PAGE畢業設計[論文]任務書姓名

朱剛

專業

電氣工程及其自動化指導教師

張紅

學號

入學時間10年3月站點（院系）

昆山

一、課題名稱(論文標題)300MW海上風電場電氣主接線設計二、課題內容隨著不可再生能源資源的日益消耗，風力發電作為一種清潔的發電方式，已越來越受到世界各國的歡迎。與此同時，海上風電備受重視，雖然海上風電場電氣設計與陸上風電場的原理相同，但由于海上環境因素和風機布局的影響，以往設計方法并不一定適合海上風電場。所以有必要進行針對海上風電場電氣主接線設計的探討。海上風電場的電氣設計主要包含幾個方面：風力發電機組升壓方式、風電場匯流電纜（集電線路）選擇、風機分組及連接方式、風電場入網方式等等。海上風電場匯流線路方案無一例外采用海底電纜敷設方式。雖然海底高壓電纜的成本很高，但可靠性也高；海上匯流電纜線路結構主要有3種常用方案：鏈形結構、單邊環形結構和雙邊環形結構。鏈形結構因簡單，造價低，被陸上風電和海上風電廣泛采用。風力發電機分組多為靠風機的排布位置、結合海上土建施工的便捷性，由微觀選址制定。本文主要針對開發中的江蘇沿海某300MW海上風電場（海上升壓站平臺）電氣主接線進行設計，通過對風機的分組和連接方式、風電場匯流線路方案、風電場短路電流計算以及主要設備選取原則等問題進行具體的討論，提出兩種關于風機分組連接、匯流線路設計的可行方案。并借鑒現有海上風電場的數據，對方案進行技術和經濟方面的比較，確定最終方案。陸上部分變電/開關站預留了擴建二期間隔和光伏發電送出通道，原則為一期預留二期建成，具體不在設計范圍內。三、課題任務要求1、觀點正確，論證充分，信息來源可靠2、結構合理，邏輯嚴密，用數據說話3、有新穎性，并滿足一定的閱讀量四、同組設計者無五、主要參考文獻[1]風力發電場設計技術規范(DLT_5383—2007)，中電聯；[2]風電場接入電力系統技術規定（報批稿）；[3]國家電網公司，風電場接入系統設計內容深度規定（修訂版）；[4]大型風電場并網設計技術規范（NB/T-2010）；[5]國家電網公司，風電場電氣系統典型設計（ISBN：9787512318489）；[6]朱永強,張旭《風電場電氣系統》.機械工業出版社2008；[7]許瑞林.江蘇省海上風電發展前景與展望；[8]東海大橋海上風電場工程；[9]劉海東《江蘇沿海風電開發的可行性分析》.北京,華北電力大學，2006；[10]PredragDjapic,GoranStrbac《CostBenefitMethodologyforOptimalDesignofOffshoreTransmissionSystems》.FUNDEDBYBERR,July2008；[11]所有風資源數據和信息均來自國家發改委能源局、中國風力發電、歐洲風能協會、中國再生資源網、中國新能源與再生資源網、江蘇省發改委、全球風能協會、東臺市氣象局、日本風能協會、澳大利亞風能協會、清潔能源網社區、國家電網公司、中國資源綜合利用協會可再生能源專業委員會等網站.指導教師簽字

______教研室主任簽字

年

月

日摘要隨著不可再生能源資源的日益消耗，風力發電作為一種清潔的發電方式，已越來越受到世界各國的歡迎。與此同時，海上風電備受重視，雖然海上風電場電氣設計與陸上風電場的原理相同，但由于海上環境因素和風機布局的影響，以往設計方法并不一定適合海上風電場。所以有必要進行針對海上風電場電氣主接線設計的探討。海上風電場的電氣設計主要包含幾個方面：風力發電機組升壓方式、風電場匯流電纜（集電線路）選擇、風機分組及連接方式、風電場入網方式等等。海上風電場匯流線路方案無一例外采用海底電纜敷設方式。雖然海底高壓電纜的成本很高，但可靠性也高；海上匯流電纜線路結構主要有3種常用方案：鏈形結構、單邊環形結構和雙邊環形結構。鏈形結構因簡單，造價低，被陸上風電和海上風電廣泛采用。風力發電機分組多為靠風機的排布位置、結合海上土建施工的便捷性，由微觀選址制定。本文主要針對開發中的江蘇沿海某300MW海上風電場（海上升壓站平臺）電氣主接線進行設計，通過對風機的分組和連接方式、風電場匯流線路方案、風電場短路電流計算以及主要設備選取原則等問題進行具體的討論，提出兩種關于風機分組連接、匯流線路設計的可行方案。并借鑒現有海上風電場的數據，對方案進行技術和經濟方面的比較，確定最終方案。陸上部分變電/開關站預留了擴建二期間隔和光伏發電送出通道，原則為一期預留二期建成，具體不在設計范圍內。關鍵詞：海上風電場，匯流系統，電氣設計，經濟技術比較，設備選取原則AbstractWiththepossibleconsumptionofrenewableenergyresources,increasingly,windpowerasacleanrenewableenergypowergeneration,moreandmorecountriesaroundtheworldhavebeenwelcomed.Atthesametime,offshorewindpowerhasattractedincreasingattention.Althoughoffshorewindfarmsonshorewindfarmelectricaldesignandthesameprinciple,butbecauseofthelayoutofoffshoreenvironmentalfactorsandtheimpactofthefan,thetraditionaldesignapproachisnotnecessarilysuitableforoffshorewindfarm.Therefore,theneedforoffshorewindfarmforthedesignofthemainelectricalwiring.Offshorewindfarmelectricaldesignmainlyincludesseveralaspects:windturbinestep-upapproach,windconvergencecable(collectorlines)options,fangroupsandtheconnectionofthewindfarmnetworkandsoforth.Offshorewindfarmprogram,withoutexception,theuseofconverginglinessubmarinecablelayingmethod.Althoughthehighcostofsubmarinehighvoltagecable,butthereliabilityishigh;seacablelineconvergencestructureTherearethreecommonscenarios:chain-shapedstructure,unilateralandbilateralring.Chain-shapedstructureissimple,lowcost,isonshorewindandoffshorewindpowerwidelyused.Windturbinefangroups,mostlyarrangedbylocation,combinedwiththeconvenienceofmarinecivilconstruction,developedbythemicro-site.Heremainlyforthedevelopmenta300MWoffshorewindfarmoftheJiangsucoast(step-upstationoffshoreplatform)mainelectricalwiringdesign,throughthefangroupandconnection,windconvergencelineoptions,calculatingshort-circuitcurrentandthewindfarmmasterdeviceselectthespecificissuessuchasthecalculationanddiscussion,proposedtwogroupsoffanstoconnect,convergencecircuitdesignoptions.Andlearnfromexistingoffshorewindfarmdata,theprogramoftechnicalandeconomiccomparison,todeterminethefinalplan.Onshorepartofthesubstation/switchingstationreservedforexpansionoftwointervalsandsentPVchannel,butnotwithinthescopeofthisdesign.Keywords:offshorewindfarm,thebussystem,electricaldesign,economicandtechnicalcomparison,theequipmentselection目錄摘要……………………I引言……………………1一、概述………………21.設計背景和意義…………………22.海上風電場電氣主接線設計現狀………………3二、300MW海上風電場介紹及主要設備選型………71.海上風電場基本資料……………72.電氣主接線設計…………………73.場用電設計………………………114.主要設備選型……………………11三、300MW海上風電場接線方案……………………141.概述………………142.匯流線路方案描述及比較………143.風電機分組和連接方案比較……………………18四、短路電流計算及主要電氣設備的選取…………261.短路計算說明……………………262.系統等值阻抗電路圖……………273.短路電流的計算…………………284.主要220kV電氣設備的選取要求………………32結束語…………………35致謝……………………36參考文獻………………37引言本文在通過對江蘇沿海地區某一300MW海上風電場電氣方面的設計優化及其所面臨的問題、設計意義等內容的基礎上，對風電場電氣設計的幾個重要部分進行了討論，其中主要包括以下部分內容：1、確定海上風場所布置的機型、主接線、海上匯流線路形式及主變；2、討論了海上風電場風機的分組和連接方案，并從經濟和技術上進行比較；3、進行了短路電流的計算,用以選擇和校驗所選電氣設備的相關參數；4、對選定的匯流線路接線方式進行優化，以降低造價。一、概述1設計背景和意義風力發電是世界范圍內發展速度最快的新能源，目前已有100多個國家和地區開始發展風能發電，主要市場集中在歐洲、亞洲和北美洲。海上風電則代表了當今風能發電技術的最高水平，要求設備高可靠、易安裝、易維護，市場規模極大，風險也很高，因此備受各國關注。隨著我國風電產業優惠和激勵政策的相繼出臺以及2006年1月1日《可再生能源法》的頒布實施，風力發電得到了飛躍發展。2010年10月12日，全球風能理事會和國際環保組織“綠色和平”在京發布《全球風能展望2010》報告，2010年年中中國風電裝機容量已達3000萬千瓦，提前10年完成了我國原先規劃的2020年風電裝機容量達2000年哥本哈根灣建成全球第一個商業化運作的海上風電場至今，海上風電發展最快的英國2010年裝機突破100萬千瓦。而截至2010年底，中國海上風電裝機容量僅為14.25萬千瓦，在2010年世界海上風電裝機350萬千瓦中只占4%左右。中國海上風資源儲量豐富，據初步測定有7億千瓦，是陸地風資源儲量的2到3倍。而根據中國氣象局風能資源詳查成果，測得我國5米到25米水深線以內近海區域、海平面以上50米高度風電可裝機容量約2億千瓦，70米以上可裝機容量約5億千瓦。海上風電的優勢是：年利用小時長，風速較陸上更高，風切變更小，湍流強度小，有穩定的主導方向，因此機組運行穩定、壽命長，不需要很高的塔架，單機能量產出較大。根據“十二五”可再生能源規劃，風力發電將作為可再生能源的重要新生力量繼續獲得大力發展，規劃2015年中國海上風力電裝機500萬千瓦，規劃到中國已建和在建的海上風電項目有上海東海大橋10萬千瓦項目、江蘇如東潮間帶15萬千瓦示范項目以及2010年國家發改委啟動的首輪100萬千瓦海上風電招標項目。有專家斷言，隨著海上風電的加速發展，風電將成為沿海一帶省市未來能源供給的主要來源。至2020年，我國將是歐洲之外惟一一個快速發展的海上風電市場，特別是未來5年，我國海上風電將進入加速發展期。東部沿海特別是江蘇沿海灘涂及近海具有開發風電非常好的條件，不占用土地資源，且接近沿海用電負荷中心。根據江蘇省海上風電發展規劃前期研究成果，江蘇省海上風電可開發容量約1800萬千瓦，其中，潮間帶可開發250萬千瓦，近海可開發1585萬千瓦，預計到2020年，江蘇省在潮間帶和近海將建成約700萬千瓦海上風場，規模化開發千萬千瓦級風電基地的基本條件已經具備。我國風力發電事業的發展只是近五年的事情，且相應的風電場電氣設計也是在近幾年才真正發展起來，因此還不成熟。陸上風電場電氣設計僅有一部風電場接入電力系統技術規定（征求意見稿）作為參考，海上風電場設計更是沒有可依據的設計指導文件。雖然海上風電場電氣設計與傳統的陸上風電場在原理上是相同的，但是海域使用、海洋環境保護以及海底電纜管道等海上環境的特殊性，又決定了實際工程設計的不同，陸上風電設計的經驗，并不能簡單地移植到海上風電設計中。已經建成的海上風電場電氣設計有很多地方由于沒有經驗可參照，都是按照傳統陸上風電場甚至是傳統變電站的設計方法來進行，直接“山寨”國外海上風電場設計又存在水土不服和設備選型的尷尬。風電場電氣主接線設計良莠不齊，無規可循，甚至某些設計院照搬照抄地把陸上風電場電氣設計的缺陷帶到了海上風電。海上風電場電氣設計方面水平的提高，對于整個風電建設事業進一步發展有著重大的意義，其主要表現在以下幾個方面：（1）海上風電場的選址、風機安裝點的選址主要是從風資源、海域規劃使用的角度去考慮，而關于海上風電場內的電氣接線方案、風機布置方案的設計研究可為其提供參考；（2）現已設計的許多海上風電場的風機分組、接線方式都采用了比較直觀的方案，但缺乏經濟性、可靠性方面的綜合考慮和比較。海上風機分組、接線的設計探討為今后的工作提供一種參考；（3）為海上風電場的風力發電機的選型、海底電纜優化和大幅降低工程造價提供參考。海上風電大規模、迅速的建設，要求設計盡快成型，從而減少設計進度與工程建設進度的矛盾，加快海上風電場建設的速度，提高工程建設和管理的效率，以更快地收益。2海上風電場電氣主接線設計現狀海上風電場電氣主接線的設計主要分以下幾個方面：風力發電機組升壓方式、風電場匯流線路選擇、風力發電機分組及連接方式和陸上入網方式等。風力發電機組升壓：由于發電機和電力變流設備的限制，現國內外主流風力發電機組出線電壓多為690V，若直接匯總并接入風電場的升壓站，則電能損耗過大，且導體的截面過大，無法滿足安裝要求。雖然海上風機單機功率一般在2.5MW以上，如3.6MW的發電機出口電壓達到3000V，但也是同樣原因須將電壓升高至35kV甚至110kV或更好電壓才能接入電網。從年運行費用上比較，在經濟輸送容量的范圍內，35kV方案線損和投入較小，且維護工作較少。因此，現國內外風力發電機組升壓多采用35kV方案（歐洲普遍采用20kV、34.5kV和66kV）。國外有少數分布式設置風機的實驗，不考慮主變和匯集送出通道，將風機輸出直接升壓至110kV并網。這樣的結果會導致風機的頻繁離并網，使得風機的總發電量降低，對主電網電能品質影響大。圖1-1國外某海上風電場升壓站平臺海上風電場接線：匯流線路結構一般有3種常用方案：鏈形結構、單邊環形結構和雙邊環形結構。鏈形是已建風電場中采用最多的一種連接方法。陸上風電場多用此設計是因為結構簡單，成本不高，其基本思想是將一定數目的風力發電機（包括其附帶升壓變壓器）連接在一條電纜之上。主要問題是每條鏈上的風機數目受到地理位置、電纜長度、電纜容量等參數限制。環形設計比鏈形需要的電纜規格更高、長度更長，因此成本較高，但因其能實現一定程度的冗余，可靠性較高。其中，單邊環形結構是將鏈形中每串尾部的風力發電機通過電纜接回匯流母線，雙邊環形結構是將鏈形中兩相鄰串的尾部風力發電機相連，而造價均較高。圖1-2匯流線路常用結構風電場匯流線路選擇方面，陸上風電場匯流線路方式一般采用架空線或電纜敷設這兩種。海上風電場由于復雜惡劣的的自然條件等海況限制，加之風速大，風電場年利用小時數較高，檢修線路對發電量造成的損失較大，在考慮建設造價、施工難度、運行成本等諸多因素后，國外海上風電場匯流線路均選用可靠性高的電纜敷設方案。風力發電機分組多為靠風機的排布位置、結合現場施工的便捷性制定，再由微觀選址結果決定。大多數情況下，要盡量使風機均勻地分部到各個匯流支路上，以免造成風場運轉時由于各條支路電量和潮流不均而造成的沖擊。合理的進行風機分組可以減少出線斷路器臺數，使風電場海底高壓電纜投資盡量節省，從而優化了主接線設計。二、300MW海上風電場介紹及主要設備選型1風電場基本資料江蘇沿海地區某海上風力發電場一期位于某市的一個鎮行政區內，西距其沿海經濟開發區海岸線32-35公里（根據國家海洋局和國家能源局聯合出臺的《海上風電開發建設管理暫行辦法實施細則》規定海上風電場原則上應在離岸距離不少于10千米、灘涂寬度超過10千米時海域水深不得少于10米的海域布局和已經上報待批的江蘇省級2010年至2020年海洋功能區劃要求，調整后的用海范圍，較原規劃向深海推進12-15公里），用海面積約60平方公里，海底地勢延伸平緩，基本屬于近海風電場。風電場區域水深5-25米，90米高度年平均風速約8.6米/秒，年有效風速小時數8248小時（3.5米/秒~25米/秒），年等效滿負荷小時數大于2600小時。風電場海域屬北亞熱帶和太平洋暖溫帶季風氣候，冬冷夏熱，春溫多變，秋高氣爽。常年平均氣溫14.6℃現設計海上風電場一期總裝機容量302.4MW，使用3.6MW雙饋變速型風力發電機組84臺，分布在大約60平方公里的近海，風電場風機匯流采用35kV海底電纜線路。根據海上風機微觀選址結果，84臺風電機組設計分8條匯流回路，220kV分相式復合光纖海底電纜線路總長約35公里，35kV復合光纖海纜總長度約50公里。海上風電場一期有220kV升壓站一座（升壓平臺），設計兩臺容量為150000kVA的主變壓器和220kV以及35kVHGIS組合電器。電能由海上風電場升壓站平臺經陸上配套的變電/開關站往江蘇蘇北某500kV變電站220kV母線送出。由于該沿海灘涂每年以80米2電氣主接線設計電氣主接線又稱一次接線，它是電廠變電站（升壓站），電力系統傳遞電能的通路，主接線是發電廠變電站電氣部分的主體，其中包括發電機、變壓器、母線、斷路器、隔離開關、互感器等主要設備，變電站的電氣主接線應根據該站在電力系統中的地位、變電站的規劃容量、負荷性質、線路、變壓器連接元件總數、設備特點等條件確定。海上風電場升壓站實質上為終端變電站，當能滿足風機啟動、電能送出和繼電保護要求時，宜采用斷路器較少的分支接線。鑒于單一的海上風電場的容量較大，且配有兩臺主變的情況，故海上升壓站宜選用單母接線方式，220kV母線避雷器和電壓互感器，宜合用一組隔離開關，以減小海上平臺面積。此組合方式有著接線簡單清晰，設備少，投資省，運行操作簡單和便于擴建的優點，適用于海上風電場的主接線設計方式。海上升壓站及陸上變電/開關站的主接線圖如下:圖2-1.陸上變電/開關站主接線圖圖2-2.海上升壓站平臺主接線圖圖2-3.風機分組主接線3場用電設計場用電接線見圖2-2.場用電電源取自35kVI段母線和35kVII段母線，保證了兩個相對獨立電源供電，低壓側采用單母線分段的接線形式，部分重要負荷可在低壓側I段母線，II段母線各取一回，保證供電的可靠性。4主要設備選型（1）風電機組的選型現選擇由某風電制造公司生產的SEC-W-3600型3.6MW風冷雙饋風力發電機，主要技術數據如下:額定功率3.6MW額定效率97%冷卻方式IC616定子/轉子額定電壓3000V/674V定子/轉子額定電流573A/定子輸出頻率50Hz轉子開路電壓1927V定/轉子接線方式Δ/Y額定轉速1800r/min直軸同步電抗、暫態電抗、次暫態電抗Xd=1.129，Xd’=0.047，Xd’’=0.047交軸同步電抗、暫態電抗、次暫態電抗Xq=1.129，Xq’=0.047，Xq’’=0.047絕緣等級H發電機防護等級IP54滑環防護等級IP23重量210t運行轉速范圍1000~2000r/min運行環境溫度-30~40（2）風機箱變的選型風機出口電壓為3000V，所以需要為風機提供一變壓器以達到匯流線路的額定電壓,具體數據如下:表1.風力發電機美式箱變參數型號SRM-M-3700/35容量（kVA)3700接線方式Dyn11抽頭電壓(kV)35+2*2.5%/3短路阻抗（%）5.23空載電流（%）0.23%空載損耗（W）2228（3）主變壓器的選型海上風電場一期的總功率為302.4MW，所接電網電壓為220kV，以此數據選擇主變壓器，具體數據如下:表2.風電場主變壓器參數型號SFP7-150000/220容量（MVA)150接線方式YNd11抽頭電壓(kV)230±8*1.25%/35空載電流（%）0.65空載損耗（kW）140負載損耗（kW）450短路阻抗（%）13.6高壓側容量（MVA)150電壓等級（kV）220/35冷卻方式ONAF表3.風電場場用變壓器參數型號參數容量（kVA)400接線方式Dyn11抽頭電壓(kV)35/0.4短路阻抗（%）12.04空載電流（%）1.45空載損耗（W）1130海上升壓站平臺布置見下圖。平臺上設有五個模塊和主變、場用變間隔，電纜進線和防火系統專設一室。平臺下部有220kV和35kV電纜進線轉接器。220kV和35KvHGIS模塊分別安裝有兩個電壓等級的組合配電裝置。控制和保護系統模塊內安裝有繼電保護、SCADA-RTU和包括蓄電池在內的UPS系統。具體這里不做討論。圖2-4.海上升壓站平臺布置示意圖三、300MW海上風電場接線方案1概述此設計的模擬海上風電場的容量較大，但由于海上風電的特殊性，風電場接入電網對系統的影響也不可小覷。因此，在離岸距離達35km以上該設計風場為近海風電場，屬于近海域。由于離岸較遠和海域使用限制，也為了后續的運行維護交通方便，故風機沒有采取狹長的布置方式，而是風機布置得相對十分集中，大部分風機距風電場升壓平臺較近，以規則的陣列布局。本設計根據風電場的裝機規模確定采用的升壓級數，風電場需設置匯流線路，風機的分組和布置也有多種方案。2匯流線路方案描述及比較（1）方案描述由于海上風電的特殊性，在海水中大量架設塔桿很不現實，故本設計不考慮架空線和電纜與架空線的經濟技術比較。風電場的風機至升壓站平臺之間的匯流線路以及上岸送出線路均采用電纜方案。電纜由于埋設在海底，不受周圍環境影響，可靠性較高；電纜對地電容較大，發生單相接地故障時，電容電流較大，并且發生單線接地故障通常以永久故障為主，因此不可以采用中性點不接地方式，只能采用消弧線圈接地或電阻接地方式,無形中降低了可靠性；太平洋表層年平均水溫為19.1℃，除海底火山口周邊外，一般海水溫度隨著水深逐漸降低。由于本風場海域海底均為泥沙淤積，導熱系數大、易于電纜散熱，海底電纜埋入海底淤泥之下，不僅散熱好且無跨越，因此不考慮發熱和機械強度校驗，短距離電纜在截面積滿足要求時，一般也無需進行電壓損失校驗高壓海底電纜造價異常昂貴，且鋪設復雜，相同截面導線載流量不宜多。本設計中電纜導線截面積不宜過大，220kV宜選擇單根電纜，35kV宜選擇三相電纜，以降低造價。根據項目規劃后預可研微觀選址結果，風機布局有4排和5排兩種方案，見下圖。圖3-1風機布局方案風電場行列間距各600米，根據土建專業設計結果，海上升壓站平臺安裝在B排和F排之間，綜合風機微觀布局要求，得到下表的數據。表4.風機布局方案一排號風機數量(臺)本排總功率（MW）本排總負荷（A）線路總長（米）A排（E排）1139.6653.36900B排（F排）1139.6653.36300C排（G排）1036593.96300D排（H排）1036593.96900風機布局方案二A排（F排）932.4534.55700B排（G排）932.4534.55100C排（H排）828.8475.15100D排（I排）828.8475.15700E排（J排）828.8475.16300（2）經濟比較：1）導線的選擇由于本地區海面上90米高層平均風速為8.6米/秒，年有效風速可利用小時數達8248小時，最大負荷年利用小時Tmax＝2600h（實際大于此數據，這里僅計算參考），經濟電流密度220kV電纜選J=1.68，35kV電纜選J=1.64。略方案一方案二線路正常工作電流（A）653.3593.9534.5475.1電纜截面積（mm2）398.35362.13325.92289.7220kV電纜（單相）選擇為日本J-PowerSystems公司的PPLP1*500復合紙絕緣電纜,查得允許長期載流為763A，正常允許的最高溫度為90℃，r=0.037Ω/km，x=0.07Ω/35kV電纜（三相）選擇為兩種截面，正常允許的最高溫度均為90℃，具體型號和參數見下表電纜型號截面（mm2）允許電流（A）r（Ω/km）x（Ω/km）ZS-YJQF-26/353*4006890.04700.3266ZS-YJQF-26/353*3005750.06010.3485略鑒于前述的海底敷設理由，無需計算電纜載流修正系數，載流量即可滿足長期發熱要求。2）電纜價格方面:220kV電纜（單相）選擇為日本J-PowerSystems公司的PPLP復合紙絕緣電纜共105km，約780萬元/km，總造價約為81900萬元兩個方案的35kV電纜造價見下表7。電纜型號單價方案一方案二長度造價長度造價ZS-YJQF-26/353*400130萬元/km23432萬元km萬元ZS-YJQF-26/353*300122萬元/km26.43220.8萬元55.86807.6萬元總造價6652.8萬元6807.6萬元由此可見，220kV大截面超高壓電纜十分昂貴，而且還不包括敷設施工等費用。兩個方案中35kV中壓電纜造價差距不大。小結電纜線路需要較大投資，尤其是超高壓海底電纜，但在海上風電場設計中還必須優先考慮此方案，如：離岸較遠的海上風場及風力影響較大且不允許采用架空線路的地區。另外，還需根據造價、施工、便于檢修以及可靠性等綜合考量對電纜方案進行優化。3風電機分組和連接方案比較根據該海上風電場的微觀選址、現場情況及平均分組的原則，現將風機按所在匯流電纜線路分為8回和10回，分屬方案一和方案二，以確定何種方案更具實際經濟技術意義。（1）方案描述風電場的風機排列各異，有陣列布置，也有線性布置，合理選擇風機分組和風機連接型式，可以使風電場電纜投資盡量節省。風電場的風機分組及連接方式視微觀選址結果而定。從陸上風電場和海上風電場的設計經驗綜合來看，連接方式基本上均采用鏈形。這里優先采用圖1-2（a）所示的鏈形結構。將若干風力發電機連接在同一條匯流電纜上，整個風電場的電能通過若干條電纜線路送到匯流母線上，匯流電纜的額定功率須大于所連接風機的總功率。該連接的優點是操作簡單、投資成本較低；缺點是可靠性不高，如果電纜的某處發生故障，那么整條匯流線路都將被迫切除，與其相連的所有風機都將停運。所以對海底匯流電纜的質量可靠性要有極高的保證。（2）方案比較1）技術比較略線路計算采用等效簡化法，在計算過程中可將電路簡化：略現比較兩種35kV電纜方案的無功損耗及電壓偏差值:表8：方案一線路參數電纜長度電纜電阻電纜電感表9：方案二線路參數電纜長度電纜電阻電纜電感由于線路長度遠小于100km圖3-4等效電路根據公式可計算出各線路的損耗和線路總損耗，表10：電纜線路電壓分布（kV）線路損耗（MVA）線路總損耗（MVA）方案一A排（E排）0.3660.415+j2.8883.264+j20.799B排（F排）0.3350.379+j2.637C排（G排）0.3890.4+j2.326D排（H排）0.4260.438+j2.548方案二A排（F排）0.3170.293+j1.7052.451+j14.542B排（G排）0.2830.262+j1.525C排（H排）0.2520.207+j1.205D排（I排）0.2810.232+j1.347E排（J排）0.3110.232+j1.489風電場總容量為方案一線路末端的輸出功率為:方案二線路末端的輸出功率為:用公式計算線路側電壓分布:方案一D（H）排方案二A（F）排變壓器內的功率損耗為:方案一方案二計算略通過計算得出有功、無功損耗和電壓偏差，表11:方案一方案二有功損耗3.264MVA2.451MVA無功損耗20.799MVA14.542MVA電壓偏差0.426kV0.317kV2）經濟比較，表12：項目方案一方案二海底電纜(萬元)6652.86807.6HGISSF6斷路器(套*萬元）8*36010*360HGISSF6電流互感器(套*萬元）8*8010*80總價（萬元）10172.811207.6由于方案一和方案二結構上沒有大的不同，因此各風機之間的熔斷器-負荷開關數量相同，這里沒有將其納入經濟比較。從數據可見，方案一和方案二使用電纜長度相差不大，盡管方案一使用了兩種截面的電纜。方案二的HGISSF6斷路器和電流互感器比方案一各多出了2套，海上HGIS組合電器投資成本較大。方案二大約多支出1034.8萬元。但是，我們知道，鏈形結構的同一條匯流線路上，尾端的風機送出功率最小，而終端風機由于需要轉接其他風機功率，需要承擔全線路的額定功率。因此，如果對風機進行分組，見圖3-5.所示，對電纜截面選擇進行優化。圖3-5匯流電纜組合優化風機組合優化后35kV截面選擇見下表（風機布局方案一），表13：風機組合數量(臺)組合功率（MW）組合負荷（A）電纜計算截面（mm2）電纜選定截面（mm2）13.659.436.213527.2118.872.470414.4237.6144150518296.9181.06185725.2415.7253.48240828.8475.1289.693001036593.9362.114001139.6653.3398.32400以D排為例，用上表數據進行電壓分布計算結果見圖3-6.為計算方便，忽略了電纜電感。圖3-6匯流電纜截面優化后電壓分布可以對組合后的風電場35kV匯流線路各電壓節點進行計算，在滿足節點壓降的基礎上，可以得到35kV電纜截面優化后的數據，表14：電纜截面（mm2）3570150185240300400A排（E排）X1200X1800X18002100B排（F排）X1200X1800X18001500C排（G排）600X1800X1800X2100D排（H排）600X1800X1800X2700總長度（米）24004800720072007200720016800電纜單價（萬元/km）3037597188122130總價（萬元）72177.6424.8511.2633.6878.42184表中X表示無，各截面電纜合價計4881.6萬元。可以看出，僅35kV海底電纜一項，方案一優化前后的造價相差1771.2萬元，經濟性非常明顯。小結1）方案一的8回海纜線路設計的建設造價較低，但是有無功損耗、電壓偏差較大；2）方案二的有功損耗、電壓偏差小，但是由于增加了HGIS高壓配電設備，建設成本增加；鑒于此海上風電場容量較大，有較高的風資源可用小時數，因此對有功損耗、電壓偏差沒有過大的要求，宜選擇造價便宜的8回海纜結構方案。在風電場內部，風機需要各自經過3/35kV箱變一次升壓，然后進行分組連接，各組風機經過若干條匯流電纜線路接入升壓站，在升壓站經過二次升壓后再經陸上開關站接入電網。設計首先對匯流電纜從技術、經濟上進行了比較。然后還對風機的鏈形分組連接方式進行了介紹，并著重比較了兩種鏈形方案在技術、經濟上的差別，總結出了較為合理的方案，為該風電場的電氣設計提供了參考。實際工程設計中，由于海上風機的分組布局涉及到地方政府的海域功能區劃、國家海洋部門海域綜合管理以及軍隊對海域范圍和面積使用的限制，一旦確定風電開發海域，設計階段就無權更改。設計雖然選擇了造價較低的方案一，但如進一步通過風機重新組合，精確計算各組風機的節點電壓降，在滿足長期負荷和電壓分布基礎上從尾端向始端逐漸增大電纜截面，如此優化可以大幅降低造價，也符合少投入多產出的國情。從長期運行考慮，方案一的有功損耗、電壓偏差較大也是其不足。鑒于此風電場容量較大，加之電網對風力發電場的有功損耗、電壓偏差、風機低電壓穿越均有較嚴的技術限制和要求，設計中也不應一味選擇低造價的方案。四、短路電流計算及主要電氣設備的選取1短路計算說明電力系統發生短路時，電壓嚴重下降，可能破壞常規發電機并聯運行的穩定性，使整個系統被解列成為幾個異步運行的部分，影響發電廠出力直至無法運行。為了保證發電廠的運行，不得不切除一部分負荷。而風力發電機有其特殊性，短路電流造成的電壓跌落或使風機控制系統啟動自我保護，造成風機群集體脫網，對電網恢復穩定運行及其不利。短路時電壓下降的越大持續時間越長，破壞整個系統穩定運行的可能性越大。為了保證電力系統安全可靠運行，減輕短路的影響，必須努力設法消除可能引起短路的隱患，還必須快速切除故障部分，使系統電壓在較短時間內恢復到正常值，為此，可采用快速動作的繼電保護和斷路器，在常規發電廠應裝設自動電壓調整器，風電場選用具有低電壓穿越能力（LVRT）的風力發電機，以及其他措施。短路電流計算的目的是為了在主接線設計中用來選擇電氣設備、選擇限制短路電流的方式、設計繼電保護裝置和分析電力系統的故障等。選擇電氣設備時，一般只需近似計算該設備的最大可能三相短路電流值，設計繼電保護和分析電力系統故障時，必須計算各種短路情況下系統各支路中的電流和電壓分布。在進行短路電流計算時，應該根據計算要求收集有關資料，如電力系統接線圖，運行方式和各元件的技術參數等。首先做出計算電路圖，再做出針對各短路點的系統等值電路圖，然后利用網絡簡化規則，化簡等值電路，求出短路總電抗，最后根據總電抗即可求出短路電流值。海上風電場初步設計階段電氣主接線短路電流計算，用以選擇和校驗所選電氣設備的動穩定、熱穩定的強度等相關參數。鑒于以上方案的選擇，本計算只限于方案一鏈式結構的數據。系統等值參數220kV系統等值阻抗(由電網提供的2010年度220kV等值參數，等值在陸上220kV開關站母線）如下：等值基準UB=230kV，SB=100MVA。大方式：X0=0.0552，X1=X2=0.0372。220kV海底電纜參數：電纜長度為35km。因無實測參數，采用廠家值，正序電阻值：0.037Ω/km；正序電抗值：0.07Ω/km，相應的標么值2系統等值阻抗電路圖各電壓級的基值SB、UB如下表15所示：基準容量100MVA各側基準電壓為230kV3.5kV各元件參數（正序）計算：系統側（含220kV電纜線路）：正序電抗（標么值）＝0.0015+0.0372=0.0387零序電抗（標么值）＝0.0053+0.0552=0.0605計算略35kV電纜線路參數標幺值，由前章數據計算得表16。風機布局方案一排號線路總長（km）本段線路電抗A排（E排）6.90.0262B排（F排）6.30.0239C排（G排）6.30.0309D排（H排）6.90.0338風機布局方案二A排（F排）5.70.0279B排（G排）5.10.0250C排（H排）5.10.0250D排（I排）5.70.0279E排（J排）6.30.0309圖4-1正序阻抗網絡圖3短路電流的計算現選擇d1和d2這兩個短路點進行短路電流計算（35kV母線上的母聯斷路器合閘運行，即主變并列）。圖4-2短路點選取風機-箱變-電纜線路轉移電抗計算如下圖：圖4-3轉移電抗計算所以,其他線路依此類推。各單排風機-箱變-電纜線路轉移電抗（計算過程略），表17。風機布局方案一電纜線路風機箱變線路轉移電抗風機箱變線路轉移電抗（等值到母線）A排（E排）0.35020.045B排（F排）0.3416C排（G排）0.3840D排（H排）0.3939風機布局方案二A排（F排）0.39620.04B排（G排）0.3868C排（H排）0.4173D排（I排）0.4259E排（J排）0.4348注：全部風機箱變線路組合電抗，為所有風機箱變和線路等值到35kV母線的電抗。d1點的短路電流計算:圖4-4轉移電抗化簡（d1點）略d2點的短路電流計算:圖4-5轉移電抗化簡（d2點）風機提供：計算略短路計算的成果表18：短路點位置運行方式短路電流計算參考數據沖擊電流0s0.2s4sd1兩臺變壓器并列運行3.775kA3.022kA1.77kA10.142kAd2兩臺變壓器并列運行43.194kA28.843kA12.372kA116.045kA4主要220kV電氣設備的選取要求導體和電器的選擇設計，同樣必須執行國家的有關技術政策，并應做到技術先進，經濟合理，安全可靠，運行方便和適當的留有余地，以滿足電力系統安全運行的需要，對導體和電器選擇設計規定簡述如下：1）應滿足正常行，檢修，短路和過電壓情況下的要求，并考慮遠景發展。2）應按當地環境條件檢驗，如海上運行維護條件。3）應與整個工程的建設標準協調一致，盡量使新老電器型號一致。4）選擇導線時應盡量減少品種。5）選用新產品應積極慎重，新產品應有可靠試驗數據，并經主管部門鑒定合格。導體和電器應按正常運行情況選擇，按短路條件驗算其動穩定和熱穩定，并按環境條件校核電器的基本使用條件。基于前述各點的短路電流的計算，選取一次設備。（1）設備選擇要求略（2）母線的選取略（3）斷路器的選取略（4）隔離開關的選取略（5）互感器的選取略（6）其他設備的選取略小結