探究風(fēng)力發(fā)電廠電氣設(shè)備的牢靠行

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1上川風(fēng)電場(chǎng)整體可靠性設(shè)計(jì)

1.1電氣設(shè)備選擇

考慮到本工程的總裝機(jī)容量為85MW，變壓器選擇2臺(tái)容量為50000KVA，三相銅繞組自冷型油浸式無載調(diào)壓電力變壓器。設(shè)置這兩臺(tái)變壓器使得系統(tǒng)具有安全、可靠、靈活的特點(diǎn)，根據(jù)不同的風(fēng)力資源，選擇變壓器的運(yùn)行狀況。在風(fēng)力較小的季節(jié)，風(fēng)力發(fā)電的電力有限，可投入1臺(tái)變壓器運(yùn)行，這樣可以減少變壓器損耗并且降低風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行成本。在一臺(tái)變壓器發(fā)生故障需要檢修時(shí)，投切另一臺(tái)變壓器運(yùn)行，確保電力的持續(xù)供應(yīng)，大大降低了風(fēng)電場(chǎng)全部出力的受阻率。

1.2過電壓保護(hù)及接地

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般都會(huì)配有過電壓保護(hù)裝置，該裝置由過電壓保護(hù)器、微機(jī)控制技術(shù)及單相真空開關(guān)共同構(gòu)成一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒅行渣c(diǎn)非有效接地網(wǎng)的相間過電壓限制在電網(wǎng)能夠安全運(yùn)行的電壓范圍之內(nèi)，即能使中性點(diǎn)非有效接地，又可以將過電壓限制在比較低的的水平，以上措施消除了電網(wǎng)過電壓對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的威脅，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。系統(tǒng)中真空接觸器在系統(tǒng)發(fā)生間歇性湖光接地時(shí)將高能限壓器投入到故障相，高能限壓器可以限制故障相的電壓，使故障相的相電壓維持在比較低的電壓等級(jí)，并且可以保證電弧的可靠熄滅，這種方法給電網(wǎng)的擴(kuò)容和改建帶來了很大的方便。系統(tǒng)還會(huì)采用微控制器抑制過電壓，當(dāng)系統(tǒng)需要過電壓保護(hù)的時(shí)候，微控制器根據(jù)電壓互感器傳來的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，查找故障點(diǎn)，選擇合理的解決辦法，發(fā)出指令，投入需要的設(shè)備解決問題。

1.3升壓站電氣設(shè)備布置

本工程的升壓站地處海島，有著較為惡劣的自然環(huán)境，考慮到主變?cè)O(shè)備的安全可靠地運(yùn)行，采用主變壓器及采用戶內(nèi)布置方式的中性點(diǎn)設(shè)備。主變壓器為單層建筑，緊靠生產(chǎn)綜合樓與35KV配電裝置及110KV高壓配電裝置，方便聯(lián)系。110kVGIS高壓設(shè)備布置在生產(chǎn)綜合樓二樓，GIS本體設(shè)備布置在GIS室。GIS主變回路出線套管布置在相應(yīng)的主變壓器室平臺(tái)處，GIS套管與主變高壓套管采用軟導(dǎo)線連接。GIS出線則采用側(cè)面出線方式，GIS出線套管為戶外布置。35kV配電裝置設(shè)在生產(chǎn)綜合樓一層，開關(guān)柜采用雙列布置方式，二列開關(guān)柜中間設(shè)置操作通道。35kV開關(guān)柜與主變壓器套管連接采用共箱母線連接。

2風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的主要影響

2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的影響，主要取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量占電網(wǎng)系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤．?dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量在電網(wǎng)系統(tǒng)中所占比例較大時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率的影響顯著，同時(shí)影響電能質(zhì)量和頻率敏感負(fù)荷的正常工作。若風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)一步大量投入，將要求電網(wǎng)系統(tǒng)中其他常規(guī)機(jī)組進(jìn)一步加強(qiáng)頻率響應(yīng)能力，才能有效抑制頻率的波動(dòng)。就目前情況，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的間歇性，當(dāng)發(fā)生大面積大風(fēng)條件下失速保護(hù)失去出力后，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)頻率突然降低。截至2012年底，廣東全省共有風(fēng)電場(chǎng)32家，風(fēng)電總裝機(jī)容量143萬千瓦，占統(tǒng)調(diào)總裝機(jī)容量1.4%。就目前情況，風(fēng)電占電網(wǎng)比例較低，并未對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性造成太大影響。

2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力受風(fēng)速大小以及風(fēng)向變化等因素影響。同時(shí)，受風(fēng)資源分布的影響，上川風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電場(chǎng)大多數(shù)風(fēng)場(chǎng)一樣，都不得不建設(shè)在電網(wǎng)的末端，因此電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較薄弱。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)的電源質(zhì)量以及電壓穩(wěn)定性。此外，現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用永磁電機(jī)還未成為主流，較多機(jī)組還是采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)。因此，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間，其感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要建立磁場(chǎng)。從電網(wǎng)系統(tǒng)角度分析，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)無功負(fù)荷。以采用雙饋機(jī)型V52-850kW的上川風(fēng)電場(chǎng)為例，從表格1可以看出，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到30000kW時(shí)，即風(fēng)機(jī)平均負(fù)載為35%時(shí)已經(jīng)需要從網(wǎng)側(cè)吸收部分無功。當(dāng)負(fù)荷達(dá)到78091kW時(shí)，風(fēng)機(jī)需要從網(wǎng)側(cè)吸收17712kVar的無功，網(wǎng)側(cè)電壓明顯下降。

3針對(duì)發(fā)電組特征的可靠性設(shè)計(jì)

3.1應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓緩慢變化—無功補(bǔ)償裝置

無論是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)還是直驅(qū)發(fā)電機(jī)，都受到變頻器的無功容量限制。所以必須采取相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置來平衡場(chǎng)內(nèi)的感性和容性無功，從而實(shí)現(xiàn)降低電網(wǎng)系統(tǒng)損耗，提高電網(wǎng)整體的經(jīng)濟(jì)性。一般通過就地投切和控制無功補(bǔ)償裝置來降低電網(wǎng)系統(tǒng)損耗，避免長(zhǎng)線路輸送無功。從而實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù),降低電能線損率，增加電網(wǎng)線路有功功率的輸送比例。為了提高功率因數(shù)，上川風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置有4組4200kVar可投切并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置。

3.2應(yīng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓突然下降低電壓穿越改造

電網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中比較容易出現(xiàn)不對(duì)稱短路等故障,且其中大多數(shù)的故障在繼電保護(hù)裝置的控制下，可以在<0.5s的時(shí)間內(nèi)能恢復(fù)。但在這段短暫的時(shí)間內(nèi),由于電網(wǎng)電壓突然大幅度下降,因此要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須在該時(shí)間內(nèi)作出對(duì)無功功率調(diào)整。以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不發(fā)生脫網(wǎng)故障,防止出現(xiàn)由電網(wǎng)波動(dòng)引起大面積風(fēng)機(jī)停機(jī)導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)供電質(zhì)量進(jìn)一步惡化。假設(shè)在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒有脫網(wǎng)。那么電網(wǎng)電壓大幅度下降,并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)相當(dāng)于甩開負(fù)荷，轉(zhuǎn)矩變得非常小。同時(shí)定子側(cè)的磁鏈不能跟隨電壓突變,而轉(zhuǎn)速在慣性作用下沒有顯著變化,突變的滑差就致使轉(zhuǎn)子側(cè)過壓和過流。發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出純電感電路特性，從系統(tǒng)中吸收大量的無功功率。沒有脫網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在沒有無功功率的補(bǔ)充下將加劇電網(wǎng)電壓的崩潰。截止于2013年10月，上川風(fēng)電場(chǎng)所有的V52-850kW風(fēng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)行低電壓穿越升級(jí)。升級(jí)內(nèi)容包括對(duì)VCS控制器升級(jí)到CT318，更換變頻器以及對(duì)控制系統(tǒng)增加UPS。其原理是當(dāng)雙饋電機(jī)網(wǎng)側(cè)電壓突然下降的同時(shí)，VCS控制器通過變槳系統(tǒng)降低轉(zhuǎn)矩的輸入，同時(shí)限制轉(zhuǎn)子側(cè)電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)變頻器以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

4總結(jié)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率以及風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的可靠性與許多因素有關(guān)。由于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)隨天氣變化的系統(tǒng)，發(fā)展的方向?qū)?huì)是采用風(fēng)向風(fēng)速預(yù)報(bào)以及風(fēng)光互補(bǔ)等能量管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的科學(xué)負(fù)荷調(diào)配。本文對(duì)上川島風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行狀況以及設(shè)備的可靠性進(jìn)行分析，針對(duì)該地區(qū)的環(huán)境條件選擇合適的設(shè)備，對(duì)在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生故障的部分進(jìn)行分析，安置保護(hù)測(cè)量裝置，為了便于發(fā)電廠的管理，對(duì)電氣設(shè)備布置進(jìn)行優(yōu)化，使上川島風(fēng)電場(chǎng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

作者：林勇單位：中廣核風(fēng)電公司華南分公司