风电场系统图说明书

风电场系统图说明书系统总介绍：风电场，顾名思义，就是利用风力推动发电机发电的大面积发电场所。

其主要可以分为风电机组、集电环节和升压变电站。

下面对它们分别介绍。

风电机组：对于风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括电力电子换流器和对应的机组升压变压器。

风电场用的发电机多种多样，在众多的风力发电机类型中，有几种机型由于具有良好的输出电压性能，近年来获得了很大的发展，而且将会成为未来并网风力发电机的主流机型。

这些机型都是通过各种方法实现风力发电机组的变速恒频控制。

变速恒频，即风力机和发电机转子的转速变化时发电机输出的电压的频率是恒定的。

1.笼型异步风力发电机笼型异步发电机的定子绕组的电势和频率取决于电网的电压和频率，并在异步发电机接入电网时自动的建立起来。

由于发电机从它所连接的电网获得励磁，所以，异步电机向电网输出的电流频率和它自身的转差率无关。

但是随着风速的不断变化，发电机的转子转速也在不断地变化，以致发电机发出的电压是不断变化的，这会对电网造成很大的波动。

所以在异步发电机的输出端装设换流器，把发电机发出的不稳定的电能转换为直流电，再把直流电逆变为稳定的交流电供给电网。

2.永磁同步直趋式风力发电机永磁同步直趋式发电机组，所谓直趋是指风力机与发电机之间没有变速机构，而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转。

与其他形式的风电机组相比，由于没有变速机构（齿轮箱），可省掉这部分的成本，减轻机组的重量，转轴连接的可靠性也提高了。

采用的是永磁材料做铁芯，转子结构简单。

但是在风速变化时，由于风机组的转子转速随风力机的转速变化而变化，发出的电压频率和电压大小将是不恒定的。

所以这种类型的风力发电机也必须在定子绕组与电网之间配置换流器。

先将风力发电机发出的电能整流成直流电，再经过逆变电路逆变成满足并网要求的电压频率和电压幅值。

3.交流励磁双馈式感应风力发电机组所谓‘双馈式’是指发电机的定子绕组和转子绕组与电网都有电气连接，都可以与电网交换功率。

其结构与绕线式异步发电机类似。

定子绕组与电网直接相连，输出电压的频率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节加以控制。

转子绕组励磁电流由外电路经换流器提供。

当n＜n1时，为亚同步运行状态，转子电流提供的磁场的旋转方向与转子本身的旋转方向相同，达到n2+ n = n1，所需励磁电流的方向为从外电路流入转子绕组。

当n＞n1时，为超同步运行状态，转子绕组的产生的磁场的旋转方向与转子的旋转方向相反，达到n2- n = n1，所需的励磁电流的方向从转子绕组流入外电路，当n=n1时，换流器向转子绕组提供直流励磁电流，此时发电机将按同步发电机的原理运行。

在同步运行状态，换流器只提供直流励磁电流，不在发电机和电网之间交换功率。

在亚同步运行状态，需要电网经换流器向发电机的转子提供能量；而在超同步运行状态下，转子绕组会经换流器向电网馈送电能。

由于这种发电机的转子和定子都可以向电网馈送功率，故此得名‘双馈式’。

4.无刷双馈式风力发电机组无刷双馈式发电机组，其定子有两套极数不同的绕组，一套称为功率绕组，直接接电网；另一套称为控制绕组，通过三相换流器接电网（定子绕组也可以只有一套绕组，但需有6个出线端，3个出线端为功率端口，接工频电网；另外3个出线端为控制端口，通过变频器接电网）。

其转子为笼形或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极对数应为定子两个绕组极对数之和。

这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。

以上不管哪种形式的发电机，都免不了用到换流器（有时也叫变频器），进行整流和逆变的转换。

风电场发出的电压只有690V，以这样的电压水平进行传输，功率损耗是非常大的，所以我们需要把电压升高再加以传输这就需要用到变压器，风场的情况是这样的，在每台机组的附近有一台集电变压器，将发电机发出的电压升高到10KV或者35KV，再通过母线把各机组的电能汇集到一起，通过升压变电站再次进行升压。

所以，在机组中集电变压器是必不可少的，有的风场是多台机组共用一台集电变压器，但是大多数情况下是一台机组配一台集电变压器，即一机一变。

在集电变压器的容量选择上，一般选在机组额定容量除掉机组内部用电外，多出10％的裕量。

集电变压器是电能传输的必经之路，一旦发生故障，电能将不能传输，则必须将此集电变压器对应的发电机组退出运行。

所以保证集电变压器的安全运行是非常必要的。

我们必须对变压器的各侧电量随时测量监控，定期检修查询。

但是风电场的面积又特别的大，各风机组之间的距离又比较远，如果我们对每台集电变压器的运行状况都一一检查，根本不现实。

在这种情况下，我们采用了一种特殊的高级智能装置，风电场箱变综合测控装置。

它可以测量集电变压器的各侧电量，带显示功和记录的功能，可以把集电变压器的各种电量显示出来，记录已发生的事故，供工作人员查询。

最重要的是他支持网络通信，各机组的变压器组成环网，连接中央服务器，把各机组的电量通过网络传输传达到中央服务器，进行集中监控。

为风电场集电变压器的测量、保护和定期巡视带来了很大的便利。

测量和保护只能是在未发生故障的时候进行预防的措施，一旦发生故障，机组必须退出，对变压器进行检修。

为了防止故障检修时断路器断开不彻底或者变压器带有剩余电压，在变压器的出线处装设接地隔离开关。

检修时把隔离开关闭合，保证线路安全接地，进而保证工作人员的人身安全。

然而，以上这些设备和工作环境，各种保护都是要用电的，如照明，检测，保护动作的动力机构等等。

发电机组自身也会消耗一定的负荷，所以机组用电是必须留出来的，至少应有380V的电源。

不但如此，整个机组的安全也是我们要考虑的，风电场工作于自然环境下，不可避免受到自然灾害的影响。

其中雷电是最可怕的，一旦发生雷击，雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元件烧毁等后果。

所以雷电的防护是非常必要的，在集电变压器的出线端装设被雷器可有效的保护机组不受雷电的危害。

另外，为了避免雷电损坏发电机，风场机组采用TN 接线方式，即系统中性点直接接地，用电设备的外壳经保护接地线与系统直接接地点连接而间接接地，从而保护系统的安全运行。

集电环节：尽管风电机组的体积非常大，但其发出的电能是非常有限的，一般的机组容量仅仅为1.5MW。

所以风场都是把各机组发出的电能汇集到一起，进行集中地再次升压，然后才能并入电网。

这就需要一个专门的系统来把各机组的电能汇集起来，称为集电系统，此环节称为集电环节。

集电系统将风电机组发出的电能按组收集起来。

分组采用位置就近原则，每组包含的风电机组数目大体相同，多为3——8台。

对于49.5MW的风电场，共33台风机，可分为5组，其中有2组包括6台风机，3组包括7台风机。

每台风机组的附近都有一个箱式变电站，里面有集电变压器。

每组中各风机组的集电变压器二次侧出线端并联在一起，集中送往升压变电站的10KV或35KV母线上，成为升压变电站母线的一条进线。

多组集群的输出汇总在此母线上，再经一条或多条输电线路送至升压变电站的主变压器。

再把升压变电站的属于同一个风电场的主变压器出线端经一条110KV或220KV的母线并联，接入电网。

尽管我们把电能汇集起来了，但是故障的发生是不可避免的，由于风电场的面积比较大，集电线路比较长且多。

所以其对地电容就比较的大，一旦发生单相接地短路，非故障相的对地电容电流足以令接地短路电流达到破坏线路和设备的程度，所以在各组机组的并联母线上装设消弧线圈，用来补偿此短路电流。

除了短路危害，自然灾害也不容忽视，同样如前所述，雷电的防护非常重要，除了在并联母线和主母线上装设避雷器外，各集电线路最好假设避雷线以防止线路遭受雷击。

各种保护、各种预防措施的装设就是为了系统的安全稳定运行，然而，若是系统本身的不平衡造成故障，保护再全也没有用，所以系统本身的稳定是最关键的。

由于风力发电机的运行需要系统提供励磁电流，吸收无功功率，而且变压器也呈感性，会消耗无功功率，但是一般的发电机只能发出有功功率，所以，无功功率的补偿是非常必要的。

所以我们在主母线上装设无功补偿器进行集中补偿。

当发生电压降落时，无功补偿还可维持电网电压的，有助于电压的恢复，以提高风电场的低电压穿越能力。

升压变电站：由集电环节汇总的电能虽然已经足够大，但其电压等级只有35KV，以此电压长距离的传输，损耗还是不容忽视，需要把电压进一步的提高到110KV或者220KV，这就必须经过升压变电站。

升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再次升高。

达到一定规模的风电场一般可将电压升高到110KV或者220KV接入电力系统，对于规模更大的风电场，例如百万千瓦级的特大型风电场，还可能需要进一步升高到500KV或更高。

如此大型的变压器，如此高的电压，其接线方式的选择和容量的选择都必须慎重，如果选择的不合适，就会出现过载或者资源的浪费。

就接线方式而言，风电场升压变电站的主接线多为单母线或单母线分段接线，取决于风电机组的分组数目。

规模很大的特大型风电场还可以采用双母线等接线形式。

对于变压器的选择。

与系统有较强联系的大型风电场、特大型风电场，一般电压等级下，主变的台数不少于两台。

只有那些与系统联系较弱的中、小型风电场和低电压侧电压为6——10KV 的变电所，可装设一台变压器。

在此装设两台变压器。

对于两台或多台主变压器并联运行时，当其中容量最大的一台因故障退出运行时，其余主变压器在允许的正常过负荷范围内，应能输送母线最大剩余功率。

对于主变压器，不仅容量的选择要慎重，其保护也不容忽视，瓦斯保护和过热保护是最基本的保护措施，辅助散热也是非常必要的手段，还有中性点的保护，这些都是主变压器不可或缺的保护措施。

由于主变压器的功率比较大，其发热量也是非常大的，若热量不能及时的散出，对变压器的运行状况和变压器油的绝缘都有很大的影响。

所以一般110KV 及以上的大型变压器都装设散热量比较大的散热器，油泵组数和风扇数目比较多，需要良好的控制系统。

可装设智能型变压器冷却控制系统对其进行控制。

在高压和超高压系统中，要求中性点全接地或者有效接地，即其零序阻抗与正序阻抗的比值小于或者等于3。

这就使得变压器的中性点不一定全部直接接地，只要2——3个接地点就可以。

但是一旦发生单相接地短路，中性点不接地的变压器的中性点便会产生位移电压。

对此情况，我们采用接入变压器中性点接地保护装置，即保护间隙与避雷器并联接入中性点。

各种保护中，自然灾害的保护更是不可避免。

为防止雷电从变电站的出线入侵，在变电站的出线母线上装设避雷器。

风电场用电：对于风电场，无论是发电机、换流器、变压器和各种保护措施以及监控等辅助措施，都需要用电，还有工作人员的生活用电。