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风电场电气系统第2章风电场电气部分的构成和主接线方式风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式第2章风电场电气部分的构成和主接线方式教学目标掌握风电场电气部分的特点和基本构成，了解电气主接线的基本概念和设计原则，理解各种电气主接线形式的特点并掌握分析方法，理解和掌握风电场电气主接线设计的基本思想和依据。关注的问题风电场与常规电厂的区别是什么？其电气部分的构成有哪些？电气主接线的概念和相关术语有哪些？其设计原则又是什么？常见的电气主接线形式有哪些？风电场电气主接线应如何进行设计？风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.1风电场电气部分的构成§2.1.1风电场与常规电厂的区别风力发电机组的单机容量小风电场的电能生产比较分散，发电机组数目多风电机组输出的电压等级低风力发电机组的类型多样化风电场的功率输出特性复杂风电机组并网需要电力电子换流设备风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.1.2风电场电气部分的构成总体而言，风电场的电气部分也是由一次部分和二次部分共同组成，这一点和常规发电厂站是一样的。根据在电能生产过程中的整体功能，风电场电气一次系统可以分为四个主要部分：风电机组、集电系统、升压站及厂用电系统。目前，风电场的主流风力发电机本身输出电压为690V，经过机组升压变压器将电压升高到10kV或35kV。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.1.2风电场电气部分的构成风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括电力电子换流器（有时也称为变频器）和对应的机组升压变压器（有的文献称之为集电变压器）。集电系统将风电机组生产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。每一组的多台机组输出（经过机组升压变压器升压后）一般可由电缆线路直接并联。升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能再次升高。厂用电包括维持风电场正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场运行维护人员在风电场内的生活用电等，也就是风电场内用电的部分。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.1.2风电场电气部分的构成风电场电气一次系统示意图如下图所示：其中各部分为1风机叶轮2传动装置3发电机4变流器5机组升压变压器6升压站中的配电装置7升压站中的升压变压器8升压站中的高压配电装置9架空线路123457689风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.2电气主接线及设计要求§2.2.1电气主接线的基本概念1.地理接线图地理接线图就是用来描述某个具体电力系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路的路径，以及他们相互的联结它是对该系统的宏观印象，只表示厂站级的基本组成和连接关系，无法表示电气设备的组成火电厂风电场变电站风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式2.电气主接线在发电厂和变电所中，各种电气设备必须被合理组织连接以实现电能的汇集和分配；而根据这一要求由各种电气设备组成，并按照一定方式由导体连接而成的电路被称为电气主接线。对于电气主接线的描述是由电气主接线图来实现的。主接线电路图用规定的电气设备图形符号和文字符号并按照工作顺序排列，以单线图的方式详细地表示电气设备或成套装置的全部基本组成和连接关系某些需要表示接线特征的设备则要表示其三相特征风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式3.电源和负荷通常认为相对于需要分析的具体电气设备，为其提供电能的相关设备即是其电源。在发电厂和变电站中，用于向用户供电的线路被称为是负荷。配电装置用于具体实现电能的汇集和分配，它是根据电气主接线的要求，由开关电气、母线、保护和测量设备以及必要的辅助设备和建筑物组成的整体。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式4.设备工作状态运行中的电气设备可分为四种状态，即运行状态、热备用状态、冷备用状态和检修状态。运行状态是指电气设备的断路器、隔离开关都在合闸位置；热备用状态是指设备只断开了断路器而隔离开关仍在合闸位置；冷备用状态是指设备的断路器、隔离开关都在分闸位置；检修状态是指设备所有的断路器、隔离开关已断开，并完成了装设地线、悬挂标示牌、设置临时遮栏等安全技术措施。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式4.设备工作状态送电过程中的设备工作状态变化为：停电过程中的设备工作状态变化为：检修冷备用热备用运行运行热备用冷备用检修风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.2.1.5倒闸操作利用开关电器，遵照一定的顺序，对电气设备完成上述四种状态的转换过程称为倒闸操作。倒闸操作必须严格遵守基本操作原则风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.2.2电气主接线的设计原则发电厂主接线设计的基本要求有三点：一、可靠性供电可靠性是电力生产的基本要求，在主接线设计中可以下几方面加以考虑：任一断路器检修时，尽量不会影响其所在回路供电；断路器或母线故障及母线检修时，尽量减少停运回路数和停运时间，并保证对一级负荷及全部二级负荷或大部分二级负荷的供电；尽量减小发电厂、变电所全部停电的可能性。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.2.2电气主接线的设计原则二、灵活性发电厂主接线应该满足在调度、检修及扩建时的灵活性：调度时，应可以灵活地投入和切除发电机、变压器和线路，灵活调配电源和负荷，满足系统在事故、检修以及特殊运行方式下的系统调度要求；检修时，可以方便地停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修不至影响电力系统的运行和对用户的供电；扩建时，可以容易地从初期接线过渡到最终接线。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.2.2电气主接线的设计原则三、经济性在满足可靠性、灵活性要求的前提下，还应尽量做到经济合理：投资省：主接线力求简单，继电保护和二次回路不过于复杂，采取限制短路电流的措施；占地面积小：主接线设计要为配电装置布置创造条件，尽量使占地面积小；电能损失少：经济合理地选择主变压器的种类、容量、数量，并尽量避免因两次变压而增加的电能损失。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.3常用的电气主接线形式§2.3.1电气主接线的分类在发电厂和变电站中，配电装置实现了发电机、变压器、线路之间的电能的汇集和分配，这些设备的连接由母线和开关电器实现，母线和开关电器的不同的组织连接也就构成就了不同的接线形式。主接线形式可以分为两大类：有汇流母线和无汇流母线。汇流母线，简称母线，是汇集和分配电能的设备。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.3.1电气主接线的分类有汇流母线的主接线采用有汇流母线的接线形式便于实现多回路的集中。接线简单、清晰、运行方便，有利于安装和扩建。配电装置占地面积较大，使用断路器等设备增多，因此更适用于回路较多的情况，一般进出线数目大于4回。有汇流母线的接线形式包括：单母线、单母线分段、双母线、双母线分段、带旁路母线等。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.3.1电气主接线的分类无汇流母线的主接线无汇流母线的接线形式使用开关电器较少，占地面积小，但只适用于进出线回路少，不再扩建和发展的发电厂或变电站。无汇流母线的接线形式包括：单元接线、桥形接线、角形接线、变压器－线路单元接线等。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.3.2电气主接线的常见形式一、单元接线单元接线是最简单的接线形式，即发电机和主变压器组成一个单元，发电机生产的电能直接输送给变压器，经过变压器升压后送给系统。WL风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式二、桥型接线当变配电装置中只有两条线路连接站内两台主变时，常采用桥形接线，此时这两回进线分别和两条线路连接，形成了两个线路－变压器的供电路径，在这两个供电路径由桥断路器联络。根据桥断路器相对于变压器和线路的安装位置，又分为内桥接线和外桥接线风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式二、桥型接线内桥接线内桥接线的桥断路器靠近变压器，对于变压器的投切需要操作两台断路器，而对于线路的操作只需要一台断路器适用于变压器不经常切换，而线路较长，故障概率较高，所造成的线路需要经常操作的场合风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式二、桥型接线外桥接线外桥接线对于变压器的投切操作一台断路器，而线路则需要操作两台断路器外桥接线适用于变压器切换频繁，或线路较短，故障概率小的场合风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式三、单母线单母线以一条母线作为配电装置中的电能汇集节点，是有母线接线形式中最简单的接线形式WL1WL2WL3WL4S优点是：接线简单清晰、设备少、操作简单、便于扩建和采用成套配电装置缺点：单母线的可靠性较低单母线接线适用于电源数目较少、容量较小的场合：(1)6～10kV配电装置的出线回路不超过5回。(2)35～63kV配电装置的出线回路数不超过3回。(3)110～220kV配电装置的出线回路不超过2回。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式四、单母线分段当配电装置中有多个电源（发电机或变压器）存在的时候，可以将单母线根据电源的数目进行分段，这也就单母线分段形式S1WL2S2WL1WL3WL4两台主变作为电源分别给两段母线供电，两段母线之间由分段断路器联系，两段母线可以由分段断路器的闭合而并列运行，也可以由分段断路器断开而分列运行分段的数目由电源数量和容量决定风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式四、单母线分段单母线分段的优点：重要用户可以从两段母线上引出两个回路，由不同的电源供电（母线）。当一段母线发生故障的或需要检修的时候，分段断路器可以断开，保证另一段母线的正常运行。缺点：当一段母线故障的时候，其所连接的回路依然需要停电；同时重要负荷采用双回线时，常使架空线交叉跨越；在扩建的时候需要向两个方向均衡扩建单母线分段的适用范围如下：(1)6～10kV配电装置出线回路数为6回及以上。(2)35～66kV配电装置出线回路数为4～8回。(3)110～220配电装置出线回路数为3～4回风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式五、双母线双母线接线方式通过设置两条独立的母线，每条母线都可以和配电装置中的任意回路相连接，从而使得当一条母线故障或检修时，所有的回路可以运行于另一条母线S1S2WL1WL2WL3WL4每个回路通过一个断路器和两个隔离开关和两条母线相连，母线之间通过母线联络断路器（母联）连接风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式五、双母线双母线接线的优点：供电可靠、调度灵活、扩建方便、便于试验缺点：投资增加、增加了误操作可能适用范围：双母线接线适用于回路数或母线上电源较多、输送和穿越功率大、母线故障后要求迅速恢复供电、母线或母线设备检修时不允许影响对用户的供电，系统运行调度对接线的灵活性有一定要求的情况下采用。具体条件如下：（1）6～10kV配电装置，当短路电流较大的时候，出线需要加装电抗器时。（2）35～63kV配电装置，当出线回路数超过8回时；或连接电源较多，负荷较大时。（3）110～220kV配电装置出线回路数在5回及以上时；或在系统中具有重要地位，出线回路数为4回及以上。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式六、双母线分段当220kV进出线回路甚多时，为了减少母线故障时候的停电范围，需要对双母线进行分段提高了供电可靠性和灵活性，但是其增加了断路器的投资S1S2WL1WL2WL3WL4风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式六、双母线分段分段的原则如下：（1）当进出线回路数为10～14回时，在一组母线上用断路器分段。（2）当进出线回路数为15回及以上时，两组母线都分段。（3）为限制220kV母线短路电流或系统解列运行的要求，可根据需要将母线分段。风电场电气系统风电场电气部分的构成和主接线方式§2.4风电场电气主接线设计§2.4.1风电机组的电气接线风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括电力电子换流器（有时也称为变频器）和对应的机组升压变压器。目前，风电场的主流风力发电机本身输出电压为690V，经过机组升压变压器将电压升高到10kV或35kV。一