风电场电气系统(朱永强)第章_电力电子
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《风电场电气部分》课件
风电场分类
01
02
03
陆上风电场
指在陆地上的风电场，一 般规模较大，风能资源丰 富。
海上风电场
指在海洋上的风电场，一 般规模较大，风能资源丰 富，但建设难度较大。
山地风电场
指在山地区域内的风电场 ，一般规模较小，风能资 源丰富，但建设难度较大 。
风电场发展历程
起步阶段
20世纪80年代初，我国开 始探索风电场建设，主要 集中在沿海地区。
升压站的运行管理对于保障风 电场的电力输出和电网稳定性 具有重要意义。
03
风电场电气系统运行
风力发电机组运行原理
风能转换
风力发电机组利用风能驱动涡轮 旋转，通过变速齿轮箱将动力传 递到发电机，从而将机械能转换
为电能。
发电原理
发电机通过电磁感应原理将机械能 转换为电能，产生的三相交流电通 过整流和逆变转换为直流电，供给 风电场的负荷。
定期检查集电线路的导线、绝缘子和杆塔等 部件，确保其正常运行。
集电线路检修
对集电线路进行全面的检查和维修，解决潜 在问题。
集电线路加固
对于存在安全隐患的集电线路，采取加固措 施，提高其稳定性。
集电线路更换
当集电线路的部件损坏或老化时，及时更换 。
升压站维护与检修
01
升压站维护
定期检查升压站的各设备，确保其 正常运行。
具有重要意义。
在风电场的建设和管理过程中，需要对集电线路进行 定期巡检和维护，以确保其正常运行。
集电线路是风电场中用于汇集和传输电能的线 路。
集电线路的设计需要考虑线路的电压等级、电流 大小、传输距离和环境条件等因素。
升压站
升压站是风电场中用于升高电 压和汇集电能的场所。
风电场电气部分ppt课件
，降低投资成本。
可维护性原则
简化系统结构，提高设 备可维护性，方便后期
运营和维护。
主要电气设备选型依据
风电机组特性
根据风电机组的功率、电压等级、控 制方式等特性，选择匹配的电气设备 。
电网接入要求
遵循电网公司的接入标准和要求，选 用符合规定的电气设备和材料。
环境条件
考虑风电场所在地的气候条件、海拔 高度、污秽等级等环境因素，选择适 应性强的电气设备。
方案二
分布式电气系统设计方案。采用分布式的变压器 、开关柜等设备，实现风电场的分布式供电和控 制。该方案具有运行灵活、可靠性高等优点，但 投资成本相对较高。
方案比较与选择
根据风电场的实际情况和需求，综合考虑技术、 经济、环境等多方面因素，对以上三种方案进行 比较和选择。最终确定符合风电场实际情况和需 求的最佳电气系统设计方案。
针对可能发生的火灾事故，制定相应 的应急预案，并定期进行演练，提高
员工的应急处置能力。
消防设施建设
按照规范要求配置消防设施，如灭火 器、消防栓、烟雾探测器等，确保火 灾发生时能够及时扑救。
消防安全培训与宣传
加强员工的消防安全培训和宣传，提 高员工的消防安全意识和自防自救能 力。
2023 WORK SUMMARY
接地系统建设
建立完善的接地系统，确保接地电阻符合规范要 求，提高设备的防雷接地能力。
定期检查与维护
定期对防雷接地设备进行检查和维护，确保其性 能良好，有效预防雷击事故。
消防安全管理规定执行
消防安全责任制
明确各级人员的消防安全职责，建立消 防安全责任制，确保各项消防安全措施
得到有效执行。
应急预案制定与演练
原因分析
故障原因可能涉及设备老化、设计缺 陷、运行环境恶劣、人为操作失误等 。
可维护性原则
简化系统结构，提高设 备可维护性，方便后期
运营和维护。
主要电气设备选型依据
风电机组特性
根据风电机组的功率、电压等级、控 制方式等特性，选择匹配的电气设备 。
电网接入要求
遵循电网公司的接入标准和要求，选 用符合规定的电气设备和材料。
环境条件
考虑风电场所在地的气候条件、海拔 高度、污秽等级等环境因素，选择适 应性强的电气设备。
方案二
分布式电气系统设计方案。采用分布式的变压器 、开关柜等设备，实现风电场的分布式供电和控 制。该方案具有运行灵活、可靠性高等优点，但 投资成本相对较高。
方案比较与选择
根据风电场的实际情况和需求，综合考虑技术、 经济、环境等多方面因素，对以上三种方案进行 比较和选择。最终确定符合风电场实际情况和需 求的最佳电气系统设计方案。
针对可能发生的火灾事故，制定相应 的应急预案，并定期进行演练，提高
员工的应急处置能力。
消防设施建设
按照规范要求配置消防设施，如灭火 器、消防栓、烟雾探测器等，确保火 灾发生时能够及时扑救。
消防安全培训与宣传
加强员工的消防安全培训和宣传，提 高员工的消防安全意识和自防自救能 力。
2023 WORK SUMMARY
接地系统建设
建立完善的接地系统，确保接地电阻符合规范要 求，提高设备的防雷接地能力。
定期检查与维护
定期对防雷接地设备进行检查和维护，确保其性 能良好，有效预防雷击事故。
消防安全管理规定执行
消防安全责任制
明确各级人员的消防安全职责，建立消 防安全责任制，确保各项消防安全措施
得到有效执行。
应急预案制定与演练
原因分析
故障原因可能涉及设备老化、设计缺 陷、运行环境恶劣、人为操作失误等 。
风力发电中电力电子技术的应用
风力发电中电力电子技术的应用摘要：我国信息技术和我国各行各业的快速发展，风力发电中电力电子技术是主要技术。
在风电资源方面具有世界领先的优势。
风能是太阳能资源的一种间接利用方式，它的开发不但占用耕地少，污染小，而且它的储量很大，是实现可持续发展战略的重要内容。
近几年，随着人民生活水平的提高，风能的开发也在加速。
由于风能驱动方式的不同和并网对其稳定性的影响，使得并网对其性能的要求更高。
电力电子技术的应用还具有降低运输过程中能源消耗的作用，各电力企业需要加强对该技术的研究。
关键词：风力发电；电力电子技术；储能系统引言电力电子技术在电气工程中已经得到了广泛的应用和发展，不仅解决了电力系统中的实际问题，而且也推动了电力系统的现代化发展。
目前，随着可再生能源发电技术的不断发展和电力电子技术的不断创新，电力电子技术在未来的应用前景非常广阔。
1风力发电基本原理解析风力发电主要指的是在将风能有效转化成机械能的前提下，再将机械能转变成电能的工作。
在实际工作过程中，风车扇叶在风力的作用下旋转，并借助增速机提升扇叶的旋转速度，助力发电机进行发电工作。
在通常情况下，风力发电过程中使用的相关设备装置被统称为风力发电机组，而将风能转化成机械能则主要依赖风轮装置。
风轮装置由两片或两片以上的螺旋桨桨叶构成。
在风力作用下，桨叶上会产生气动力，从而推动风轮转动，在相应控制系统的调节下，就会促使发电机产生恒定转速，最终将机械能转变成电能并将其输送到电网中。
2电力电子技术在风力发电应用中的技术要点2.1风力储能系统技术改造电力制造需要风力发电系统的运行，首先，技术人员需要优先解决风力方向以及风速不稳定问题，同时还需要注重风力能源应用时间的延长。
其次，因实际发电过程中无法保证风力长期处于风量较为充足的状态，所以技术人员需要注重风力储能系统技术的改造问题，尽可能通过提高技术改造水平而保证风力发电的稳定性以及安全性等。
最后，现如今，国内常用的风力储能系统技术主要是能源储存模式，该模式电力来源于蓄电池，且系统操作流程较为简便，风量储能效果良好。
华北电力大学朱永强等风能与风力发电PPT教案
陆上和近海区域10米高度可开发风能资源储量约为10亿千瓦， 其中有很好开发利用价值的陆上风资源大约有……千瓦。
§ 我国风资源
中国气象局风能太阳能资源评估中心，公布了 全国平均风速分布和有效风功率密度分布情况，参见教材图 3.4和图3.5。
§3.3 风力机的种类
各种类型的风力机，都至少包括叶片（有些称为桨叶）、 轮毂、转轴、支架（有些称为塔架）等部分。其中由叶片 和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮。
§3.1 风能利用的历史
人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前。
埃及可能是最先利用风能的国家。 趣闻：风能与金字塔（见教材） 2000多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠 风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。 公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能 。 公元10世纪，伊斯兰人开始用风车提水。到11世纪，风车 在中东地区已经获得广泛的应用。
当超过额定风速后，叶片翼型发生变化，叶片后侧的气流分离 产生湍流，叶片效率急剧下降，输出功率不随风速上升而增加 。
失速型叶片存在扭角，失速从叶片的局部开始，随风速的上升 而逐步向叶片全长发展，起到功率调节作用。
定桨距风力机的风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，优 点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。缺点是难 以对风功率的捕获进行精确的控制。
§ 水平轴风力机
(2)螺旋桨式风力机 螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟、生产量最多。 其翼型与飞机的翼型类似，一般多为双叶片或三叶片，也有少 量用单叶片或四叶片以上的。
§ 水平轴风力机
(3)多翼式风力机 也叫多叶式风力机，一般装有20枚左右的叶片，是典型的低转 速大扭矩风力机。
§ 水平轴风力机
多个叶片会互相干扰，因此总体上高容积比的风力机效率低。 不过，空气动力学噪声一般较小。
§ 我国风资源
中国气象局风能太阳能资源评估中心，公布了 全国平均风速分布和有效风功率密度分布情况，参见教材图 3.4和图3.5。
§3.3 风力机的种类
各种类型的风力机，都至少包括叶片（有些称为桨叶）、 轮毂、转轴、支架（有些称为塔架）等部分。其中由叶片 和轮毂等构成的旋转部分又称为风轮。
§3.1 风能利用的历史
人类利用风能的历史，至少可以追溯到5000多年以前。
埃及可能是最先利用风能的国家。 趣闻：风能与金字塔（见教材） 2000多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠 风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。 公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能 。 公元10世纪，伊斯兰人开始用风车提水。到11世纪，风车 在中东地区已经获得广泛的应用。
当超过额定风速后，叶片翼型发生变化，叶片后侧的气流分离 产生湍流，叶片效率急剧下降，输出功率不随风速上升而增加 。
失速型叶片存在扭角，失速从叶片的局部开始，随风速的上升 而逐步向叶片全长发展，起到功率调节作用。
定桨距风力机的风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，优 点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。缺点是难 以对风功率的捕获进行精确的控制。
§ 水平轴风力机
(2)螺旋桨式风力机 螺旋桨式水平轴风力机目前技术最成熟、生产量最多。 其翼型与飞机的翼型类似，一般多为双叶片或三叶片，也有少 量用单叶片或四叶片以上的。
§ 水平轴风力机
(3)多翼式风力机 也叫多叶式风力机，一般装有20枚左右的叶片，是典型的低转 速大扭矩风力机。
§ 水平轴风力机
多个叶片会互相干扰，因此总体上高容积比的风力机效率低。 不过，空气动力学噪声一般较小。
风电场电气系统(朱永强)第2章 电气系统2
风电场电气系统
风电场电气部分的构成和主接线方式
§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，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。
风电场电气部分的构成和主接线方式
§2.3.2.4 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
S1 S2
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
风电场电气系统
风电场电气部分的构成和主接线方式
§2.2.1.4设备工作状态 送电过程中的设备工作状态变化为：
检修 冷备用 热备用 运行
停电过程中的设备工作状态变化为：
运行
热备用
冷备用
检修
风电场电气系统
风电场电气部分的构成和主接线方式
§2.2.1.5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
风电场电气系统
风电场电气部分的构成和主接线方式
§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关系 某些需要表示接线特征的 设备则要表示其三相特征
风电场电气系统
3
门 9、瓦斯继电器
1 5 1 12 图3-7 变压器工作原理示意图 11 10 13 2
4
10、11、吸湿器 12、主变端子箱 13、散热风扇
油浸式变压器由 其核心部件（即 实现电磁转换的 铁心和绕组）、 用于调整电压变 比的分接头和分 接开关以及油箱 和辅助设备构成。
14、油箱
15、储油柜 11
风电场电气系统
风电场主要一次设备
§1.2 电气和电气部分
§1.2.3 电气部分的一般组成
上述设备运行的时候需要消耗电能，是作为耗电设备存在的， 因此还需要装设相应的直流电源设备。 采用直流的好处是可以利用蓄电池进行电能存储。 在发电厂和变电站内二次设备由控制电缆连接构成了功能不 同的二次回路。
风电场电气系统
风电场电气系统
15
风电场主要一次设备
§2.3 变压器型号表征
变压器型式多样。在设计和生产中往往需要使用型号来表示 变压器的特征。 变压器型号的表征一般按下列规则：
风电场电气系统
16
风电场主要一次设备
§2.3 变压器型号表征
其中关于型号描述的符号，参见下表：
相数 绕组外绝缘介质 单项 三相 油 空气 成型固体 自冷式 风冷 水冷 自然循环 强迫油导向循环 强迫油循环 双绕组 三绕组 无激磁调压 有载调压 自耦 分裂 D S G C F W D P S Z O
风电场主要一次设备
§2.1 电气主接线
§2.1接线形式
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。 风电机组:采用一机一变单元接线。 集电系统：单母线分段 升压变电站：单母线（干河口）、双母线（桥湾）
门 9、瓦斯继电器
1 5 1 12 图3-7 变压器工作原理示意图 11 10 13 2
4
10、11、吸湿器 12、主变端子箱 13、散热风扇
油浸式变压器由 其核心部件（即 实现电磁转换的 铁心和绕组）、 用于调整电压变 比的分接头和分 接开关以及油箱 和辅助设备构成。
14、油箱
15、储油柜 11
风电场电气系统
风电场主要一次设备
§1.2 电气和电气部分
§1.2.3 电气部分的一般组成
上述设备运行的时候需要消耗电能，是作为耗电设备存在的， 因此还需要装设相应的直流电源设备。 采用直流的好处是可以利用蓄电池进行电能存储。 在发电厂和变电站内二次设备由控制电缆连接构成了功能不 同的二次回路。
风电场电气系统
风电场电气系统
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风电场主要一次设备
§2.3 变压器型号表征
变压器型式多样。在设计和生产中往往需要使用型号来表示 变压器的特征。 变压器型号的表征一般按下列规则：
风电场电气系统
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风电场主要一次设备
§2.3 变压器型号表征
其中关于型号描述的符号，参见下表：
相数 绕组外绝缘介质 单项 三相 油 空气 成型固体 自冷式 风冷 水冷 自然循环 强迫油导向循环 强迫油循环 双绕组 三绕组 无激磁调压 有载调压 自耦 分裂 D S G C F W D P S Z O
风电场主要一次设备
§2.1 电气主接线
§2.1接线形式
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。 风电机组:采用一机一变单元接线。 集电系统：单母线分段 升压变电站：单母线（干河口）、双母线（桥湾）
第一章绪论
30
40
风电场输出功率变化(%)
绪论
§1.3 风电场接入电网概述
风电场有功功率(kW) 风电场有功功率(kW)
但是，根据自然风的变化规律，风电场的有功功率既具有
长期统计规律。下图所示有功功率日变化与年变化特征
：
16000 14000
20000
12000 10000 8000
16000 12000
6000
绪论
§1.3 风电场接入电网概述
1.3.4 风电场接入电网方案 主要考虑电压情况：
690V →10KV或35KV→电网（110KV或220KV，66KV很少用） 具体解释：1.690V是主流风电机组的机端输出电压 ，通 过低压电缆接至箱式变压器（简称箱变，通常放在风电机 组塔筒下不远处）低压侧，经一机一变（一台风电机组配 备一台箱式变压器）的单元接线方式升压至10kV或35kV。 2.根据风电机组的安装位置，按照就近原则，分组由集 电系统进行电能的汇集，每一组汇集成一路10kV或35kV的 输电线路（取决于箱变高压侧的电压等级），送到风电场 中的升压变电站。
时间序列仿真
该方法适用于为系统的运行提供决策支持。 选择合适的时间段作为研究对象，通过计算风电场的容量系数（风 电场实际出力与理论发电量的比值）来估算容量可信度。在负荷高峰 时段，可以认为容量系数等于容量可信度。 风电场电气工程
绪论
§1.3 风电场接入电网概述
大量关于风电容量可信度的研究表明，风力发电将会增加系统 的负荷承载能力，可以部分满足负荷需求的规划性增长。
二次设备是指对一次系统进行测量、控制、监视和 保护的设备。主要包括：互感器，用于将一次系统中的高 电压和大电流转换为二次系统可以使用的低电压和小电流 ；测量仪表，用于测量电路中的各种电气参数；继电保护 和自动装置，用于监视系统运行状态，当系统运行状态不 正常时候，发出告警或直接进行调整。
风电场电气系统(朱永强)第1章 电气系统1
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
§1.3 电气和电气部分
§1.3.2 电气部分的一般组成
包括风电场在内的各类发电厂站、实现电压等级变换和能量输 送的电网、消耗电能的各类设备（用户或负荷）共同构成了电 力系统，即用于生产、传输、变换、分配和消耗电能的系统。 电力系统各个环节的带电部分统称为其各自的电气部分。 发电厂和变电站是整个电力系统的基本生产单位。电气部分不 仅仅包括电能生产、变换的部分,还包括其自身消耗电能的部 分。以上用于能量生产、变换、分配、传输和消耗的部分称为 电气一次部分。 为了实现对厂站内设备的监测与控制，电气部分还包括所谓的 二次部分，即用于对本厂站内一次部分进行测量、监视、控制 和保护的部分。
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
本课程主要内容
第7章介绍风电场的防雷和接地问题，首先说明雷电的形成机 理和雷电的危害，介绍雷电防护的一般方法；然后对接地的意 义和作用，尤其是对接触电压和跨步电压等重要概念进行具体 的说明，给出接地设计的一般要求；并全面介绍风电场发电机 组、集电线路和升压站的防雷保护措施，有助于大家了解风电 场电气设备安全方面的知识和解决办法，提高安全生产的意识。 第8章介绍风电场中的电力电子设备，在简述电力电子技术应 用和常见电力电子器件的基础上，阐述变流技术和PWM技术 的基本原理；重点介绍主流大型风电机组的并网换流器，包括 其电路结构和基本工作原理；最后简单介绍风电场的无功补偿 与电压控制需求，以及SVC和STATCOM等无功补偿设备。
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
本课程主要内容
第3章详细介绍风电场中的各主要一次电气设备的结构和工作 原理，包括风电机组、变压器、断路器和隔离开关、母线和输 电线路、电抗器和电容器、电压互感器和电流互感器等，以及 变压器、断路器等重要一次设备的型式、参数，使大家对风电 场电气设备的原理、功能、结构、外观等有具体认知。 第4章介绍风电场一次电气设备选择的一般条件和技术条件， 以及热稳定校验、动稳定校验和环境校验方法，使大家了解和 掌握电气设备的型式、参数与其在风电场中运行环境的关系， 并且能对风电一次设备的选择进行初步分析和简单计算。
风电场和电气部分的基本概念
§1.3 电气和电气部分
§1.3.2 电气部分的一般组成
包括风电场在内的各类发电厂站、实现电压等级变换和能量输 送的电网、消耗电能的各类设备（用户或负荷）共同构成了电 力系统，即用于生产、传输、变换、分配和消耗电能的系统。 电力系统各个环节的带电部分统称为其各自的电气部分。 发电厂和变电站是整个电力系统的基本生产单位。电气部分不 仅仅包括电能生产、变换的部分,还包括其自身消耗电能的部 分。以上用于能量生产、变换、分配、传输和消耗的部分称为 电气一次部分。 为了实现对厂站内设备的监测与控制，电气部分还包括所谓的 二次部分，即用于对本厂站内一次部分进行测量、监视、控制 和保护的部分。
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
本课程主要内容
第7章介绍风电场的防雷和接地问题，首先说明雷电的形成机 理和雷电的危害，介绍雷电防护的一般方法；然后对接地的意 义和作用，尤其是对接触电压和跨步电压等重要概念进行具体 的说明，给出接地设计的一般要求；并全面介绍风电场发电机 组、集电线路和升压站的防雷保护措施，有助于大家了解风电 场电气设备安全方面的知识和解决办法，提高安全生产的意识。 第8章介绍风电场中的电力电子设备，在简述电力电子技术应 用和常见电力电子器件的基础上，阐述变流技术和PWM技术 的基本原理；重点介绍主流大型风电机组的并网换流器，包括 其电路结构和基本工作原理；最后简单介绍风电场的无功补偿 与电压控制需求，以及SVC和STATCOM等无功补偿设备。
风电场电气系统
风电场和电气部分的基本概念
本课程主要内容
第3章详细介绍风电场中的各主要一次电气设备的结构和工作 原理，包括风电机组、变压器、断路器和隔离开关、母线和输 电线路、电抗器和电容器、电压互感器和电流互感器等，以及 变压器、断路器等重要一次设备的型式、参数，使大家对风电 场电气设备的原理、功能、结构、外观等有具体认知。 第4章介绍风电场一次电气设备选择的一般条件和技术条件， 以及热稳定校验、动稳定校验和环境校验方法，使大家了解和 掌握电气设备的型式、参数与其在风电场中运行环境的关系， 并且能对风电一次设备的选择进行初步分析和简单计算。
风电场电气系统(朱永强)第8章_电力电子
计算法：特定谐波消去法（SHE-PWM, Selective Harmonics Elimination）
u uc ur
PWM波形 调制法 生成方法 跟踪控制法
O
t
u
Ud
O
Ud
t
风电场电气系统
10
风电场中的电力电子 技术
§8.2 风电机组并网换流器
8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
朱永强， zyq@ 华北电力大学 电气与电子工程学院
风电场电气系统
24
风电场电气系统
18
风电场中的电力电子 技术
§8.3 无功补偿与电压控制装置
8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
8.3.2 静止无功补偿器(SVC)
8.3.3
静止同步补偿器(STATCOM)
风电场电气系统
19
风电场中的电力电子 技术
§ 8.3 无功补偿与电压控制装置 § 8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
风电场电气系统
制作人：朱永强, 田军
华北电力大学
风电场中的电力电子 技术
§8 风电场中的电力电子技术
8.1 电力电子技术基础
8.2 风电机组并网换流器 8.3 无功补偿与电压控制装置
风电场电气系统
2
风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
模拟电子技术
风电场电气系统
7
风电场中的电力电子 技术
风电场电气系统
8
风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.4 PWM控制
图8-7 用矩形脉冲序列等 效正弦波形
u uc ur
PWM波形 调制法 生成方法 跟踪控制法
O
t
u
Ud
O
Ud
t
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§8.2 风电机组并网换流器
8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
朱永强， zyq@ 华北电力大学 电气与电子工程学院
风电场电气系统
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风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§8.3 无功补偿与电压控制装置
8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
8.3.2 静止无功补偿器(SVC)
8.3.3
静止同步补偿器(STATCOM)
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.3 无功补偿与电压控制装置 § 8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
风电场电气系统
制作人：朱永强, 田军
华北电力大学
风电场中的电力电子 技术
§8 风电场中的电力电子技术
8.1 电力电子技术基础
8.2 风电机组并网换流器 8.3 无功补偿与电压控制装置
风电场电气系统
2
风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
模拟电子技术
风电场电气系统
7
风电场中的电力电子 技术
风电场电气系统
8
风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.4 PWM控制
图8-7 用矩形脉冲序列等 效正弦波形
第5章风电场电气二次系统
图中还引入了外部保护电路中保护继电器的触点KA，它接入 断路器控制回路中，当电气设备发生故障时，其对应保护继 电器动作触发故障电气设备相关断路器跳闸，将故障设备从 电力系统中切除出去。
§5.2.2 控制开关
断路器合闸过程： 手柄一般处于0°位置，5、6间的触点闭合，此时断路器QF 常开辅助触点在合位，因此WL+、SA5、SA6、LD、R、 QF1、QF2、KM、WC-形成回路。LD会发出闪光。
第5章风电场电气二次系统
对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、 维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备， 称为二次设备，如熔断器、控制开关、继电器、控制电缆等。
由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调 节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统。
§5.1 继电器
线圈 端子
子 触点
i
线圈部分 触点 端子
§5.1.1继电器的结构和原理
继电器的线圈和触点可以分别接入不同的电路中，从而实现 由线圈至触点的顺序控制。 线圈可以反映不同的电气量，进而用于实现触点位置的变换。 通常所要反映的电气量有若干种，例如某一特定电压/电流 （可以是交流也可以是直流）的有或无、大或小，等等，以 此来实现对应的各种逻辑。 继电器的触点也可以有不同的逻辑。 依靠不同类型的线圈和不同类型的触点，继电器可以实现二 次回路中比较复杂的逻辑。
普通高等教育“十一五”电气信息类规划教材
风电场电气系统
华北电力大学 电气与电子工程学院 朱永强 张旭 主编
第5章 风电场电气二次系统
关注的问题 电气二次系统的概念和功能是什么？主要设备的种类有哪些？ 主要的电气二次回路，电气二次系统的图形表示方法 风电场和升压变电站电气二次系统的构成 变电站综合自动化技术 教学目标 了解电气二次部分的含义和功能，其主要设备及其原理和功能， 掌握电气二次系统的图形表示方法， 了解风电场和升压变电站电气二次系统的构成， 对我国目前普遍采用的变电站综合自动化技术有一定认知。
§5.2.2 控制开关
断路器合闸过程： 手柄一般处于0°位置，5、6间的触点闭合，此时断路器QF 常开辅助触点在合位，因此WL+、SA5、SA6、LD、R、 QF1、QF2、KM、WC-形成回路。LD会发出闪光。
第5章风电场电气二次系统
对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、 维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备， 称为二次设备，如熔断器、控制开关、继电器、控制电缆等。
由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调 节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统。
§5.1 继电器
线圈 端子
子 触点
i
线圈部分 触点 端子
§5.1.1继电器的结构和原理
继电器的线圈和触点可以分别接入不同的电路中，从而实现 由线圈至触点的顺序控制。 线圈可以反映不同的电气量，进而用于实现触点位置的变换。 通常所要反映的电气量有若干种，例如某一特定电压/电流 （可以是交流也可以是直流）的有或无、大或小，等等，以 此来实现对应的各种逻辑。 继电器的触点也可以有不同的逻辑。 依靠不同类型的线圈和不同类型的触点，继电器可以实现二 次回路中比较复杂的逻辑。
普通高等教育“十一五”电气信息类规划教材
风电场电气系统
华北电力大学 电气与电子工程学院 朱永强 张旭 主编
第5章 风电场电气二次系统
关注的问题 电气二次系统的概念和功能是什么？主要设备的种类有哪些？ 主要的电气二次回路，电气二次系统的图形表示方法 风电场和升压变电站电气二次系统的构成 变电站综合自动化技术 教学目标 了解电气二次部分的含义和功能，其主要设备及其原理和功能， 掌握电气二次系统的图形表示方法， 了解风电场和升压变电站电气二次系统的构成， 对我国目前普遍采用的变电站综合自动化技术有一定认知。
风电场电气系统介绍
6 电气批准：董德兰核定：康本贤张群刚刘玮审查：戴勇干陈刚奚瑜桑志强李云虹校核：桑志强奚瑜陈刚戴勇干李勇编写：靖峰徐嘉瑞解统成王佳黄勇闫建伟6 电气6.1 电气一次6.1.1 编制依据及主要引用标准报告编制依据和主要引用标准、规范如下：（1）《风电场可行性研究报告编制办法》；（2）《电力变压器选用导则》GB/T 17468-2008；（3）《高压开关设备通用技术条件》GB 11022-1999；（4）《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB 11032-2000；（5）《火力发电厂与变电所设计防火规范》GB 50229-2006；（6）《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007；（7）《风力发电机组》GB/T 19071～19073；（8）《高压输变电设备的绝缘配合》GB 311.1-1997；（9）《220kV～500kV变电所设计技术规程》DL/T5218-2005；（10）《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997；（11）《交流电气装置的接地》DL/T621-1997；（12）《变电所总布置设计技术规程》DL/T5056-2007；（13）《高压配电装置设计技术规程》DL/T5352-2006；（14）《220kV～500kV变电所所用电设计技术规程》DL/T5155-2002；（15）《高压/低压预装箱式变电站选用导则》DL/T537-2002；（16）《导体和电器选择设计技术规定》DL/T5222-2005；（17）《220kV变电站通用设计规范》Q/GDW204-2008；（18）《Lightning protection for wind turbine systems风力发电机组防雷》IEC 61400-24；（19）《Wind turbines-Part1 Design requirements 风力发电机组第一部分设计要求》IEC 61400-1；（20）《国家电网公司风电场接入电网技术规定(修订版)》国家电网发展（2009）327号；（21）《关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》国网公司2011（974）号；（22）《质量/职业健康安全/环境管理体系程序文件》西北勘测设计研究院2007；（23）其它相关的国家、行业标准规范，设计手册等。
风电场电气工程 教学课件 朱永强 第六章 风电场的直流输电与功率控制技术
6.1.1.2 直流输电与交流输电的比较
K（费用）
AC 电缆 线路
线路
DC电缆线路
空 AC架
线路 DC架空
换流站费用 变电站费用 等价距离 等价距离
l（距离）
直流输电和交流输电相比，换流站的投资比变电站的投资高， 而直流输电线路的投资比交流输电线路的投资低 交直流输电的线路和两端设备的总费用相等，这个输电距离 称之为交、直流输电的等价距离
用于风电场并网的常用无功补偿设备有并联电容器和并联电 抗器、静止无功补偿器和静止同步补偿器、同步调相机等。 调节有载调压变压器的分接头位置也可以起到调节无功/电压 的作用。
6.2.2 风电场的无功电压控制技术
6.2.2.1 并联电容器组/并联电抗器调节方案及应用 风电场无功电压调节最基本的方法：将电容器/电抗器连接 成若干组，根据风电场出力水平与电网节点电压变化规律确 定每组容量，分组投切，实现无功功率的不连续调节，以保 持电网关键节点电压处于适当范围为控制目标。 控制策略为：根据风电场电压的变化，按照确定的步长投退 补偿装置。
第六章风电场的直流输电与功率控制技术
教学目标： 理解柔性直流输电技术及其在风电场中的应用，掌握风电 场中无功和电压控制的要求和方法，理解风电场低电压 穿越的概念和意义，并了解有关的技术规定，对双馈式 感应风电机组的低电压穿越技术有所认识，掌握风电机 组的有功和频率特性，理解风电场的有功功率控制策略 。
6.1.2.2 VSC-HVDC的基本原理 忽略换流变压器（或换流电抗器）的电阻时，VSC与交流系 统间交换的有功功率和无功功率分别为：
USU0 P sin X
U U U o s ) S( S 0c Q X
6.1.3 风电场经VSC-HVDC并网的工程应用 瑞典Gotland岛VSC-HVDC工程，其示意图参见教材图6-4 VSC-HVDC的额定传输容量50MW，直流电压± 80kV，直 流电流350A，输电距离为70km 至2003年，Gotland 岛已有风电装机165台，总装机容量 90MW，Gotland岛不断增加的风电并网容量引起了无功电压 问题，阻碍了风电场扩容及进一步接入电网
《风电场电气系统》课件
04
风电场电气系统维护与优化
风电场电气系统维护
维护原则
定期检查、预防性维护、及时响 应。
维护内容
对电气系统中的发电机、变压器、 断路器、隔离开关等设备进行常规 检查、清洁、紧固等维护工作。
维护周期
根据设备类型和运行状况，制定合 理的维护周期，确保设备正常运行 。
风电场电气系统优化建议
01
02
பைடு நூலகம்
03
风电场的组成
01
02
03
04
风力发电机组
包括风轮、机舱、塔筒等部分 ，是风电场的核心设备，用于
将风能转化为电能。
升压变电站
用于将风力发电机组发出的低 压电能升压后输送到电网。
输电线路
用于将风电场的电能输送到电 网。
风电场监控系统
用于监控风电场的运行状态和 设备状况，保障风电场的正常
运行。
风电场的运行原理
优化原则
提高效率、降低成本、减 少故障。
优化建议
改进设备布局、优化控制 逻辑、采用先进的电气设 备等。
优化实施
根据实际情况，逐步实施 优化方案，并持续监测优 化效果。
风电场电气系统发展趋势
发展趋势
智能化、自动化、高效化。
技术应用
人工智能、大数据、物联网等技术在风电场电气系统中的应用。
未来展望
随着技术的不断进步，风电场电气系统的运行效率和可靠性将得到 进一步提升，为可再生能源的发展做出更大的贡献。
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《风电场电气系统》PPT课件
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目录
• 风电场概述 • 风电场电气系统 • 风电场电气系统设计 • 风电场电气系统维护与优化
风电场第7章1 防雷和接地的一般原则
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§7.2.3.1 接地网设计基本要求
电力设备传动装置。 互感器的二次绕组。 配电、控制保护屏（柜、箱）及操作台等的金属框架。 屋内配电装置的金属构架和钢筋混凝土构架，以及靠近带 电部分的金属围栏和金属门、窗。 交、直流电力电缆桥架、接线盒、终端盒的外壳、电缆的 屏蔽铠装外皮、穿线的钢管等。 装有避雷线的电力线路杆塔。 在非沥青地面的居民区内，无避雷线非直接接地系统架空 电力线路的金属杆塔和钢筋混凝土的杆塔。
23
R ch Rd
10
§7.2.1 接地基本概念
冲击系数 ：一般用实验方法求得，在缺乏准确数据时， 对集中的人工接地体或自然接地体的冲击系数，也可按下 式计算：
1 ( I )m 0.9 l1.2
式中：I为冲击电流幅值，kA；ρ 为土壤电阻率，kΩ ·m；l为垂直接地体 或水平接地体长度，或环形闭合接地体的直径，或方形闭合接地体的 边长，m；β 及m为与接地体形状有关的系数，对垂直接地体β =0.9，
14
§7.2.2.2 保护性接地
1．保护接地 为防止电气设备绝缘损坏而使人身遭受触电危险，将于电 气设备绝缘的金属外壳或构架与接地极做良好的连接，称 为保护接地。接低压保护线（PE线）或保护中性线（PEN 线），也称为保护接地。停电检修时所采取的临时接地， 也属于保护接地。 2．防雷接地 将雷电流导入大地，防止雷电伤人和财产受到损失而采用 的接地，称为防雷接地。
13
§7.2.2.1 功能性接地
3．信号接地 为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，称为信号 接地。 4．屏蔽接地 将设备的金属外壳或金属网接地，以保护金属壳内或金属 网内的电子设备不受外部的电磁干扰；或者使金属壳内或 金属网内的电子设备不对外部电子设备引起干扰。这种接 地称为屏蔽接地。法拉第笼就是最好的屏蔽设备。
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风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§8.3 无功补偿与电压控制装置
8.3.1 风电场的无功和电压控制需求
8.3.2 静止无功补偿器(SVC)
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风电场中的电力电子 技术
风电场电气系统
8
风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.4 PWM控制
图8-7 用矩形脉冲序列等 效正弦波形
图8-8 正弦波的两种PWM波形
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.4 PWM控制
计算法：特定谐波消去法（SHE-PWM, Selective Harmonics Elimination）
u uc ur O
PWM波形 调制法 生成方法 跟踪控制法
t
u
Ud
O
Ud
t
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§8.2 风电机组并网换流器
8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
风电场电气系统
制作人：朱永强, 田军
华北电力大学
风电场中的电力电子 技术
§8 风电场中的电力电子技术
8.1 电力电子技术基础
8.2 风电机组并网换流器 8.3 无功补偿与电压的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介
变压器、变频器 移相器
整流：交流变直流（AC-DC）
整流器
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.4 PWM控制
PWM控制的理论基础是面积等效原理，
即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， 其效果基本相同。
这里所说的冲量，是指窄脉冲在时域波形图上的面积；效 果基本相同，是指惯性环节的输出响应波形基本相同。
交流电
转换
直流电
3. 电力电子 设备作用
电压频率
电压频率
电源
转换
输配电网
转换
用电设备
无功补偿、电压控制
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.2 电力电子器件
电真空器件
电力电子器件
不可控器件：电力二极管（Power Diode） 半导体器件 半控型器件：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 全控型器件
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.4 风电机组并网换流器的总结
交流励磁双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励 磁电流所在的转子绕组之间。 无刷双馈式风电系统的变流器，连接于电网与可控励磁电 流所在的定子控制绕组之间。两种双馈式系统，变流器中 的功率流动都要求是双向的，因此要求按双向变流器设计， 即两侧变流器都应采用全控器件，实现双PWM控制。
(a) 发电机侧为不可控整流 (b) 发电机侧为可控整流
(c) 发电机侧为不可控整流＋Boost升压 图8-13 直驱式风电机组并网换流器的常见设计方案
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
图 8-14 交流励磁双馈式风电机组结构示意图
8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器
8.2.4 风电机组并网换流器的总结
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器
图8-12 带有并网换流器的直驱式风电机组示意图
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.1 直驱式永磁同步机组的并网换流器
电力场效应晶体管（MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.3 变流技术
斩波：直流变直流（DC-DC） 实现 直流斩波器 实现
逆变：直流变交流（DC-AC） 电力变换
逆变器 实现
变压、变频、移相：交流变交流（AC-AC） 实现
风电场电气系统
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.4 风电机组并网换流器的总结
（1）容量 双馈型系统的变流器容量（相当于转差功率）一般只占发 电机组额定功率的30％左右，体积和重量较小，因而具有 较低的成本。直驱型系统需要全功率变流器，即变流器的 容量需要按风电机组额定功率设计，体积和重量大，因而 具有较高的成本。 （2）结构 直驱式风电系统的变流器接于定子绕组与电网之间，功率 输送是单向的，即只能从发电机定子绕组流入电网。因此 可以考虑采用低成本的不控或半控器件。
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.3 无刷双馈式机组的并网换流器
无刷双馈式风力发电机组，其定子有两套极数不同的绕组， 一个称为功率绕组，直接连接电网；另一个称为控制绕组， 通过双向换流器连接电网。其作用分别相当于交流励磁双 馈发电机的定子绕组和转子绕组，并网换流器也要求是双 向换流器。 其容量也仅为发电机容量的一小部分，类似于交流励磁双 馈式风电机组的并网换流器。除了可实现变速恒频控制， 降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控 制，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了成本，又 提高了运行的可靠性。
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.2 风电机组并网换流器 § 8.2.2 交流励磁双馈式机组的并网换流器
双向换流器的电网侧和电机侧两个部分，都用可控器件实 现，均采用PWM控制方式，因此又称为双PWM变流器。双 PWM变流器的主电路结构如图8-15所示。
图8-15 双PWM型变换器主电路结构图
模拟电子技术
信息电子技术
数字电子技术
1. 电子技术 电力电子技术
应用于电力领域，即使用 电力电子器件对电能进行 变换与控制 火电厂、水电站、风电机组； 各种电动机 太阳能光伏发电 ； 电铁的牵引机车
3
交流电（常用）
2. 电力 直流电（不常用）
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风电场中的电力电子 技术
§ 8.1 电力电子技术基础 § 8.1.1 电力电子技术简介