风电场变电站电气设备的设计与选择
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能源是人类社会存在与发展的物质基础。在过去的200多年中,建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而,人们在物质生活和精神生活不断提高的同时,也越来越感受到大规模使用化石燃料所带来的严重后果:资源日益枯竭,环境不断恶化。因此,人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。风电是目前世界上增长最快的能源,装机容量每年增长超过30%。在2003年初,全球风力发电装机容量达到3200万kW,其总量相当于32座标准的核电站,足以供应1600万欧洲普通家庭或4000万欧洲居民的电力需求。中国近年来在风电发展上取得了很大的成就。2005年底,已建成61个风电场,安装1861台风电机组,全国并网风电装机容量达到126.6万kW。风电装机容量位居世界第7位,亚洲第2位。2005年,中国政府对2020年的风电发展目标进行了修改,将风电装机容量由2000万kW增至3000万kW。
一、风力资源基本情况
武川县西乌兰不浪镇西北部属中温带大陆性季风气候,冬季长而寒冷,夏季短而凉爽,降水量少,温差大,日照充足,多风沙和寒潮。主导风向为西北和西南风。设计武川风电场一期工程总装机容量49.5MW,建设期为18个月,拟安装单机容量为1500kW风力发电机组33台。本期工程拟建设220kV变电站一座。
武川县历年平均气温2.8℃,历年极端最高气温36.2℃,历年极端最低气温-37.0℃,历年平均气压839.3hPa,平均相对湿度56%,平均水气压5.3hPa,年平均降水量为354.1mm,且多集中秋季,年平均蒸发量1841.8mm,高于降雨量5倍多,其中春旱是该县农业生产的突出矛盾。冬春季盛行西北风,每年4―5月份多风并且大风集中,风速一般为4.1―6.4m/s,年平均风速大于17m/s的日数45天。
该项目位于内蒙古武川县西北部,海拔高度1800―1900m。风电场场址位于N41°10′17.17032″―N41°13′9.09373″,E110°51′22.47219″―E110°54′59.70762″,呈扇形区域分布,风电场面积约23km2。
根据武川县气象局1977―2006年最大风速系列计算,50年一遇最大风速为24.3m/s。通过气象站的50年一遇最大风速推算到风电场50m、60m、65m、70m、75m高度处50年一遇最大风速分别为35.8m/s、36.4m/s、36.6m/s、36.8m/s和37.0m/s。根据国际电工协会IEC61400-1(2005)标准判定本风电场工程可以选择Ⅲ类风力发电机组。
二、机型范围初选及接入系统方式
1.风机布置
本工程场址地势起伏明显,多丘陵,不太适宜按梅花型阵列多排方式布机。为了机型选择的公平性,尽量使各种机型发电量最大化,因此,利用WAsP8.3、WindFarmer3.5.1软件等工具对场址风能资源进行分析,寻找风能资源丰富、具有开发价值的布机点,对各机型进行优化布置,机组行列距保持在5倍风轮直径以上。根据风电场整体布置原则,进行发电量的初步计算,使风电场整体布置比较合理,且发电量指标较高。
2.接入电力系统方式
综合考虑不同电压等级输送容量和距离,并网电压选用220kV电压等级,拟在风场内建设一座220kV变电站,站内规划主变压器四台,主变容量100MVA,电压242/35kV。本期建设安装一台,预留三台。
风力发电机采用一机一变单元接线方式,每台风力发电机接一台1600kVA升110压变压器,将风机端0.69kV电压升至35kV,每11台风力发电机汇集后通过1回35kV架空线送至厂内220kV变电所,经主变35kV升压至220kV后送出至系统并网。
根据武川县风电规划,以及武川县地区电网的发展情况,提出以下接入系统方案:武川风电场以单回220kV线路直接接入可镇220kV变电所220kV母线侧,线路长度约53km,线路导线采用2*(LGJ-300),可以满足武川风电场现有电力及发展扩建后的电力送出。
三、主变压器及电气主接线的设计与选择
1.变压器型式容量和台数的确定
电厂升压主变压器主要采用户外三相双卷带平衡线圈有载调压变压器,本期建设一台,容量为100/100MVA;远期建设四台,容量为4×100MVA。
2.厂用电方案的确定
厂用电源的引接方式考虑本厂实际情况,厂用工作电源在35KV母线上引接一台厂用工作变压器。
3.电气主接线形式的选择
从电压等级、出线回路数考虑,从电气主接线的可靠性、经济性极灵活性考虑35kV应选择单母线分段接线形式,220kV应选择单母线接线形式。本期工程电气主接线采用单母线接线,220KV出线1回,接可填220KV变电站。35KV出线3回,采用单母线接线。
四、高压电气的选择
1.隔离开关选择单柱式剪刀式结构隔离开关。
2.母线接地开关的选择:
35kV侧采用高压开关柜室内布置方式。220kV电流互感器推荐选用户外油浸式,型号为LCWB7-220W12*600/5。220kV母线设备选用TYD-220型电容式电压互感器。
35kV配电装置选用三相交流户外设备,一次元件主要包括断路器、电流互感器、避雷器等。真空断路器:型号为ZW7-40.5。补偿装置与电力系统的连接选择主变设置20MVar动态无功补偿装置。
武川风电场一期(49.5MW)工程项目场址处风能资源基本可用于并网型风力发电,具有一定的开发前景。场址区域内地质结构稳定,适宜建设风电场。电气并网方案经济、可行。施工建设条件及交通运输条件齐全、便利。经过工程概算和财务分析,该工程可以取得一定的经济效益。
参考文献:
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[2]王维俭,孙宇光.龙滩发电机组保护设计新思想.北京:中国电力出版社,2005.2.
[3]熊信银.发电厂电气部分(第三版).北京:中国电力出版社,2004.8.
[4]熊礼俭.最新风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册.中国科技文化出版社,2007.3.