风电场电气工程作业.docx
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风电场电气工程作业.docx
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风电场电气工程作业
一-1:
风电场电气工程是普通高等院校风力发电专业的重点必修课程。
通过开设这门课,让学生了解风电场电气部分和风电场接入电网运行方面的内容,对其有大致的认识以及了解,为以后参加工作或者做风电场电气工程方面的研究打下基础,提高学生的专业素质和技能。
一-2:
本课程的主要内容有:
风电场主要电气一次设备、电气主接线及电气设备的选择;风电场电气二次系统的构成和继电保护;风电机组的输出特性与运行控制;并网风电场对电网的影响;风电场防雷与接地;风电场的直流输电与功率控制技术。
一-3:
通过本课程的学习,对风电场电气部分和风电场接入电网运行方面的内容有了一个大致的了解与认识,可以为风电场电气设备的选择以及参数计算,了解风电场并网过程中对电网的影响并制定风电场运行过程中的运行策略和为风电场选择合适的防雷与接地形式。
二-1
金风70/1500kW风力发电机组技术参数
序号
描述
单位
规格
1
机组
1.1
生产厂
新疆金风科技股份有限公司
1.2
型号
金风70/1500
1.3
额定功率
kW
1500
1.4
叶轮直径
m
70
1.5
切入风速
m/s
3
1.6
额定风速
m/s
11.8
1.7
切出风速(10分钟均值)
m/s
25
1.8
切出极限风速(5秒均值)
m/s
35
1.9
抗最大风速(3秒均值)
m/s
59.5 (IECⅡA)
1.10
设计使用寿命
年
20
1.11
设备可利用率
≥95%
1.12
运行温度范围
-30°C 至 +40°C
2
叶片
2.1
制造厂家/型号
LM34.0P2 或类似叶片
2.2
叶片材料
玻璃纤维增强树脂
2.3
叶片数量
个
3
2.4
转速范围
rpm
9~19
2.5
扫风面积
m2
3850
2.6
旋转方向(从上风向看)
顺时针
3
发电机
3.1
类型
交流永磁同步发电机
3.2
额定功率
kW
1500
3.3
额定电流(相)
A
660
3.4
额定转速
rpm
19
3.5
绝缘等级
&nbs,p;
F
3.6
防护等级
IP23
3.7
润滑方式
加注润滑脂
3.8
润滑脂型号
SKFLGEP2
4
刹车系统
4.1
主刹车系统
3个叶片顺桨实现气动刹车
4.2
第二刹车系统
发电机刹车(用于维护状态)
5
偏航系统
5.1
类型/设计
电机驱动/四级行星减速
5.2
控制
主动对风/计算机控制
5.3
偏航轴承形式
外齿圈四点接触球轴承
5.4
润滑方式
自动加注润滑脂
5.5
偏航速度
度/秒
0.5
6
变压器
6.1
输入电压
V
620
6.2
输出电压
kV
依据现场电压等级
7
控制系统
7.1
控制单元类型
PLC
7.2
主开关柜
7.3
额定频率
Hz
50
7.4
逆变器额定输出电流
A
1397
7.5
软并网装置/类型
IGBT逆变
7.6
额定出力的功率因数
≥0.98
8
防雷保护
8.1
防雷设计标准
按照IEC1024-I设计
符合GL认证规范
8.2
防雷措施
电气防雷、叶尖防雷等
8.3
风机接地电阻
Ω
≤4
9
塔架
9.1
类型
钢制锥筒(内设爬梯、爬升助力装置及防跌落保护)
9.2
轮毂高度
米
65,85,100
9.3
表面防腐
喷漆防腐
10
基础
按机位的地质勘测报告提供设计
11
重量
11.1
机舱(不包括叶轮和发电机)
吨
11
11.2
发电机
吨
40
11.3
叶轮(包含叶轮、轮毂)
吨
28
金风70/1500k风力发电机组相比较与其他机组有以下优点:
(1)由于机械传动系统部件的减少,提高了风力发电机组的可靠性和可利用率;降低了风力发电机组的噪音。
(2)永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率。
(3)由于无齿轮箱,大大降低了风电场风力发电机的运行维护成本。
仅是每三年更换一次齿轮箱瑞会有一向,就能大大节省费用。
(4)机械传动部件的减少降低了机械损失,提高了整机效率,风机设计结构简单,变流设备、电控设备等易损件都在塔筒地步,维修非常方便。
(5)发电机在低转速下运行,损坏几率大大减小
(6)利用变速恒频技术,可以进行无功补偿。
(7)由于减少了部件,是整机的生产周期大大缩短。
(8)全变流技术,提高了电能质量。
(9)可以从内部进入轮毂维护变桨系统,提高了人员的安全性。
其缺点:
直驱式发电机由于转速低,因此磁极数很多,通常都在90极以上,而且体积和重量也比常规电机大很多,对其轴承等转动部件要求较高:
另外,永磁材料在震动、冲击、高温情况下容易发生失磁的现象:
由于直驱机组目前只配备风冷系统,因此其温度运行范围较窄:
机身更大,用钢材更多,也不美观。
金风48/750kW风力发电机组技术参数
序号
描 述
单位
规 格
1
机组数据
1.1
制造厂家/型号
新疆金风科技股份有限公司/金风750
1.2
额定功率
kW
750
1.3
功率调节方式
失速
1.4
风轮直径
m
49
1.5
轮毂高度(推荐方案)
m
50
1.6
切入风速
m/s
4
1.7
额定风速
m/s
14-15
1.8
切出风速
m/s
25
1.9
极大风速
m/s
70
1.10
设计寿命
Year
20
2
叶片
2.1
制造厂家/型号
中航保定/HT23.5
2.2
叶片材料
玻璃纤维增强树脂
2.3
叶片端线速度
m/s
57.8
2.4
叶轮转速
rpm
22.55
2.5
扫风面积
m2
1885
3
齿轮箱
3.1
制造厂家/型号
重庆齿轮箱厂/FL825
3.2
齿轮级数
一级平行轴,一级斜齿传动
3.3
齿轮传动比率
1:
67.4
3.4
额定转矩(输入)
KN.m
350
4
发电机
4.1
制造厂家/型号
永济电机厂/YJ50C
4.2
额定功率
750
4.3
额定电压
690
4.4
额定转速及其转速范围
1520±2%
4.5
功率因数调节范围或采用定、变浆矩风电机组的功率因数
1/4额定功率
>0.98
2/4额定功率
>0.98
3/4额定功率
>0.98
额定功率
>0.98
4.6
绝缘等级
H级
4.7
防护等级
IP54
5
补偿电容(如采用定、变浆矩风电机组)
5.1
组数
5
5.2
容量
kVAr
225
6
主轴
6.1
制造厂家/型号
重庆齿轮箱有限公司/JF750.22.101
7
主轴承
7.1
制造厂家/型号
SKF(24084CA/W33)或FAG(24084B.MB)
8
制动系统
8.1
主制动系统
3个叶尖气动刹车
8.2
第二制动系统
高速轴2个机械刹车闸
9
偏航系统
9.1
型号
电机驱动/四级行星减速
9.2
控制
主动对风/计算机控制
9.3
偏航控制速度
度/秒
0.685
9.4
风速仪型号/制造厂家
4.3518.00.120/THIES
9.5
风向仪型号/制造厂家
4.3129.00.140/THIES
10
液压单元
10.1
制造厂家/型号
上海贺德克/WEA750
11
控制系统
11.1
型号
以可编程控制器(PLC)为中心的控制设备
11.2
软并网装置/类型
可控硅TT430N/22
12
防雷保护
12.1
防雷设计标准
IEC61024/61312/61400,GB50057-1994
12.2
机组接地电阻值
Ω
≤4
13
重量
13.1
机舱
kg
22500
13.2
发电机
kg
4300
13.3
齿轮箱
kg
6400
13.4
叶片
Kg/片
3200
13.5
叶轮
kg
14100
金风750kW风力发电机笼型感应恒速恒频风电机组采用叶片失速性能来限制高风速下的风能吸收,其具有结构简单、故障率低的优点,但其缺点主要是风力发电机组的性能受到叶片失速性能的限制,另一个缺点叶片形状复杂、重量大,是风轮转动惯量较大,不适合向大型风力发电机组发展。
Vestas-V112-3MW风机技术参数
序号
描述
单位
规格
1
功率调节
变速变桨距风机
2
运行数据
2.1
额定功率
MW
3
2.2
切入风速
m/s
3
2.3
额定风速
m/s
12.5
2.4
切出风速
m/s
25
2.5
二次切入风速
m/s
23
2.6
风力等级IEC614-3
IB
2.7
运行温度范围
°C
-20-35
3
叶轮
3.1
叶轮直径
m
112
3.2
扫封面及
9852
3.3
标称转速
rpm
13.8
3.4
额定范围
rpm
0.1-19.0
3.5
空气制动
采用3个变桨液压缸的全顺桨叶片制动
4
电气数据
4.1
频率
HZ
50/60
4.2
发电机类型
永磁发电机
4.3
变频器
Gridstreamer全功率变频器
5
齿轮箱类型
四级行星齿轮/斜齿轮
6
塔筒
6.1
类型
管状钢制塔筒
6.2
轮毂高度
有现场情况决定
7
叶片尺寸
7.1
长度
m
54.65
7.2
最大弦长
m
4
8
机舱尺寸
8.1
运输高度
m
3.4
8.2
安装后高度
m
6.8
8.3
长度
m
12.8
8.4
宽度
m
4.0
9
轮毂尺寸
9.1
最大运输高度
m
3.74
9.2
最大运输宽度
m
3.75
9.3
最大运输长度
m
5.42
采用业内领先技术提高发电量,其具有更大的叶轮直径,针对海上环境量身定制,并且具有卓越的电网支持性,功率因数范围为0.9(容性)/0.8(感性),支持故障穿越和无功功率响应,最大短路水平为25Ka,能优化发电量,降低读度电成本。
二-5
上海长兴岛风电场
在长兴电网分网运行或孤立运行时,由于长兴电网容量较小,风电场在并网瞬间会使电网电压下跌较大,影响同一电网上的其他电气设备的正常运行,甚至会影响到整个电网的稳定与安全运行。
目前,长兴风电场采用的变速并网风电机组能独立控制有功和无功,可保持机端电压的相对稳定,在改善局部电网的电压质量和电网的电压稳定性方面有一定作用。
但是,风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流,会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停;风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动。
功率的变化将会使电网频率在一定范围内波动,影响电网中频率敏感负荷的正常工作,同时引起电压的变化,主要表现在电压波动、电压闪变、电压跌落以及周期性电压脉动等方面。
此外,风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当,也会向电网注入谐波电流,引起电压波形的畸变,并可能引发由谐振带来的潜在问题。
当风电场容量在系统中所占的比例较大时,其输出功率的随机波动性对电网频率的影响会显著增加,影响到电网的一些频率敏感负荷的正常工作。
目前,长兴风电场占系统总容量比例较低,频率稳定并不是电网稳定运行中的主要问题。
风力发电是一种间歇性能源,风电场的功率输出具有很强的随机性,目前的风力预报水平还不能满足电力系统实际运行的需要,在编制电网运行计划时风电必须作为未知因素考虑。
为了确保风电并网以后系统可靠运行,需要在原来运行方式的基础上,额外安排一定容量的旋转备用以响应风电场发电功率的随机波动,维持电力系统的功率平衡与稳定,尤其是当风电场容量在系统中所占的比例较大时,更需加强运行计划的控制。
为了应对大规模风电的接入,确保风电接入电网后的电力系统运行的可靠性、安全性与稳定性,除了加强电网建设、增加电网的调控手段、不断改善电力系统的电源结构外,还需要对风电场接入电力系统的技术要求做出相应的规定,以期不断提高风电机组和风电场运行特性,降低大规模风电接入对电网带来的不利影响。
目前,长兴电网对风电接入运行作出以下规定:
(1)有功功率 风电场应具有限制其有功功率变化的能力,在风电场并网以及风速增大过程中,风电场有功功率变化应当满足电网调度部门的要求
(2)低电压穿越 ①风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力;②风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时,风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行;③对电网故障期间没有切出电网的风电场,其有功功率在电网故障清除后应快速恢复,以至少每秒10%额定功率的变化率恢复至故障前的值。
(3)电压偏差 风电场接入电力系统后,并网点的电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%,一般应为额定电压的-3%~=7%。
(4)电压变动限值 风电场在并网点引起的电压变动d,应当满足表2的要求。
变动频度r/(次·h-1)
电压变动d/%
10<r≤100
1.5
r≤1
3
100<r≤1000
1
1<r≤10
2.5
(5)谐波 风电场所接入的公共连接点的谐波注入电流应满足GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》的要求,其中风电场向电网注入的谐波电流允许值,按照风电场装机容量与公共连接点上具有谐波源的发/供电设备总容量之比进行分配。
(6)频率 48-49.5HZ,每次频率低于49.5HZ时,要求风电场具有至少运行30min的能力;
49.5HZ~50,2HZ连续运行。
每次频率高于50.2HZ时,要求风电场具有至少运行2min的能力,
并执行调度部门下达的高周切机策略,不允许停机状态的风电机组并网。
二-6
欧洲风电得以快速发展,首先是因为受到了资源与环境的双重约束,面临保障能源供应安全与降低温室气体排放的双重压力。
欧洲在风电发展方面取得了不少先进经验,我国需要在借鉴国外发展经验和研究成果的基础上,开展独立的风电发展研究,确定我国风电开发方式、开发规模、发展规划以及配套电网建设规划。
在系统调峰能力建设方面,欧洲抽水蓄能和油气机组在电源结构中占有较大比重,系统调峰能力较强;而我国电源结构以燃煤机组为主,系统调峰能力有限。
为了满足我国风电大规模并网运行的需要,应该进一步优化电源结构,规划建设燃气机组和抽水蓄能电站,并通过需求侧管理等方式,改善系统调峰能力。
欧洲各国在规定电网企业具有接纳风电的义务的同时,也对风电场管理、风机性能等提出了严格的技术要求,对风电并网的技术要求和规范也越来越严格。
风电场具有优先并网的权利,但必须满足相关并网规范,保证电网的安全稳定运行。
另外,电网是风电消纳的物理载体,我国必须加大电网改造与建设投资力度,以配合大型风电基地建设,实现风电的跨省跨区消纳。
欧洲风电发展经历了近二十年的发展历程,在技术水平、管理经验和市场培育等方面均处于世界领先地位。
由于我国风电发展具有风能资源集中、资源区与负荷中心逆向分布、输送距离较远、送端电网基础薄弱等特点,因此必须选择“建设大基地,融入大电网”的发展思路,通过合理配置调峰电源,建设坚强的跨区大电网,以提高风电并网运行水平,扩大市场消纳范围。
三-1
下图给出了某省一个月风电功率波动功率随机分量的持续值,其中负值表示随机分量的符号为负。
风电功率的随机波动性使得含风力发电的电力系统在接纳风电时需要频繁调节常规机组运行点甚至调整开合组合,满足电力系统的电力平衡;或部分地区采用储能系统系统配合风力发电,平抑风电的随机波动性。
所以必须预测风功率来减轻风电功率波动的随机性对系统的影响。
三=3
变电站一次主接线
该变电站为220kV变电站,一般为地区主干电网的节点,联系着多回220kV线路,作为地区电网的重要供电电源。
变电站设有220/110/35kV三个电压等级,容量比100/100/50。
220kV出线4回,110kV出线6回,35kV出线8回。
高压侧是地区主干网的节点,接受功率或转送功率。
中压侧是主要的负荷传送方向,低压侧给附近区域符合供电,并且通过三绕组变压器接有无功补偿设备。
变电站主变压器为2台容量120MVA的自耦变压器。
选用自耦变压器较三绕组变压器损耗小、重量轻、价格低,可节省投资,而潮流方向为高压侧向低压和中压送点。
但限制短路电流能力较差,对短路器的要求较高。
母线接线方式采用的是双母线带旁路母线,特点是可靠性高,调度灵活,且带有专用旁路短路器,从而使在检修断路器的时间内该回路可通过旁路供电,提高了供电可靠性。
因为每段母线的出线回数都比较多,所以应装有专用旁路断路器,随各回线“一对一”的控制,避免十分繁琐的倒闸操作,从而减少人为操作故障。
另外,这也有利于变电站的扩建或改建。
在110kV和35kV母线之间,通过两台60MVA的三绕组变压器连接有无功补偿设备。
考虑到负荷区可有大量的无功功率,通过无功补窗户装置可以减少潮流中的无功功率,提高供电效率和供电质量。
三-2:
角形接线
角形接线中断路器等于回路数,每个回路都与两台断路器相连,其相当于把单元母线用断路器按电源和引出线数目分段形成闭环的接线。
检修任一台断路器,进出线完全可以不停电,只需断开该断路器和两侧隔离开关即可。
如图所示为常见的三种角形接线。
在角形接线中,隔离开关不作为操作电路,因此角形接线具有较高的供电可靠性、运行灵活及经济性。
角形接线的主要缺点是:
当检修某一台断路器时,接线变成开环运行,如果此时恰有另一台断路器故障就可能停电;同时角形接线还具有几点保护整定复杂、选择设备容量过大等缺点,角形越多,这些缺点就会越突出,因此角形接线通常通常用于不考虑发展的水电站,且多用三角形和四角形接线。
三-4:
3/2接线
如图所示为3/2接线,此种接线有两组母线W1和W2,两组母线通过三台串联的断路器QF1、QF2、QF3相连,中间一台断路器成为联络断路器。
三台断路器控制着两回出线,故称为3/2接线(又称一台半断路器接线)。
这种接线有很高的供电可靠性和灵活性。
任一主母线故障或检修,甚至在两组母线同时故障(或一组检修时,另一组又发生故障)的极端情况下,仍不至于停电,能继续输送功率。
另外,在这种接线中隔离开关仅在维修时用,当一组主母线停电检修时不须切换操作,避免了倒闸操作时的误操作。
若有一台断路器检修,也无须切换,个回路仍可按原接线形式运行。
但3/2接线使用设备多,造价高,经济性差,二次接线和几点保护整定复杂。
3/2接线具有较高的可靠性和灵活性,在大型发电厂和变电所的330KV和500KV超高压配电装置中得到广泛应用:
当电压为330KV至500KV、出现回路数超过6回以上且配电装置在系统中处于重要地位时,采用3/2接线更为适宜。
W1
d
W2
三-5:
单母线接线
QF3
单母线接线如图所示。
QF5
QF4
单母线接线的特点是每一回路均经过一台断路器QF和隔离开关QS接于一组母线上。
断路器用于在正常或故障情况下接通与断开电路。
断路器两侧装有隔离开关,用于停电检修断路器时作为明显断开点以隔离电压,靠近母线侧的隔离开关称母线侧隔离开关(如11QS),靠近引出线侧的称为线路侧隔离开关(如13QS)。
在主接线设备编号中隔离开关编号前几位与该支路断路器编号相同,线路侧隔离开关编号尾数为3,母线侧隔离开关编号尾数为1(双母线时是1和2)。
在电源回路中,若断路器断开之后,电源不可能向外送电能时,断路器与电源之间可以不装隔离开关,如发电机出口。
若线路对侧无电源,则线路侧可不装设隔离开关。
单母线接线的优点是接线简单、清晰、使用设备少、投资小、运行操作方便、隔离开关仅作
为隔离电源用,不作为操作电源,误操作机会少,且便于扩建。
单母线接线的主要缺点是可靠性和灵活性较差。
最严重的情况是当汇流母线故障时,将使全场(所)所有回路停电:
即使是汇流母线有计划检修,也会是全场停电,知道检修完毕才能恢复供电。
此外,当出线断路器检修或故障,会使该回路停止工作。
因此,这种接线近适用于只用一台发电机和一台主变压器的中小型发电厂或变电所6KV至220KV的配电装置。
三-12:
电气设备是在电力系统中对发电机、变压器、电力线路、断路器等设备的统称。
为了保证电气设备可靠地工作,必须考虑电气设备运行中的各种约束,其包括电气绝缘、安全距离和导体载流量等。
(1)电气绝缘。
保持配电线路和电气设备的绝缘良好,是保证人身安全和电气设备正常运行的最基本要素。
电气绝缘的性能是否良好,可通过测量其绝缘电阻、耐压强度、泄漏电流和介质损耗等参数来衡量。
(2)安全距离。
电气安全距离,是指人体、物体等接近带电体而不发生危险的安全可靠距离。
如带电体与地面之间、带电体与带电体之间、带电体与人体之间、带电体与其他设施和设备之间,均应保持一定距离。
通常,在配电线路和变、配电装置附近工作时,应考虑线路安全距离,变、配电装置安全距离,检修安全距离和操作安全距离等。
(3)安全载流量。
导体的安全载流量,是指允许持续通过导体内部的电流量。
当短路电流通过电气设备时,将产生热效应及电动力效应。
持续通过导体的电流如果超过安全载流量,导体的发热将超过允许值,导致绝缘损坏,甚至引起漏电和发生火灾,同时也会产生很大的电动力,可能对电气设备产生严重的破坏作用。
因此必须对电气设备进行热稳定和东文档校验。
三-14:
SF6是一种比较重的气体,在相同条件下,其密度是空气的5倍,其压力与温度的关系遵循理想气体定律。
临界温度是SF6气体出现液化的最高温度,临界压力表示在这个温度下出现液化所需的气体压力。
SF6只有在温度高于45℃以上时,才能保持气态,在通常使用条件下,它有液化的可能性,因此SF6断路器不能在过低温度和过低压力下使用。
SF6气体本身的化学效应是非常稳定的,并且有着非常高的绝缘强度。
在大气压力下和温度至少在500℃以内,SF6具有较高的化学稳定性,在正常温度范围内,其与电气设备中常用的金属是毫无反应的。
SF6分解的危险温度是600℃左右,此时SF6分解形成硫的低氟化合物,因此,SF6断路器至少在电气设备的A级绝缘温度,即105℃以内是相当稳定的。
SF6
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