某风力发电场工程电气设计简介

(内蒙古电力勘测设计院 电气室，内蒙古 呼和浩特 010020)
摘 要： 文章结合工程实例简单介绍了风力发电机组的特点和风力发电场电气部分的设计方 案，供风力发电场工程设计参考。
关键词：风力发电；电气接线；监控系统
中图分类号：TM614  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2009)06—0116—01

风能是环保型的可再生能源，我国以风力发电为代表的绿色电力产业迅速发展。笔者所介绍 的风力发电场工程装机容量200MW，采用国产风力发电机组。风力发电机组——变压器单元 通过集电线路接入升压站35kV母线，升压站设2台主变压器升压至220kV，以1回220kV线路与 系统连接。
1 风力发电机组
1.1 风机主要参数
额定功率：1 500kW
发电机类型：双馈、带有滑环的四极异步发电机
速度范围：1 000～1 800r/min
电压：690V
频率：50Hz
塔架类型：圆锥型整体钢筒结构
偏航系统类型：四套电动齿轮驱动装置，10套偏转制动器
变桨距系统：电力驱动，单独的叶片变桨距
控制器类型：单片机
信号传输：光纤
远程控制：PC机——图形界面
1.2 风机的技术特点
1.2.1 风机运行。风机的叶片桨距和风轮速度由控制装置自动调节，使风机运行时实现最大产电量和最小载荷 间的理想平衡状态。在风速较低时，风机在部分负荷下工作。此时，风机在恒定的叶片桨距 和可变的转速下运行，达到最佳的风机效率。在风速较高时，风机在额定功率下工作，转速 控制系统和变桨距控制系统同时工作以保持风轮在恒定的输出功率下运行。
1.2.2 安全系统。风机带有三重冗余度的安全系统。在正常制动操作时，叶片旋转进入顺桨状态。各叶片的变 桨距机构独立工作，即使有两只叶片上的变桨距机构失灵，第三只叶片仍然能从各种可能的 不正常情况下恢复到安全转速范围。当机组停机时，叶片转到90°对风位置，在暴风雨的情 况下能显著减小机组载荷。
1.2.3 传动系统。传动系统中载荷传输结构采用了专利保护的“斜锥”原理。它将风轮的载荷用最佳方式转移 到塔架，风轮转轴的倾斜度和转子的锥度共同作用缩短了转子重心与塔架轴之间的距离，也 因此节省了由于消除大的前倾量而需要的大量材料。齿轮箱和发电机之间的联轴器上安装了 一个制动装置。机械制动器盘作为附加的安全保障。它只在主要的安全系统（叶片变桨距机 构）发生故障的情况下启动，具有除了独立变桨距系统的三重冗余保护外的第四重安全措施 。
1.2.4 电气系统。风机采用双馈异步发电机，由变频器系统控制运行。风机在可变的转速下工作，却不需要将 全部功率通过变频器传送出来，在部分载荷条件下提供了相当平滑的功率变化以及在额定功 率条件下的近乎完全平滑的功率输出。输入电网的电压和频率保持绝对的恒定。在此模式下 运行具有最优性能：低的风力特性（低切入风速、高效率），特别是在低风速下的低噪音传 播，向电网供电特性等都得到了明显改善，能满足电网所有的要求并且能够支持较弱的电网 。对电网受限制的系统，它具有明显优点，而且能明显降低上网费用。
1.2.5 控制系统。风机的控制系统是通过多个单片机来进行控制的，它通过光纤连接到大量控制传感器上，以 实时方式进行工作。保证了在最高安全性下达到最大的信号传输速度，同时还能保护它不受 电压漂移或雷击破坏。管理控制系统的主控计算机确定风轮转速和叶片变桨距的设定值，用 于风机电气系统和轮毂内的变桨距机构的分布式控制，并持续监控电网电压/频率/相位、风 轮/发电机转速和温度、振动、油压、制动衬片磨损以及电力电缆缠绕和所有的气象数据等 。通过适当的访问权限，允许对设备进行远程控制。运行人员和维修小组，通过电话线从总 部的PC机上可以对机组的状态和所有运行数据进行查询。

对于关键的故障探测功能都是通过内置冗余来实现的。遇到紧急情况时，即使在没有主控计 算机和外部电源的情况下，也可以通过触发固化的安全控制回路使设备迅速停机。
2 电气接线
2.1 220kV电气接线

按照系统要求，220kV采用单母线接线，以一回220kV出线与电网连接。

220kV升压站设两台主变压器，主变压器为220kV、35kV两级电压，采用户外三相铜芯双绕组 (带平衡线圈)有载调压变压器，容量100 000/100 000kVA，电压230±8×1.25％/36.75kV， 接线组别Yn,yn0,d11，主变压器220kV侧中性点经隔离开关接地。220kV断路器开断电流按40 kA选择。
2.2 35kV电气接线

35kV采用单母线分段接线，即每台主变接一段35kV母线，两段35kV母线之间设联络断路器 。主变35kV侧中性点经电阻接地。35kV配电装置采用户内手车式成套开关柜，开关柜内配真 空断路器，电抗器间隔配SF6断路器；35kV配电装置短路水平按31.5kA选择。
按照系统要求，每段35kV母线接容量24MVar动态无功补偿装置。
2.3 风电机组电气接线

风力发电机组采用发电机——变压器组单元接线，升压后接至35kV集电线路，每回35kV集电 线路接8～9台风力发电机组接入升压站35kV母线。风力发电机组的升压变压器采用箱式变压 器，变压器容量为1 600kVA，变比为36.75±2×2.5%/0.69kV，接线组别Dyn11。
2.4 站用电电气接线

站用电电压为380/220V，采用中性点直接接地方式。变电站设2台站用变压器，一台电源由 站内35kV母线引接，另一台电源由站外10kV线路引接。2台站用变互为备用的，站用电采用 单母线分段接线，两段之间设联络断路器。站用变压器采用干式变压器，容量为1 000kVA， 变比为36.75±2×2.5％/0.4kV，接线组别Yyn11。380/220V配电装置选用GCS型抽屉式开关 柜。
3 监控管理系统
3.1 风电场监控系统

由于风电场所处的地理位置比较偏僻，各个风机之间的距离较远，对风机进行现场监控比较 困难，因此在风场的工程方案中采用拓扑网络，建立在线监测和远程控制系统，对风机进行 有效的控制和管理。

风场的远程控制管理系统，由能够支持远程通讯的系统硬件和显示操作用的软件构成。系统 硬件包括通讯模块、连接电缆及附件和远程监控管理计算机；软件包括计算机系统软件和风 场管理系统软件。

系统网络采用光纤环网连接，光缆从主控制器（master）开始出发，依次连接到风场的每个 风机从控制器（slave），然后再回到主控制器。环网方式非常适合风电场风机群的连续连 接，环路中可以跳过任何的下一站，信息传输可靠灵活。
3.2 升压站监控系统

升压站采用成熟的变电站自动化系统，电气设备由计算机进行监控，提高了管理水平和工作 效率，实现了少人值班的运行方式。

升压站自动化系统分为站控层和间隔层二级。站控层由数据库服务器、操作员站、工程师站 、通讯网络设备、GPS时钟等构成；间隔层由测控装置、保护装置、自动装置等构成。站控 层和间隔层网络采用双以太网，数据通过网络传输，实现间隔层向站控层的信息上传和站控 层向间隔层的控制命令下达。

操作员站、工程师站布置在控制室，测控装置、保护装置、自动装置等布置在电子设备间， 35kV测控保护装置安装在35kV开关柜内。
4 结语

风能已经成为我国未来能源储备的重要组成部分。风能发电可适当缓解火电不足的矛盾，减 少环境的污染，节约不可再生的化石能源，实现能源结构的多样化。设计部门应深入了解风 力发电的特点，优化风电场的设计方案，提高风能资源的利用。