風電場中的電氣設備選擇探析一、風電場電氣設備的概述風電場的電氣系統由一次系統和二次系統組成。電氣一次系統用于電能的生產、變換、分配、傳輸和消耗，對一次系統進行測量、監視、控制和保護的系統稱為電氣二次系統。風電場電氣一次系統和電氣二次系統是由具體的電氣設備構成的。構成電氣一次系統的電氣設備稱為一次設備，構成電氣二次系統的電氣設備稱為電氣二次設備。一次設備是構成電力系統的主體，它是直接生產、輸送、分配電能的電氣設備，包括風力發電機組、變壓器、開關設備、母線、電抗、電容、互感器、電力電纜和輸電線路等。二次設備通過CT、PT同一次設備取得電的聯系，是對一次設備的工作進行監測、控制、調節和保護的電氣設備，包括測量儀表、控制及信號器具、繼電保護和自動裝置等。二.風電場的電氣設備選擇電氣設備是在電力系統中對發電機、變壓器、電力線路、斷路器等設備的統稱，各種不同型號的電氣設備組合起來，推動了電力系統運行效率的提升。選擇電氣設備時，必須根據選定的接入電力系統方式和電氣主接線方案，計算短路電流并根據短路電流選擇，主要電力設備包括：箱式變壓器、無功補償裝置、35kV配電裝置、主變壓器、110/220kV高壓配電裝置等設備。箱式變有歐式變與美式變之分。歐式變占地面積大，造價略高，但維護檢修方便，美式變占地面積小，造價低，維護檢修較復雜，選用時可根據實際情況選擇。選擇箱變容量時需考慮風機過負荷發電的情況，一般1500kW風力發電機選用1600kVA變壓器即可滿足要求。目前風電場升壓站無功補償裝置常見有SVC和SVG兩種。SVC占地面積較大，但目前技術已經十分成熟，價格也較低。從原理上來說，SVG性能更好，且占地面積小，但目前國內技術尚不成熟，只有幾家企業可以生產，關鍵部件需要進口，生產周期較長，價格遠超同等容量SVC（以10Mvar無功補償裝置為例，SVG報價280萬，MCR-SVC報價160萬，TCR-SVC報價180萬）。常規情況50MW風電場需配置10Mvar容量的無功補償，電網有更高要求時按滿足電網要求配置。35kV配電裝置一般選用戶內固定式金屬封閉開關，技術較為成熟。主變一般為三相雙繞組油浸式有載調壓變壓器，變壓器油型號、冷卻方式等應根據當地氣象條件確定。選擇主變容量時，考慮風力發電場負荷率較低的實際情況以及風力發電機組的功率因數在1左右，可以選擇等于風電場發電容量的主變壓器。有載調壓開關是主變的重要組成部分，進口有載調壓開關性能較好，但價格比國產貴近40%，實際選擇時應根據性價比選擇。110/220kV高壓配電裝置可選用戶內GIS式，也可選用戶外布置。戶內GIS占地面積小，故障幾率小，價格并不昂貴，因此在目前風電場升壓站中得到了廣泛的應用，考慮風電場的環境特性，建設采用戶內GIS式較好，風電場污穢等級較高（一般為IV級），設備選型時需要注意過電壓與絕緣配合。三、電氣設備在風電場生產中的作用1、發電機的作用。風電場生產中的發電機大小取決于對風能利用率的大小，設計風力發電機應首先確定目標風區的風速范圍，確定要利用的風速范圍，然后選定風機，根據風機的輸出能量大小確定發電機容量。由于風力的大小是隨機變化的，風力發電機不可能全部利用完，只能利用一個范圍的風速，利用風速的上限稱為切出風速，這個風速下的風能裝置的輸出功率就是風力發電機的最大功率，利用風速下限稱切入風速，即風能裝置能驅動發電機發電的最低風速，一般取發電機最大功率的10%以上。風力發電機組主要由風輪、發電機、電能變換單元和控制系統組成。風輪通過葉片捕獲風能，是吸收風能并將其轉換成機械能的部件。發電機實現機械能--電能轉換。由于異步發電機結構簡單、運行可靠，目前風力發電幾乎均采用異步發電機。目前在直驅雙饋型風機選型方面，由于雙饋型風機齒輪箱滲漏油維護工作量大以及超溫，建議采用直驅型風機。發電機所發出的電能有兩種處理方式：可以直接給負載供電或并入電網；也可以通過儲能設備進行蓄能，再由電能變換單元將儲能設備輸出的直流電轉換成交流電再供給負載或并網。儲能設備作為中間環節不僅可以將能量儲存起來，還兼有穩定電壓的優點，這樣對負載供電更平穩，對電網的沖擊亦可減小。風力發電機組的控制系統是綜合性控制系統，不僅要監視電網、風況和機組運行參數，對機組進行并網、脫網控制，以確保運行過程的安全性和可靠性，而且還要根據風速、風向的變化，對機組進行優化控制，以提高機組的運行效率和發電量。風力發電控制系統的基本目標分為3個層次：保證可靠運行、獲取最大能量、提供良好的電力質量。因此，為了達到這一控制目標，風力發電系統的控制技術從定槳距發展到變槳距又發展到近年來采用的變速控制技術。變速風力發電機組的主要特點是：低于額定風速時，能跟蹤最佳功率曲線，使風力發電機組具有最高的風能轉換效率；高于額定風速時，增加了傳動系統的柔性，使功率輸出更加穩定，特別是解決了高次諧波與功率因素等問題后，達到了高效率、高質量地向電網提供電力的目的。2、風力發電機組控制系統的作用。風力發電機組的控制技術從機組的定槳距恒速運行發展到基于變距技術的變速運行，已經基本實現了風力發電機組從能夠向電網提供電力到理想地向電網提供電力的最終目標。風力發電機組控制系統的作用是對整個風力發電機組實施正常操作、調節和保護。控制系統還應具有以下功能：根據功率以及風速自動進行轉速和功率控制；根據功率因數自動投入（或切出）相應的補償電容；機組運行過程中，對電網、風況和機組運行狀況進行檢測和記錄，對出現的異常情況能夠自行判斷并采取相應的保護措施，而且還能根據記錄的數據生成各種圖表，以反映風力發電機組的各項性能指標；對在風電場中運行的風力發電機組還應具備遠程通信功能。有各種功能的專用模塊可供選擇，可以方便地實現就地控制，許多控制模塊可直接布置在控制對象的工作點，就地采集信號進行處理；同時DCS現場適應性強，便于控制程序現場調試及在機組運行時可隨時修改控制參數。目前發電機組的運行通常由單片機或可編程邏輯控制器件等進行控制。MCS-80C32、8XCl96MC等各種單片機用于控制風力發電機的運行，實現了自動跟風、并/脫電網控制，甚至是通信功能等。C60P等各型PLC也作為主控單元被用于風力發電控制系統中，適應了集群控制和單機無人值守的應用要求。結束語風能作為一種清潔的可再生能源，不僅具有巨大的經濟效益和潛力，同時也是對保護環境的可