般火电厂 等常规发电厂站中，发电机容量往往是几百 MW，甚至上千MW。电能生产方式分散，发 电机组数目多。火电厂等常规发电厂站，要实 现百万千瓦级的功率输出，往往只需少数几台
应根据风能玫瑰图确定风电场的主导方向，在平 坦、开阔的场址，要求主导向上机组间相隔5~9
倍风轮直径，在垂直于主导风向上要求机组间相 隔3~5倍风轮直径。按照这个规则，风电机组可 以单排或多排布置。多排布置时应成梅花形。
按照规模，风电场大致可以分为：小型、中型和 大型（特大型）风电场，最大规模的风电场可上 百万千瓦级。如下表所示。
风电场是在一定地域范围内，由同一单位经营管 理的所有风力发电机组及配套的输变电设备、建 筑设施、运行维护人员等共同组成的集合体。
选择风力资源良好的场地，根据地形条件和主风 向将多台风力发电机组按照一定的规则排成陈列， 组成风力发电机群，并对电能进行收集管理，统 一送入电网，是建设风电场的基本思想。
+ 风电场输出电压的波动性。对于火电厂、水电 厂等常规发电厂站可以通过轮机的阀门控制， 以及必要的励磁调节，可以比较准确的控制发 电机的输出功率。而在风电场中风速的波动性 会造成风力发电机组输出电压的频率、幅值的 波动。
对此情况，为使风电机组定子绕组输出电压的频 率波动不致影响电网的频率，往往采用电力电子 换流设备作为风电机组并网的接口。这就有可能 给风电场和电力系统带来谐波等电能质量问题， 需要滤波设备。 风电场还使用了除常规电厂用的同步发电机以外 的多种发电机，如异步发电机、双馈感应电机等， 造成风场发电机组的多样化。 那些基于异步发电原理的机组还会从电网吸收无 功功率，这就需要无功补偿设备来弥补，以提高 功率因数和稳定性。
风力发电就是利用风力机获取风能并转化为机 械能，再利用发电机将风力机输出的机械能转 化为电能输出的生产过程。风力机有很多种类 型，用于风力发电的发电机也呈现出多样性， 但是其基本能量转换过程都是一样的，如下图 所示，用于实现该能量转换过程的成套设备称 为风力发电机组。
风
风力机
机械能
发电机
电
能
及其控
风电场主要一次设备包括风力发电机、变压器、 开关设备、载流导体、电抗器和电容器、互感器 等。
风电场通过一次设备之间的相互连接，组成风电 场电气部分的一次系统，把风场产生的电能送入 电网。
一次系统的运行离不开二次系统的监控和保护， 一二此系统的相互配合，共同组成风电场的电气 系统。
风力发电机的内部结构与其他发电机基本相同， 由定子和转子组成。定子固定在基座上，绕有定 子绕组，定子绕组与外电网连接，输送电能。转 子为转动的转轴，饶有转子绕组，通过机械力推 动转子的转动，使得定子产生感应电势，向电网 输出电能。
风电场一次系统包括可以分为四个主要部分：风 电机组、集电环节、升压变电站及场用电系统。
注意：这里所说的风电机组，除了风力机和发电 机以外，还包括电力电子换流器和对应的机组升 压变压器。
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。
升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再 次升高。
一次系统
风是最常见的自然现象之一，风能资源的储量非 常巨大，一年之中风能产生的能量大约相当于20 世纪90年代初全世界每年所消耗的燃料的3000多 倍。
风电技术是可再生能源技术中最成熟的一种能源 技术，对于应对那些与传统能源有关的迫在眉睫 的环境和社会影响，风电是一个切实可行、立竿 见影的解决方案。风力发电由于环保清洁、无废 弃物排放、施工周期短、利用历史悠久，受到了 各国的广泛重视和大力推广。
中国大陆风能储备最丰富的地区 青海：1143万千瓦 甘肃：2421万千瓦 新疆：3433万千瓦 内蒙：6178万千瓦
可见，风能的存储量是相当大的，我们所利用的 仅仅是其中的一小部分，目前风能具有相当大的 开发空间。 人类在面临资源紧缺的严峻形势下，风能无疑是 解决能源危机非常好出路，而且清洁无污染、可 再生。 所以对风能的开发和研究，是解决人类能源危机 的伟大而又光荣的行为。也是人类走到今天的历 史使命。
发电机组即可实现，因而生产比较集中。而对于 风电场由于风力发电机组单机面积小，要达到大 规模的发电，往往需要很多台风电机组。例如， 按目前主流机型的额定功率计算，建设一个 50MW的内陆风电场，需要33台风电机组。这就 需要风电场有专门的系统把电能收集起来统一处 理，就是集电环节。按不同的分组把电能收集起 来，在把各组的电能汇集到一起统一升压。
风电场发出的电能并不是全部送入电网，有一部 分在风电场内部就用掉了。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生活用电，所
以，场用电必须包含400V电源。
风电场一次系统的基本构成：
1.风机叶轮 2.传动装置 3.发电机 4.变流器 5.机组升压变电站 6.升压站低压配电 7.升压变压器 8升压站高压配电 9.架空线
关于电弧：
开关电器开断电流时，只要电路中的电流达到几百毫安，电压有几十伏， 开关的触头间就会出现电弧。电弧是导电体，只有电弧熄灭，才能实现 电路的真正断开。 电弧是一种气体放电现象，是一种等离子体状态，即带正电荷和负电荷 的粒子数量相等的离子集团状态。开关分合过程中所产生的电弧，对于 开关电器以及整个系统的安全运行都具有重要影响，主要因为： • 电弧是强功率放电，在开断几十千安的短路电流时，以焦耳热形式发
及其控 能
制系统
制系统
单台发电机组的发电能力是有限的，目前在内 陆地区应用的主流“大型”机组的额定功率不 过1.5MW，海上风电机组的平均单机容量在3MW 左右，最大已达6MW，这与火电站上百MW发电机 组相比是非常小的，所以大规模的风力发电是 在风电场中实现的。 风力发电机组输出的电能经由特定电力线路送 给用户或接入电网。风力发电机组与电力用户 或电网的联系是通过风电场中的电气部分得以 实现的。 下面分别对他们进行介绍：
风电机组的电气接线，这里所 说的风电机组，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 电机本身输出的电压为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 力机看做一个整体，这样风电 机组的接线大都采用单元接线， 机组的升压变压器也称集电变 压器，一般采用一台风电机组 配备一台变压器，即一机一变。 如右图所示：
+ 永磁同步直驱式风力发电机：
• 无需励磁结构 • 风力机直接驱动转子，无需加速机构 • 转速低，磁极数多 • 电压的幅值和频率均随转子转速变化而变化，需通过换流器并网
+ 交流励磁双馈式感应风力发电机：
•定子绕组和转子绕组都与电网连接，可以同时向电网输送功率 •结构与绕线式异步发电机类似 •定子绕组与电网直接连接 •转子绕组通过换流器与电网连接，用于控制旋转磁场的转速，在超同步 运行时，转子向电网输送功率，次同步运行时，转子从电网吸收功率， 同步运行时，相当于同步发电机运行 •可以向电网输出无功功率
风能的利用
早在数千年前人们已经懂 得利用风力推动船只在水 面上航行。
19世纪末期丹麦的气象学 家保罗·库尔制造了第一 步风力发电机，风能技术 向发电方向发展。
据检测，世界风能总资源量高达1300亿千瓦。 中国陆地十米层的风能资源总储量为32.26亿 KW，其中实际可开发利用的风能资源储量为 2.53亿KW。 近海风能资源约为陆地的3倍。
•风电场和变电所内，各种监控保护以及人员的生活也需要用电，为满足 需求，还设有场用变压器和所用变压器。
开关设备
在电力系统生产运行中，电气设备的相互联系及 生产方式的转换，由开关电器的分合来实现。开 关电器的分合实现了电路的选择接通和断开。开 关电器的本质是通过改变其自身“导体”↔“绝 缘体”的转换来分合电路。常用的开关电器有断 路器、隔离开关、熔断器和负荷开关。它们的功 能各不相同。由于承载的电压高、通过的电流大， 高压开关电器体型较大，其分合操作要依靠专门 的操作机构来实现，同时在分合电路中还必须考 虑其间电弧的影响。
+ 风力机组输出的电压等级低。火电厂等常规发 电厂站中的机组输出电压往往在6~20KV电压 等级，只需一到两级变压器即可送入220KV及 以上的电网。而风电机组输出电压低的多。风
电机组的输出电压一般为690V或400V，需变换 致更高的电压等级，这就需要比常规的火电厂或 水电厂多一套升压设备，即集电变压器。在每个 机组的出口处都装设一台小容量的变压器，将电 压升高至35KV或10KV，再接入系统。