风电场中的电气设备选择探析

风电场中的电气设备选择探析

一、风电场电气设备的概述

风电场的电气系统由一次系统和二次系统组成。电气一次系统用于电能的生产、变换、分配、传输和消耗，对一次系统进行测量、监视、控制和保护的系统称为电气二次系统。

风电场电气一次系统和电气二次系统是由具体的电气设备构成的。构成电气一次系统的电气设备称为一次设备，构成电气二次系统的电气设备称为电气二次设备。一次设备是构成电力系统的主体，它是直接生产、输送、分配电能的电气设备，包括风力发电机组、变压器、开关设备、母线、电抗、电容、互感器、电力电缆和输电线路等。二次设备通过CT、PT同一次设备取得电的联系，是对一次设备的工作进行监测、控制、调节和保护的电气设备，包括测量仪表、控制及信号器具、继电保护和自动装置等。

二.风电场的电气设备选择

电气设备是在电力系统中对发电机、变压器、电力线路、断路器等设备的统称，各种不同型号的电气设备组合起来，推动了电力系统运行效率的提升。

选择电气设备时，必须根据选定的接入电力系统方式和电气主接线方案，计算短路电流并根据短路电流选择，主要电力设备包括：箱式变压器、无功补偿装置、35kV配电装置、主变压器、110/220kV高压配电装置等设备。

箱式变有欧式变与美式变之分。欧式变占地面积大，造价略高，但维护检修方便，美式变占地面积小，造价低，维护检修较复杂，选用时可根据实际情况选择。选择箱变容量时需考虑风机过负荷发电的情况，一般1500kW风力发电机选用1600kVA变压器即可满足要求。

目前风电场升压站无功补偿装置常见有SVC和SVG两种。SVC占地面积较大，但目前技术已经十分成熟，价格也较低。从原理上来说，SVG性能更好，且占地面积小，但目前国内技术尚不成熟，只有几家企业可以生产，关键部件需要进口，生产周期较长，价格远超同等容量SVC（以10Mvar无功补偿装置为例，SVG报价280万，MCR-SVC报价160万，TCR-SVC报价180万）。常规情况50MW风电场需配置10Mvar容量的无功补偿，电网有更高要求时按满足电网要求配置。

35kV配电装置一般选用户内固定式金属封闭开关，技术较为成熟。主变一般为三相双绕组油浸式有载调压变压器，变压器油型号、冷却方式等应根据当地气象条件确定。选择主变容量时，考虑风力发电场负荷率较低的实际情况以及风力发电机组的功率因数在1左右，可以选择等于风电场发电容量的主变压器。有载调压开关是主变的重要组成部分，进口有载调压开关性能较好，但价格比国产贵近40%，实际选择时应根据性价比选择。

110/220kV高压配电装置可选用户内GIS式，也可选用户外布置。户内GIS 占地面积小，故障几率小，价格并不昂贵，因此在目前风电场升压站中得到了广泛的应用，考虑风电场的环境特性，建设采用户内GIS式较好，风电场污秽等级较高（一般为IV级），设备选型时需要注意过电压与绝缘配合。

三、电气设备在风电场生产中的作用

1、发电机的作用。风电场生产中的发电机大小取决于对风能利用率的大小，设计风力发电机应首先确定目标风区的风速范围，确定要利用的风速范围，然后选定风机，根据风机的输出能量大小确定发电机容量。由于风力的大小是随机变化的，风力发电机不可能全部利用完，只能利用一个范围的风速，利用风速的上限称为切出风速，这个风速下的风能装置的输出功率就是风力发电机的最大功率，利用风速下限称切入风速，即风能装置能驱动发电机发电的最低风速，一般取发电机最大功率的10%以上。风力发电机组主要由风轮、发电机、电能变换单元和控制系统组成。风轮通过叶片捕获风能，是吸收风能并将其转换成机械能的部件。发电机实现机械能--电能转换。由于异步发电机结构简单、运行可靠，目前风力发电几乎均采用异步发电机。目前在直驱双馈型风机选型方面，由于双馈型风机齿轮箱渗漏油维护工作量大以及超温，建议采用直驱型风机。发电机所发出的电能有两种处理方式：可以直接给负载供电或并入电网；也可以通过储能设备进行蓄能，再由电能变换单元将储能设备输出的直流电转换成交流电再供给负载或并网。储能设备作为中间环节不仅可以将能量储存起来，还兼有稳定电压的优点，这样对负载供电更平稳，对电网的冲击亦可减小。风力发电机组的控制系统是综合性控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。风力发电控制系统的基本目标分为3 个层次：保证可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量。因此，为了达到这一控制目标，风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距又发展到近年来采用的变速控制技术。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定

风速时，能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了高次谐波与功率因素等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。

2、风力发电机组控制系统的作用。风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。风力发电机组控制系统的作用是对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护。控制系统还应具有以下功能：根据功率以及风速自动进行转速和功率控制；根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容；机组运行过程中，对电网、风况和机组运行状况进行检测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，而且还能根据记录的数据生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标；对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。有各种功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理；同时DCS 现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。目前发电机组的运行通常由单片机或可编程逻辑控制器件等进行控制。MCS-80C32、8XCl96MC 等各种单片机用于控制风力发电机的运行，实现了自动跟风、并/ 脱电网控制，甚至是通信功能等。C60P 等各型PLC 也作为主控单元被用于风力发电控制系统中，适应了集群控制和单机无人值守的应用要求。

結束语

风能作为一种清洁的可再生能源，不仅具有巨大的经济效益和潜力，同时也是对保护环境的可持续发展道路提供了有力的支撑。而电气设备在风电场生产中起着重要的作用，因此对其进行分析具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]李楠等.浅谈高海拔风电场双馈风电机组变流器设计要点[J].装备机械，2014，03

[2]张登峰. 风力发电设备状态评价系统设计[D].郑州大学，2011.