风电场电气工程作业.docx
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风电场电气工程作业
风能1102胡成龙1111540205
一、以下题目为必做题目
1.本课程开设的目的？
（必做）
本课程开设的目的是为了使同学们掌握风电场（包括升压变电站）中各主要电气一次设备的功能、结构、种类和工作原理等等，对各主要一次设备的外观和主要部件有明确的感性认识；掌握电气主接线的基本概念和设计原则，分析并理解各种电气主接线的特点；对常用的电气计算有一定的了解（选修）；掌握风电场电气一次设备选择的原则和基本方法。
2.本课程的主要内容？
（必做）
全书共分7章：
第1章绪论，主要介绍了风力发电与常规发电的不同之处，着重突出风电场不同于常规发电厂的电气特点。
第2章风电场电气主系统，介绍了风电场、升压变电站中除发电机组以外的主要一次设备和电气主接线，包括电气设备的原理、结构以及选择方法，电气接线的设计和表示方法等。
第3章风电场电气二次系统，主要介绍电气二次系统的结构和功能，例如继电保护、自动化和信号系统等。
第4章风电机组的输出特性与运行控制，主要介绍了各种风电机组的工作原理、运行特性、起停及并网控制等内容。
第5章并网风电场对电网的影响，主要介绍风电场接入系统的数学模型及分析计算，风电场对电力系统的影响，风电场容量可信度以及风电场接入电网的技术规定。
第6章风电场的直流输电与功率控制技术，主要介绍柔性直流输电技术、风电场无功电压控制要求和方法，以及风电场低电压穿越技术和有功功率控制技术。
第7章风电场防雷与接地，介绍了雷电的防护及接地措施、风电机组的防雷保护、集电线路及升压变电站的防雷与接地。
3.本课程所授知识的主要用途？
（必做）
风电场电气工程所受知识是相关领域的从业人员必修的基本知识，主要作为普通高等院校风能与动力工程专业的教材，也适合作为风力发电领域相关从业人员的培训及自学用书。
2、以下题目为选做题目（下列题目需要同学们使用XX、谷歌等搜索引擎已经学校图书馆的电子期刊等检索工具，通过检索-查阅-分析-总结完成）（选做题目为1、4、5）
1.请参阅不同厂家资料，选择三种不同类型风机，结合其具体参数使用已经学过的基本理论知识解释其特点，阐明其应用中的优缺点和适用范围。
（1）金风82/1500kW风力发电机组技术参数
序号
部件
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82/1500
1.2
额定功率
kw
1500
1.3
功率调节方式
变桨变速调节
1.4
叶轮直径
m
82
1.5
轮毂高度（推荐）
m
70
1.6
切入风速
m/s
3
1.7
额定风速
m/s
10.3
1.8
切出风速（10分钟均值）
m/s
22
1.9
极大风速
m/s
52.5（GLIIIA）
1.10
全场可利用率
≥95%
1.11
运行温度范围
-30°C至+40°C
1.12
机组生存温度
-40°C至+50°C
1.13
设计使用寿命
年
≥20
2
叶片
2.1
制造厂家/型号
SINOMA40.2或类似叶片
2.2
叶片材料
玻璃纤维增强树脂
2.3
叶尖线速度
m/s
38.8～74.58
2.4
扫风面积
m2
5324
3
发电机
3.1
制造厂家/型号
金风科技/直驱永磁同步发电机
3.2
额定功率
kw
1580
3.3
额定电压
V
690
3.4
额定电流
A
660
3.5
防护等级
IP23
3.6
润滑方式
加注润滑脂
3.7
润滑脂型号
SKFLGEP2
3.8
额定转速及其转速范围
rpm
17.3（9～17.3）
3.9
并网转速
rpm
9
3.10
绝缘等级
F级（≤150℃）
3.11
电机极数
88
3.12
电机频率范围
Hz
6.6～12.7
4
变流器
4.1
变流器型号
IGBT变流器
4.2
视在功率
KVA
1579
4.3
额定输出电压
V
690
4.4
额定输出电流
A
1397
4.5
输出频率变化范围
Hz
50±0.4
4.6
防护等级
IP54
4.7
功率因数调节范围或采用定变桨矩风电机组的功率因数
1/4额定功率
容性0.95～感性0.95
2/4额定功率
容性0.95～感性0.95
3/4额定功率
容性0.95～感性0.95
额定功率
容性0.95～感性0.95
5
主轴
5.1
制造厂家
吉鑫
6
主轴承
6.1
制造厂家/型号
SKF/NJ28/710ECMA/VR567SKF/BT2-8168/HA1VR602
7
制动系统
7.1
主制动系统
3个叶片顺桨实现气动刹车
7.2
第二制动系统
发电机刹车（用于维护过程）
8
偏航系统
8.1
类型/设计
电动机驱动/四级行星减速
8.2
控制
主动对风/计算机控制
8.3
偏航速度
°/s
0.5（12分钟/圈）
8.4
偏航轴承形式
外齿圈四点接触球轴承
8.5
润滑方式
自动加注润滑脂（fuchsgleitm585k）
8.6
制造厂家/风速仪型号（标配）
THIES/4.3519.00.141
8.7
制造厂家/风向标型号（标配）
THIES/4.3129.00.141
9
液压单元
9.1
制造厂家/型号
Hawe/A4002M10
10
控制系统
10.1
控制单元类型
PLC
10.2
主开关柜
10.3
额定频率
Hz
50
10.4
逆变器额定输出电流
A
1397
10.5
软并网装置/类型
IGBT逆变
10.6
额定出力的功率因数
≥0.98
11
防雷保护
11.1
防雷设计标准
按照IEC61312-1995 IEC61643-1995
IEC61024、IEC1024-I设计，符合GL认证规范
11.2
防雷措施
电气防雷、叶尖防雷等
11.3
风机接地电阻
Ω
≤4
12
塔架
12.1
类型
钢制锥筒（内设爬梯及防跌落保护）
12.2
轮毂高度（推荐）
m
70
12.3
表面防腐
喷漆防腐
13
重量
13.1
机舱（不包括叶轮和发电机）
Kg
11800
13.2
发电机
Kg
43600
13.3
叶片
Kg
6085
13.4
叶轮（包含叶片、轮毂）
Kg
32105
总体设计方案
金风1500kW风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变速变桨距调节、直接驱动、外转子永磁同步发电机并网的总体设计方案。
功率控制方式采用变速变桨矩控制，每一个叶片上有一个变桨轴承，变桨轴承连接叶片和铸铁结构的轮毂。
在额定风速以下采用变速调节，额定风速以上叶片桨距角可根据风速和功率输出情况自动调节。
发电机采用多极外转子永磁同步发电机，采用直驱方式，叶轮直接同发电机转子连接。
发电机自然风冷，无需电网励磁，发电机低速运转（9～19rpm）。
变速恒频系统采用AC-DC-AC变流方式，将发电机发出的低频交流电经整流转变为脉动直流电（AC/DC），经斩波升压输出为稳定的直流电压，再经DC/AC逆变器变为与电网同频率、同幅值、同相的交流电，最后经变压器并入电网，完成向电网输送电能的任务。
随意适应50Hz、60Hz电网，优异的并网特性及低电压穿越能力，无功调节范围宽（感性0.95～容性0.95）。
机组自动偏航系统能够根据风向标所提供的信号自动确定风力发电机组的方向。
当风向发生偏转时，控制系统根据风向标信号，通过减速的驱动马达使机舱自动对准风向。
偏航系统在工作时带有阻尼控制，通过优化的偏航速度，使机组偏航旋转更加平稳。
液压系统由液压泵站、电磁元件、蓄能器、联结管路线等组成，用于为偏航刹车系统及转子刹车系统提供动力源。
自动润滑系统由润滑泵、油分配器、润滑小齿轮、润滑管路线等组成，主要用于偏航轴承滚道及齿面的润滑。
在海上型风机，变桨系统也做了自动润滑设计。
制动系统采用叶片顺桨实现空气制动，降低风轮转速。
机组机舱设计采用了人性化设计方案，工作空间较大，方便运行人员检查维修，同时还设计了电动提升装置，方便工具及备件的提升。
电控系统以可编程控制器为核心，控制电路由PLC中心控制器及其功能扩展模块组成。
（2）华锐FL1500风机电控系统简介
1.1FL1500风力发电机组电控系统的组成
FL1500风力发电机组的电控系统主要分为五个部分：
电源系统、变速恒频控制系统、
偏航控制系统、变桨控制系统和PLC控制系统。
1.2FL1500风力发电机组电气与控制技术的主要特点
1.2.1发电机-变频器
☆ 减少风机各部件承受的机械负载--较低的设备和维护成本；
☆ 提高对风能的捕捉能力--较高的功率；
☆ 快速和强有力的无功控制--可精调功率因数，并对电网提供无功支持；
1.2.2风场无功管理系统
☆ 动态调节风场在系统接入点的电压或功率因数；
☆减少使用电容器组或SVC，降低设备及维护成本；
☆ 有机地将风力发电与弱电网结合在一起，并有效地改弱电网的运行特性；
1.2.3低电压穿越技术
☆ 电网电压降低到额定值的15%，如持续不超过500ms，风机可保持联网；
☆ 故障期间可向电网提供最大可能的无功支持；
1.2.4传动系统状态监控技术
☆ 实时地在线检测轴承和齿轮箱部件发出的振动信号；
☆ 早期发现轴承和齿轮箱的问题，制定优化的维护计划，避免意外停机和破坏性故
障；
（3）华锐SL3000风机电控系统简介
1.1SL3000风力发电机组电控系统的组成
SL3000风力发电机组的电控系统主要分为五个部分：
电源系统、变速恒频控制系统、
偏航控制系统、变桨控制系统和PLC控制系统。
1.2SL3000风力发电机组电控系统的主要特点
☆ 第三代并网型风机，世界主流技术；
☆ 双馈异步发电机，更灵活的馈电方案，更低的成本，更高的效率；
☆ 一拖五的电动偏航，效率更高，维护量更小；
☆ 冗余的独立电动变桨系统，高精度伺服机构，更安全的系统保障；
☆ 使用超级电容供电的电动变桨系统，寿命更长，可靠性更高；
☆ 双PWM变频器，集高精度矢量控制、完美无谐波、效率因数校正、最大风能跟踪
诸多功能于一身；
☆ SCADA系统，灵活高效的中央控制及远程监控功能；
☆ 高性能、分时多任务处理功能的中央控制器性能强大；
☆ 无冲击的并网、解列技术；
☆ 长寿命的膜电容大幅度提高系统可靠性；
4.请结合电网中发生的具体案例解释“稳定”这一概念。
2003年8月14日北美发生了震惊世界的大停电，随后相继又发生了澳大利亚、伦敦、瑞典、丹麦、意大利大停电，接着在2004年7月12日希腊首都雅典、11月18日西班牙首都马德里市中心发生大停电，2005年1月8日瑞典南部飓风袭击引起的大停电、5月25日上午11时10分莫斯科发生俄罗斯历史上规模最大的停电事故。
大范围的停电事故，给该地区工业生产、商业活动及交通运输等经济方面造成巨大损失，并严重影响了人们社会生活。
大停电事故受到各国政府首脑和整个社会的高度关注。
“814”大停电历时29小时、损失负荷6180万千瓦,影及5千万人口,损失达300亿美元；意大利数小时的大面积停电，仅直接经济损失就达数亿欧元；莫斯科大停电直接经济损失至少10亿美元，200万人停水断电，两万人被困在地铁，间接损失无法估计。
之所以会发生这些事故，原因在于电网的稳定性不足，无法进行自我协调，最终导致大面积停电。
①电力系统稳定可以概括地定义为这样一种电力系统的特性，即它能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在遭受扰动后能够恢复到可以容许的平衡状态。
②电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。
通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、小扰动动态稳定、电压稳定及中长期动态稳定。
5.请结合不同的案例，解释风电场接入后电网运行需要采取的应对措施
以甘肃省安西地区的风电场接入嘉酒电网为例，分析大容量风电场投入后对电压稳定性的影响。
简化后的河西电网主网及安西地区风电场的接线情况如图6所示。
图中：
节点0为合并后的甘肃省中部电网，为系统平衡节点；节点1为330kV变电站，其中节点5为嘉峪关变电站，节点6为瓜州变电站，节点7、8、9分别为安西、大梁、向阳风电场，容量分别为100、50、50MW。
以自身容量为基准，异步发电机等值阻抗的标幺值如下：
R=0．055；X。
：
0．2875；X=3-3。
各节点的电源容量、负荷有功功率和并联电容无功补偿量见表1。
各支路电抗见表2。
为分析风电场接入系统后对系统电压稳定性的影响，本文基于上述模型，设定如下短路情况：
情况1：
安西风电场（节点7）升压总站的一条10kV进线发生三相短路故障，故障持续时间AT=ls。
仿真时，设短路开始时刻ts=lOs，短路消除时刻to=l1S，仿真持续时间为30S，仿真结果分别如图7和8所示。
图7、8中：
U为电压；S为转差率；为转速；下标数字表示节点号。
由图7、8可知，短路过程中各风电场节点的转子转速都迅速增大，安西、大梁和向阳风电节点电压都迅速下降，瓜州110kV节点电压也下降较大。
但在故障切除后，各节点的转差率、转子转速、风机功率和电压都逐渐恢复正常，系统保持稳定。
安西、大梁和向阳风电场在短路过程中的最大转差率以及在t=30S时的转差率见表3。
根据上述的仿真计算分析结果可知，风电单元容量的大小、故障点的位置以及故障切除时间等都对电网的电压稳定性产生重要影响：
靠近故障点的风电机组容量越大，系统越容易失去稳定；短路点越靠近多个风电场的公共接入点时，系统越容易失去稳定；故障持续时间越长，系统越容易失去稳定。
因此为提高大容量风电场接入电网后的电网电压稳定性，本文提出如下措施：
（1）限制风电单元的容量。
具体可采用2种措施：
限制接入一个点的风电容量，这样就可以在该点发生故障时，尽量降低其对其它风电场的影响，即采取“分散接入”的原则尽可能地将大容量风电场分别接在不同的点上；将风电机组解列运行，以减小单元容量，如安西风电场总站到330kV瓜州变电站为两变两线，可将其解列运行，使安西风电场近似等同于2个独立的大梁或向阳风电场。
（2）提高保护的动作速度，减小故障持续时间，从而减小发电机组在短路过程中的速度增量、显著地改善电压稳定性。
（3）风力机的选择。
风机在超速后的效率下降特性可以阻止机组的加速，从而显著提高系统的稳定性。
（4）异步发电机的选择。
当电压低于临界电压时，异步发电机吸收的无功功率将急剧增加，因此从提高电压稳定性考虑，应选择较小的异步发电机。
3、以下题目为选做题目（选做题目为4、5、11、13、14、18、25、26、32、36、40、48）
4.给出你所查阅到的最复杂的接线形式，并阐述其特点。
双母线分段带旁路接线就是在双母线带旁路接线的基础上，在母线上增设分段断路器，它具有双母线带旁路的优点，但投资费用较大，占用设备间隔较多，一般采用此种接线的原则为：
1）当设备连接的进出线总数为12～16回时，在一组母线上设置分断路器；
2）当设备连接的进出线总数为17回及以上时，在两组母线上设置分段断器。
5.给出你所查阅到的最简单的接线形式，并阐述其特点。
单母线接线（single-busconfiguration）是由线路、变压器回路和一组（汇流）母线所组成的电气主接线。
连接特点：
单母线接线的每一回路都通过一台断路器和一组母线隔离开关接到这组母线。
特点优势：
这种接线方式的优点是简单清晰，设备较少，操作方便和占地少。
但因为所有线路和变压器回路都接在一组母线上，所以当母线或母线隔离开关进行检修或发生故障,或线路、变压器继电保护装置动作而断路器拒绝动作时，都会使整个配电装置停止运行，运行可靠性和灵活性不高，仅适用于线路数量较少、母线短的牵引变电所和铁路变、配电所。
11.请以你自己家庭的用电电路为例，解释厂用电设计的基本思路和方法。
全厂总降压变电所及配电系统设计，是根据各个车间的负荷数量和性质，生产工艺对负荷的要求，以及负荷布局，结合国家供电情况。
解决对各部门的安全可靠，经济的分配电能问题。
其基本内容有以下几方面。
1、负荷计算
全厂总降压变电所的负荷计算，是在车间负荷计算的基础上进行的。
考虑车间变电所变压器的功率损耗，从而求出全厂总降压变电所高压侧计算负荷及总功率因数。
列出负荷计算表、表达计算成果。
2、工厂总降压变电所的位置和主变压器的台数及容量选择 参考电源进线方向，综合考虑设置总降压变电所的有关因素，结合全厂计算负荷以及扩建和备用的需要，确定变压器的台数和容量。
3、工厂总降压变电所主结线设计 根据变电所配电回路数，负荷要求的可靠性级别和计算负荷数综合主变压器台数，确定变电所高、低接线方式。
对它的基本要求，即要安全可靠有要灵活经济，安装容易维修方便。
4、厂区高压配电系统设计 根据厂内负荷情况，从技术和经济合理性确定厂区配电电压。
参考负荷布局及总降压变电所位置，比较几种可行的高压配电网布置放案，计算出导线截面及电压损失，由不同放案的可靠性，电压损失，基建投资，年运行费用，有色金属消耗量等综合技术经济条件列表比值，择优选用。
按选定配电系统作线路结构与敷设方式设计。
用厂区高压线路平面布置图，敷设要求和架空线路杆位明细表以及工程预算书表达设计成果。
5、工厂供、配电系统短路电流计算
工厂用电，通常为国家电网的末端负荷，其容量运行小于电网容量，皆可按无限容量系统供电进行短路计算。
由系统不同运行方式下的短 路参数，求出不同运行方式下各点的三相及两相短路电流。
6、改善功率因数装置设计
按负荷计算求出总降压变电所的功率因数，通过查表或计算求出达到供电部门要求数值所需补偿的无功率。
由手册或厂品样本选用所需 移相 电容器的规格和数量，并选用合适的电容器柜或放电装置。
如工厂有大型同步电动机还可以采用控制电机励磁电流方式提供无功功率，改善功率因数。
7、变电所高、低压侧设备选择
参照短路电流计算数据和各回路计算负荷以及对应的额定值，选择变电所高、低压侧电器设备，如隔离开关、断路器、母线、电缆、绝缘子、避雷器、互感器、开关柜等设备。
并根据需要进行热稳定和力稳定检验。
用总降压变电所主结线图，设备材料表和投资概算表达设计成果。
8、继电保护及二次结线设计
为了监视，控制和保证安全可靠运行，变压器、高压配电线路移相电容器、高压电动机、母线分段断路器及联络线断路器，皆需要设置相应的控制、信号、检测和继电器保护装置。
并对保护装置做出整定计算和检验其灵敏系数。
设计包括继电器保护装置、监视及测量仪表，控制和信号装置，操作电源和控制电缆组成的变电所二次结线系统，用二次回路原理接线图或二次回路展开图以及元件材料表达设计成果。
35kv及以上系统尚需给出二次回路的保护屏和控制屏屏面布置图。
9、变电所防雷装置设计
参考本地区气象地质材料，设计防雷装置。
进行防直击的避雷针保护范围计算，避免产生反击现象的空间距离计算，按避雷器的基本参数选择防雷电冲击波的避雷器的规格型号，并确定其接线部位。
进行避雷灭弧电压，频放电电压和最大允许安装距离检验以及冲击接地 电阻计算。
10、总降压变电所变、配电装置总体布置设计综合前述设计计算结果，参照国家有关规程规定，进行内外的变、配电装置的总体布置和施工设计。
13.请给出叙述当前电网运行中使用的断路器的主要类型，结合你所查阅的具体断路器实例及参数分析其特点和适用范围。
六氟化硫断路器
六氟化硫断路器是利用六氟化硫（SF6）气体作为灭弧介质和绝缘介质的一种断路器。
简称SF6断路器。
六氟化硫用作断路器中灭弧介质始于20世纪50年代初。
由于这种气体的优异特性，使这种断路器单断口在电压和电流参数方面大大高于压缩空气断路器和少油断路器，并且不需要高的气压和相当多的串联断口数。
在60～70年代，SF6断路器已广泛用于超高压大容量电力系统中。
80年代初已研制成功363千伏单断口、550千伏双断口和额定开断电流达80、100千安的SF6断路器。
特点：
阻塞效应：
充分发挥气流的吹弧效果，灭弧室体积小、结构简单、开断电流大、燃弧时间短，开断电容或电感电流无重燃或无复燃，过电压低。
电气寿命长：
50kA满容量连续开断可达19次，累计开断电流可达4200kA，检修周期长，适于频繁操作。
绝缘水平高：
六氟化硫气体在0.3MPa气压时，通过了各种绝缘试验并有较大裕度。
累计开断电流3000kA以后，在0.3MPa气压下每个断口还可耐受工频电压250kV达1min，将六氟化硫气体减至零表压仍可耐受工频电压166.4kV5min。
密封性能好：
六氟化硫气体含水量低；灭弧室、电阻和支柱分成独立气隔，现场安装时不用打开，安装好后用自动接头连通；安装检修方便，并可防止脏物和水分进入断路器内部。
自我保护和监视系统完备：
液压机构内的信号缸可实现对断路器的自我保护：
有密度继电器监视六氟化硫气体泄漏；有压力开关和安全阀监视液压机构压力，保护液压系统安全。
液压机构采用了可防止"失压慢分"的阀系统，本体上就可进行机构闭锁，保证运行安全。
控制回路中采用了两套分闸电磁铁和防跳保护，保证操作准确无误。
真空断路器
“真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。
真空断路器是3～10kV，50Hz三相交流系统中的户内配电装置，可供工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用，特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所，断路器可配置在中置柜、双层柜、固定柜中作为控制和保护高压电气设备用。
特点：
①触头开距小，10KV真空断路器的触头开距只有10mm左右，操作机构的操作功就小，机械部分行程小，其机械寿命就长。
②燃弧时间短，且与开关电流大小无关，一般只有半周波。
③熄弧后触头间隙介质恢复速度快，对开断近区故障性能较好。
④由于疏通在开断电流时磨损量较小，所以触头的电气寿命长，满容量开断达30-50次，额定电流开断达5000次以上，噪音小适于频繁操作。
⑤体积小、重量轻。
⑥适用于开断容性负荷电流。
由于其优点很多，所以广泛应用于变电站中，目前型号主要有：
ZN12-10型、ZN28A-10型、ZN65A-12型、ZN12A-12型、VS1型、ZN30型等。
油断路器
以密封的绝缘油作为开断故障的灭弧介质的一种开关设备，有多油断路器和少油断路器两种形式；它较早应用于电力系统中，技术已经十分成熟，价格比较便宜，广泛应用于各个电压等级的电网中，油断路器用来切断和接通电源，并在短路时能迅速可靠地切断电流的一种高压开关设备。
当油断路器开断电路时，只要电路中的电流超过0.1A，电压超过几十伏，在断路器的动触头和静触头之间就会出现电弧，而且电流可以通过电弧继续流通，只有当触头之间分开足够的距离时，电弧熄灭后电路才断开。
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