风电场设计.docx
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风电场设计
基于美国洛杉矶的风电场设计
一作：
王一珺研电1603学号1162201023
二作：
秦晓研电1610学号1162201332
1.风电场的选址
风能的利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他的能源形式。
高纬度与低纬度之间的温度差异可形成南北之间的气压梯度，使空气作水平运动而形成风。
地球自转所产生的偏向力也是产生风能的主要原因。
除以上两方面外，风能在很大程度上受海洋、地形的影响，时空分布较为复杂。
风能的大小与气流密度通过的面积及气流速度的立方成正比，其中空气密度、气体速度随地理位置、海拔、地形等因素变化。
宏观选址是在一个较大的地区内选择风能利用效率较高的小区域，确定项目的拟建规模及建设地点，可以作为可行性研究的微观选址依据。
微观选址需要对风力资源、用户需求、地理条件等多种因素进行综合分析，使风电场发电量最大化。
在本设计中，首先在NREL.gov网站上找出美国在不同高度处的大致风速示意图，找出风力资源丰富、适合建立风电场的地方。
美国30m、50m、80m、100m处平均风速分布图如下所示：
图1.1美国30m处平均风速分布图
图1.2美国50m处平均风速分布图
图1.3美国80m处平均风速分布图
图1.4美国100m处平均风速分布图
根据以上不同高度处的风速图可知，在美国中心腹地及西南方较适宜建立风电场。
本文选择位于加利福尼亚州的洛杉矶，其50m处的具体风速大小如图所示。
图1.5美国50m处具体风速分布图
80m高处年平均风速、风功率密度分别为9.2m/s及697W/㎡，其余不同高度处具体风速见附表。
在不同年份所测点风向、风能频率图（风能玫瑰图）如下图所示。
图1.62014风能玫瑰图
图1.72015风能玫瑰图
图1.82016风能玫瑰图
可知选址在洛杉矶，最佳风能频率方向为东北，春季与冬季的风能尤为丰富，且2014及2015年及2016冬季（之后的风能信息网上未公布）的平均风速都符合预期，属于风能资源丰富区，具有开发价值，可以在此处建立风电场。
洛杉矶年平均气温为14℃，年平均空气密度为1.009kg/m³。
2.风力发电机的选型及布局
2.1选型考虑因素
1）风轮输出功率方式
风轮输出功率控制方式分为失速调节和变浆距调节两种。
两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。
从目前市场情况看，采用变浆距调节方式的风电机组居多。
2）风电机组的运行方式
风电机组的运行方式分为变速运行和恒速运行。
恒速运行的风电机组的好处是控制简单、可靠性好。
缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力发电机组经常工作在风能利用系数较低的点上，风能得不到充分利用。
变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机组或多极永磁同步发电机。
变速运行方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖比接近最佳，从而最大限度的利用风能，提高风力发电机组的运行效率。
3）发电机类型
发电机的类型包括异步发电机、双馈感应型发电机和多极永磁同步电机。
风力发电机大多采用普通的异步发电机，正常运行中在发出有功功率的同时，需要从电力系统吸收一定的无功功率才能正常运行（机端的电容补偿只能减少从电力系统吸收无功功率的数量）。
双馈感应型风力发电机的功率因数（COSφ）可以在＋0.95～－0.95之间变化，也就是说可以根据电网的需要发出或者吸收无功功率，改善当地电网的电压质量，提高电力系统的稳定水平。
采用多极永磁同步发电机的风力发电机组，其发电机室外转子型，转子位于定子的外部，电机的尺寸和外径相对较小，重量轻，易于运输。
4）风力发电机组的传动方式
风力发电机的传动方式包括齿轮传动方式与无齿轮箱直驱方式。
目前，风力发电机大多采用齿轮传动，成本较低，但是降低了风电转换效率、产生噪音，是造成机械故障的主要原因，而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。
采用无齿轮箱的直驱方式提高了电机的设计成本的同时有效地提高了系统的效率以及运行可靠性。
5）风机运行可靠性
有些风机在运行过程中可能会出现故障率过高，停机时间过长的情况，从而造成风机维修费用增加，实际发电量减少。
评价风机运行可靠性，可以以风机风能利用率的大小为依据，其表达式为：
2-1
6）输出功率与风速的关系
下图为风力发电机的动力曲线，表明了发电机在不同风速下产生的功率。
可见,在风速较低时，输出功率随风速的提高而变大。
达到一定值之后,功率不再随风速的提高而变化。
因此，风力机组的位置不必刻意选取在风速最高点,而应该寻找风力达到要求且风能特性稳定的地方。
所以，山顶等风速高但特性不稳定的地形，不是风机安装的理想位置。
图2.1.1风力发电机动力曲线
7）涡轮系数
风力发电机的漩涡系数用以表征两台风机同时运行时对通过的风力产生的旋涡效应，其与风速的关系如下图所示。
这个因素的存在使两台风机不能相隔太近的距离，否则会对彼此的正常工作产生不利的影响。
图2.1.2涡轮系数与风速的关系
2.2风力发电机组选型方案
2.2.1对当地风能资源的进一步分析
对洛杉矶该观测点附近的风能进行进一步分析。
以2015数据为主，不同季节的风能玫瑰图如下图所示。
图2.2.1.12015不同季节风能玫瑰图
春夏秋冬的平均风速分别为7.5m/s，6.6m/s，8.8m/s，10.6m/s，可知秋冬季节风能资源较丰富，且四季主要盛行东北风及北风，风场主风向和主风能方向一致，且盛行风向较稳定。
（具体数据见附表所示）
该风电区域风功率等级为6级，风电场70m高度50年一遇最大风速小于52.5m/s，60-70m高度15m/s风速湍流强度小于0.1，按照国际电工协会IEC标准选择该风电场属于IECIII类风电场。
洛杉矶位于气候温和的地中海型气候带，因此不必考虑选用低温型风电机组。
2.2.2确定单机容量范围
国内外风电场工程的经验表明，在地形和交通情况适宜、风电机技术可行、价格合理的条件下，单机容量越大，越有利于充分利用风电场土地，越能充分利用风电场的风力资源，整个项目的经济性越高。
然而，在现有的经济和技术条件下，对于一个已知的风电场，单机容量选择在某个确定的范围内，项目的经济性会相对较高。
在进行单机容量选择时，首先应确定一个适合于本风电点的容量范围，然后在该范围内选择一种技术成熟、市场业绩良好并且经济性较高的机型。
根据目前风力发电机组的制造水平、技术成熟程度和价格等因素，结合风电场的风况特征，机组的安装和设备运输条件，针对风电场区地势起伏较大，风电场内交通较差的具体情况，确定选择的单机容量范围为1500kW～2000kW且满足IECⅢC类及以上等级要求的机组进行对比和分析。
2.2.3风电机组具体选型
结合以上确定的单机容量范围，并结合参考国内外风电机组生产厂家产品的性能，实际运行情况及参考价格，这里初步确定5种风电机组型号进行比选，其中4种为1500kW的机型，一种为单机容量为2000kW的机型，具体用WTG1500A、WTG1500B、WTG1500C、WTG1500D、WTG200代表，相应技术参数见表1，功率曲线见下图。
此处备选的5种风机均为3叶片，额定功率1500kW～2000kW，风轮直径77～93m，切入风速3m/s，切出风速22～25m/s，额定风速10.3～11m/s，安全风速52.5～59.5m/s，轮毂高度为65～80m。
表2.2.3.1风电机组性能
图2.2.3.1各机型功率曲线
通过以上对各机组标况下的功率曲线可以看出：
当风速在5～11m/s时，WTG1500D机组输出额定功率的百分比最大，优势比较明显，因此本文选择WTG1500D机组作为所建风电场的风电机组。
3.风电场布局及发电量估算
3.1布局考虑因素
风电机组把风能转化成电能，风通过风轮后造成的风速下降和产生的尾流，需要经过一定的距离才能恢复。
理想条件下，在主导风向优选出风电机组间的最佳距离以减少风电机组相互间的影响，在确定范围的风电场内获得最大的发电量，取得最高的经济效益。
风力发电机组的布置按充分利用风电场场址区的风能资源，并结合场址区地形及土地利用规划进行布置。
一般情况下布置风力发电机组时要充分考虑以下几点：
（1）风力发电机组垂直于主导风能方向排列；
（2）充分利用风电场的土地；
（3）尽量减小风力发电机组之间的相互影响、满足风电机组之间行、列距的要求，在主导风向上要求机组间隔（行距）5～9倍风轮直径；同一排两风力机间距在风轮直径的3～5倍；在多排布机时也可呈梅花型排列，即前后两排相互交错排列，减少尾流影响，如下图；
图3.1.1.风电机组布置图
（4）考虑风电机组之间的相互影响后尽量缩短机组之间的距离，从而减少集电线路的长度。
3.2风力发电机组的布置
根据研究成果以及以往工程经验，风机尾流损失一般控制在8%以内。
因此本阶段风机布置方案原则为，在保证尾流损失不超过8%的条件下，尽量将风机布置在风资源较好的山脊上。
经过多次优化计算和技术经济的比较后，本次风机布置采用垂直于主风向距离为8倍叶轮直径、平行于主风向距离为5倍叶轮直径原则布机。
根据单机容量和机型选择，风电场内1500kW机组布置了18台风机，2000kW机组布置了14台风机。
采用风能处理软件WindFarmer进行风电机组的优化布置，WindFarmer软件利用风谱图自动对风电机组位置的进行多次优化调整，以得到整个风电场的最大发电量。
同时计算各个风电机组之间的尾流影响，使尾流影响最低，从而达到风场风资源利用的最大化目的。
随着优化次数的不断增加，风电场的发电量也在缓慢上升，当发电量增量不明显时做为最终优化次数。
对所选机型，得到最终布置方案如下表所示。
表3.2.1最终布置方案
编号
位置（X）
位置（Y）
基面高度m
编号
位置（X）
位置（Y）
基面高度m
1
563568
4817573
1196
10
564022
4817199
1180
2
563674
4817746
1187
11
563845
4817034
1191
3
563454
4817404
1199
12
564570
4817483
1174
4
563333
4817245
1201
13
564467
4817330
1170
5
563968
4817648
1187
14
564341
4817142
1180
6
563862
4817425
1190
15
564200
4816990
1184
7
563700
4817275
1192
16
563674
4817745
1187
8
563532
4817126
1197
17
563458
4817501
1198
9
564170
4817364
1182
18
563209
4817253
1205
3.3发电量估算
根据风机安装位置图，以及厂家提供的风力发电机功率曲线和风电场的风资源资料，经过软件进行发电量的计算，得出本期工程安装风力发电机组，去除尾流影响后的计算年发电量及单台机组年发电量（平均值）。
软件计算得到的是理论发电量，应做出修正后，得出实际的上网电量，最后可计算出总发电量。
在相同风资源情况下，发电量最多的机型视为最佳机型。
表3.3.1机型参数对比表
机型
WTG1500A
WTG1500B
WTG1500C
WTG1500D
WTG2000
单机容量（kW）
1500
1500
1500
1500
2000
轮毂高度（m）
65
65
75
70
80
装机台数（台）
18
18
18
18
13
装机容量（MW）
99
99
99
99
100
理论年发电量（万kWh）
8061.44
8298.93
9207.98
9438.87
9824.75
尾流损失（%）
5.11
5.17
5.25
5.1
5.14
尾流折减后年发电量
7658.36
7883.98
8747.58
8966.93
9333.51
由表中数据，折减尾流影响后五种机型的年发电量分别为7658.36kWh、7883.98kWh、8747.58kWh、8966.93kWh、9333.51kWh，所选机型WTG1500D的年发电量虽然不是最大的，但综合来说优势明显。
4.风电场电气部分设计
风电场电气主接线应根据升压站的规划容量、送电线路电压等级、升压站功能、主变连接元件总数、设备特点、系统稳定等要求进行。
4.1电气主接线的设计
风电场电气主接线应根据升压站的规划容量、送电线路电压等级、升压站功能、主变连接元件总数、设备特点、系统稳定等要求进行。
根据风电机组设备的特点，风电场升压站宜按用户站考虑，力求接线简单。
应综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于过渡或扩建等要求，应进行多个方案的经济技术比较与分析论证，最终确定升压站电气主接线。
风电场的接线示意图见下图：
图4.1.1风电场的接线示意图
一般风力发电机组出口电压为690V，若直接接入风电场的中心升压站，则电缆的截面过大，无法满足现场的安装要求，而且电能损耗太大。
为了便于现场安装，减少电能损耗，须就地将电压升高到10kV或35kV才能接入中心升压站。
4.1.1风电场高压侧主接线
为满足风电场接入系统的要求，需在风电场内部设置一座中心升压站，将风电机组一级升压后的电能，通过集电线路汇集送至中心升压站后，二次升压送入电力系统。
风电场升压站高压侧配电装置的基本接线方案主要有变压器—线路单元接线和单母线两种形式。
汇集单个风电场电能的升压站宜采用变压器—线路单元接线和单母线两种形式。
汇集多个风电场电能集中送出的升压站或兼有风电汇集及风电升压功能的升压站宜采用单母线形式或单母线分段接线。
本案例选择风电机组升压接线为风力发电机与箱式变电站组合为一机一变的单元接线方式。
4.1.2风电场低压侧主接线
风电场升压站低压侧（35kV或10kV）接线一般是单母线分段，分段数宜与主变压器台数一致，各段母线间可设置分段断路器，这主要是考虑主变压器检修时便于其母线段风机电能的送出，另外在小风月也可用来使空载主变退出运行，以节约一台主变的空载损耗。
4.1.3风电场场用电主接线
风电场升压站场用电系统应由两路独立的电源组成，一路引自主变压器低压侧，另一路从站外电源引接，如原风场的施工电源永久化或从地方升压站获得电源，也可设置柴油发电机组。
场用电系统应采用三相四线制，系统的中性点直接接地，系统额定电压380/220V。
一般情况下，220kV升压站场用电系统采取单母线分段接线，110kV升压站场用电系统采用单母线接线。
因此，本案例选用单母线接线。
4.2集电线路的设计
对于集电线路的电压选择应根据风电场规模及接入条件等要素因地制宜确定。
集电线路优先考虑采用35kV电压等级。
风机容量小、塔位距升压站较近或地方用电负荷较大应采用分布式接入系统，集电线路可采用10kV电压等级。
风电场集电线路一般情况下优先采用架空线路，当受地形地物等约束条件限制时，如林区、鱼池、公路、其他电力线路等，宜采用电缆线路。
风电场架空线路的导线可采用钢芯铝绞线，地线可采用镀锌钢绞线。
35kV线路全线安装架空地线。
10kV则视其风电场雷电活动情况而定。
集电线路路径应综合考虑机位分布、
运行、施工、交通条件及路径长度等因素，进行多方案的比较，做到经济合理、安全适用。
在政府规划许可时，丘陵山地和荒漠平原地区一般应采用架空线路。
海岸滩涂、河网、泥沼地区可采用架空线路与地埋电缆相结合的型式。
风电场内架空光缆可采用ADSS全介质自承式光缆线路或OPGW架空地线复合光缆，光缆与架空线路同杆敷设至场内升压变电站，不另设单独架空光缆线路。
对于本案例，若选择架空线，35kV只要2～3回线、10kV只要6～8回线就可将18台风力发电机组的电力全部送到升压站，而且导线截面还可以选得较小。
但是考虑到洛杉矶属于地中海气候，且靠海较近，采用架空线方案，铁塔的要求较高，造价也增加较大，导线的可靠性也有所下降。
采用电缆，由于埋设在地下，不受周围环境影响，可靠性较高，但电缆相同截面导线载流量比架空线小得多，如本文采用电缆，35kV要5回线、10kV要11回线才可将18台风力发电机组的电力全部送到升压站。
综合可靠性、经济性等方面考虑，选择电缆方案。
4.3主要设备选型
风电场主要设备包括风电机组、主变压器、箱变、无功补偿装置及35kV（10kV）侧中性点设备选择。
风电机组设备的选型已经在第二小节中阐明了，此处对其他几种设备进行选择。
4.3.1主变压器的选型
应结合风电场的条件优先选择油浸式、低损耗（通常选用10型或11型）、自然油循环、风冷/自冷式有载调压变压器。
大变压器宜选S10型，尽量选择全自冷方式（100MVA以下）。
本案例的主变压器选用三相、双绕组、低损耗（S11型）、低噪音、免维护、有载调压电力变压器，型号为SZ11-50000/110，接线组别为YNd11，冷却方式为自冷。
4.3.2箱变的选择
一般情况下，机组容量1500kW及以下容量时，风力发电机组都是按单元接线配置美式箱变，机组容量1500kW以上时，配置多为欧式箱变。
通常情况下变压器选择节能型（S11型）产品。
按机组功率因数cosф=0.95（滞后）运行时的发出容量配置箱变，分接头在高压绕组上，采用无励磁调压方式。
通常采用Ue±2×2.5%。
选择变压器短路阻抗时，尽可能选用变压器的标准阻抗值。
箱式变电站的变压器容量为2105kVA，共选用18台箱式变电站。
4.3.3无功补偿装置的选型
当风电场向系统输送有功功率时，在输电线路的电阻上产生使风电场端电压上升的电压分量；而风电场从系统吸收感性无功功率，在输电线路的电抗上则会产生使风电场端电压下降的分量。
当风电场的功率因数不同以及输电线路的电阻/电抗比值不同时，风电场的端电压最大值对应的有功功率也不同，无功功率是随有功功率的变化成平方关系变化的。
由于风速的变化，湍流以及风力发电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。
此外，风电场大都处于电网末端，送出线路长达几十千米，电网结构薄弱，如果不能及时的提供无功支撑，将导致端电压降低或升高，严重时将导致系统电压失稳。
在风电容量较高的电网，将产生一系列的电能质量问题，包括电压波动和闪变、频率偏差和谐波问题，还应考虑系统的静态稳定、动态稳定、暂态稳定和电压稳定等。
要解决风电场的无功问题对电能质量的影响，除了合理选择风电场接入电网的地点和方式，增加接入点的短路容量外，风电场应配置无功补偿装置，具备无功功率及电压控制能力。
根据系统调度部门指令，风电场能快速连续地自动调节其发出（或吸收）的无功功率，实现对并网点电压的控制。
根据目前风电并网要求及目前设备型号情况，宜选择SVG无功补偿装置。
在风力发电机出口安装并联电容器组，在风电场母线集中安装并联电容器组。
补偿前的平均功率因数为
，补偿后的平均功率因数为
，则补偿容量可用下述公式计算：
4-1
4.3.435kV（10kV）侧中性点设备选择
初选中性点接地设备为消弧线圈或接地电阻。
风电场35kV侧采用低电阻接地时，中性点宜从主变引取。
由于主变的容量较大，因此中性点的引流容量足够大，这样回避了接地变容量的选择。
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