风电场电气设计的探讨

风电场电气设计的探讨

郭昊

关键词：风电场；电气设计

引言

在国家鼓励新能源产业发展的政策支持下，中国的风电产业得到了迅猛的发展。风电场电气系统主要由一次系统和二次系统组成，本文主要结合某电场工程设计情况，分析风电场电气一次系统设计，对电线配置、电流控制及保护系统的设置等方面进行研究，希望对相关研究领域提供借鉴意义。

一、风电场

1.1概念

风电场是指在同一场地上安装几十甚至上百台大型风力发电机组，并联在一起，由计算机控制运行共同向电网供电的风能利用方式。相关研究人员通过遥感图像对风电场选址的土地利用进行分类，即风电场土地利用的类型可包括耕地、林园地、草地、设施地、水域、沙裸地及其他。故风电场也存在着地形地貌、规模上的差异。

1.2选址

风电场的选址会在拥有丰富风资源的区域，风能也就成了当地的有利资源和特色体现。这些地域常处于开阔的自然景观地带，如草原、山地、海洋等，其本身蕴藏着可挖掘的景观潜力，通过对这种特有资源的利用和塑造，可以让人们从不同的角度去感知风、云、水这些自然元素，创造易动易静、易响易静，给予人不同感观体验的景观。

1.3现状

目前风力发电已成为一种倍受关注的新能源产业，其从最早出现于公元前6000年古埃及在尼罗河域的推帆助船，到古代波斯文明后人类发明的第一台用来研磨作物和农业提水的机械风车，再到17世纪的荷兰利用类似的风力技术来驱动水泵进行灌溉，迄今，风电场的建设不但满足人们生活、生产上电力扩大的需求，同时也为振兴地区旅游业和环境教育实践发挥着愈来愈大的作用，为地域活动、地域建设做出支持和贡献。

二、工程概述

2.1风电场的电气系统组成

风电场电气系统主要是由一次系统和二次系统两个关键部分组成，其中一次系统包括四部分，即电机组、升压变压站、集电线路及电系统。

2.2电场工程简介

本电场工程规划容量是100MW，工程装机容量为45MW，单机容量1500kW发电机组30台。风电场内部设有一台110kv的升压变电站，高压侧电压35kV，低压侧电压0.69kV，采用一机一变单元的接线方式。

三、风电场电气一次系统设计

3.1选择主要设备

（1）选择箱式变压器

一般情况下，风电场的风电机组间的选址距离较远，尽量要降低发电机组回路损耗的电能，减少动力电缆的使用数量与长度，需要选择合适型号的变压器，考虑电机组总容量与超负荷余量。不能忽略发电机组的抗短路电流能力，最大程度使机端短路电流量降低，选取箱式变压器时，要保证短路阻抗不能过小。

（2）控制短路电流

电气设备选型、继电保护整定与校核都需要以短路电流计算为基础，因此短路电流计算的准确性将对电气系统安全稳定性及工程造价产生直接影响。可把风电场视为独立系统，对短路电流进行计算分析，对电气系统的组成元件进行简化、等值，在其电气特性保持不变的情况下，对具有复杂性的电气网络进行简化，使其成为能提供计算功能的电路模型。短路电流是指电气系统内部相与相之间或相与中性点之间所经过电弧或小阻抗拉通电路，导致导线中流过的电流要比常规情况下流通的电流增大数十倍。对箱式变低压侧而言，虽然电网中的低侧压变压器阻抗要比电力系统高压侧的阻抗大出很多倍，当低压电网出现短路故障时，而变压器的一次端电压下降的幅度却不大，但对风电机组，当短路电流出现较大误差时，会对短路保护装置敏感度产生影响，影响电气设备选型，特别是当电力电缆的阻抗过大时，需要对整个电气系统的阻抗能力进行详细分析。

（3）选择断路器

在选择短路器时，要充分考虑线路的短路电流，在满足工程技术要求的同时，也要保证经济效益。除了要满足电流、电压耐受电流、机械载荷、绝缘水平等参数外，还要考虑海拔高度、周围气温及空气湿度等环境要素。断路器保护对整个风电场的机组安全产生直接影响，针对箱式变低压侧线路，断路器需要接收来自外部跳闸的信号，才能实现保护，低压断路器的额定电流是风电机组出口标准电流的1.5倍。

（4）选择电力电缆

在电力电气系统设计中，电线电缆的支持必不可少，选取合适的电线电缆，不仅能提高电气系统的安全指数、降低事故发生率，同时也能降低工程项目造价成本，优化系统，提高整个系统的性能。实际应用中，单根电缆需要具有较大的电流承载力，由于多种因素都会对载流量产生影响，不同的敷设方式产生的载流量也不尽相同，需要结合电缆实际运行环境，合理设置敷设方式，并进行调整，单根电缆载流量是其在标准温度下载流量与温度修正系数的乘积。

3.2照明系统设计

在风电场电气照明系统设计中，需要严格按照照明标准来进行，主要分为常规照明系统与应急照明系统两部分，需要应用三防荧光灯。常规照明系统为220V交流电源，而应急照明系统可兼为常规照明使用，当交流电源不能正常供电时，保证其能自动切换为蓄电池的电源。

3.3保护系统

风电场变电站需要设置接地保护系统，避免沿线路入侵的雷电波对电气设备造成危害。在风电场变电站内部要合理设计与安放避雷器，并结合整个结构对变电站的外配电装置进行保护。根据风电场的结构，要合理规划与设置水平接地网、垂直接地接地网，也可以设置一些复合网，确保接地网和风电机组接地网能够有效衔接，保证组成接地网的接地电阻不超过4Ω。整个电场机组由水平接地环电极与垂直接地极一同构成接地系统，同时与工程基础中的钢筋进行连接，把钢筋作为自然接地物体，整个机组利用接闪、接地、屏蔽、钳位、合理布线等现代化的防雷技术，可实现对风电机组中的叶片、塔筒及机舱等设备的防雷保护。风电机组设备要按照风电机组防雷标准进行设计。设置保护系统，外部保护主要起到防止雷击造成的直接损坏，内部保护主要起到防止由于直接或间接雷击造成的电位差而引起破坏的作用。在设置保护系统时，需要把外部防雷措施与内部防雷方法进行统一规划，使二者共同发挥出最大的防护功效。

结束语：风电企业的发展与社会需求有着直接关系，其自身技术与管理效率的提高也是影响其发展进程的重要因素。国家产业政策的调整，对风电管理提出了更高要求，人们也越来越重视风电电气设备的设计与应用。因此需要加强对风电场电气系统设计的研究，提高系统设计科学性，降低设备运行故障率，促进其安全有效运行，创造出更大的价值。

参考文献

[1]唐益文，旭杰.电场电气一次系统设计[J].工业技术，2014，05（11）：13-15.

[2]黄玲玲，王明.海上风电场电气系统现状分析[J].电力系统保护控，2014，05（12）：11-12.