国外有少数分布式设置风机的实验,不考虑主变和汇集送出通道,将风机输出直接升压至110kV并网。这样的结果会导致风机的频繁离并网,使得风机的总发电量降低,对主电网电能品质影响大。
图1-1 国外某海上风电场升压站平台
海上风电场接线:汇流线路结构一般有3种常用方案:链形结构、单边环形结构和双边环形结构。链形是已建风电场中采用最多的一种连接方法。陆上风电场多用此设计是因为结构简单,成本不高,其基本思想是将一定数目的风力发电机(包括其附带升压变压器)连接在一条电缆之上。主要问题是每条链上的风机数目受到地理位置、电缆长度、电缆容量等参数限制。环形设计比链形需要的电缆规格更高、长度更长,因此成本较高,但因其能实现一定程度的冗余,可靠性较高。其中,单边环形结构是将链形中每串尾部的风力发电机通过电缆接回汇流母线,双边环形结构是将链形中两相邻串的尾部风力发电机相连,而造价均较高。
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图1-2 汇流线路常用结构
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风电场汇流线路选择方面,陆上风电场汇流线路方式一般采用架空线或电缆敷设这两种。海上风电场由于复杂恶劣的的自然条件等海况限制,加之风速大,风电场年利用小时数较高,检修线路对发电量造成的损失较大,在考虑建设造价、施工难度、运行成本等诸多因素后,国外海上风电场汇流线路均选用可靠性高的电缆敷设方案。
风力发电机分组多为靠风机的排布位置、结合现场施工的便捷性制定,再由微观选址结果决定。大多数情况下,要尽量使风机均匀地分部到各个汇流支路上,以免造成风场运转时由于各条支路电量和潮流不均而造成的冲击。合理的进行风机分组可以减少出线断路器台数,使风电场海底高压电缆投资尽量节省,从而优化了主接线设计。
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二、300MW海上风电场介绍及主要设备选型
1 风电场基本资料
江苏沿海地区某海上风力发电场一期位于某市的一个镇行政区内,西距其沿海经济开发区海岸线32-35公里(根据国家海洋局和国家能源局联合出台的《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》规定海上风电场原则上应在离岸距离不少于10千米、滩涂宽度超过10千米时海域水深不得少于10米的海域布局和已经上报待批的江苏省级2010年至2020年海洋功能区划要求,调整后的用海范围,较原规划向深海推进12-15公里),用海面积约60平方公里,海底地势延伸平缓,基本属于近海风电场。风电场区域水深5-25米,90米高度年平均风速约8.6米/秒,年有效风速小时数8248小时(3.5米/秒~25米/秒),年等效满负荷小时数大于2600小时。风电场海域属北亚热带和太平洋暖温带季风气候,冬冷夏热,春温多变,秋高气爽。常年平均气温14.6℃,无霜期220天,降水量1051.0毫米,日照2169.6小时。
现设计海上风电场一期总装机容量302.4MW,使用3.6MW双馈变速型风力发电机组84台,分布在大约60平方公里的近海,风电场风机汇流采用35kV海底电缆线路。根据海上风机微观选址结果,84台风电机组设计分8条汇流回路,220kV分相式复合光纤海底电缆线路总长约35公里,35kV复合光纤海缆总长度约50公里。海上风电场一期有220kV升压站一座(升压平台),设计两台容量为150000kVA的主变压器和220kV 以及35kV HGIS组合电器。电能由海上风电场升压站平台经陆上配套的变电/开关站往江苏苏北某500kV变电站220kV母线送出。由于该沿海滩涂每年以80米向海生长延伸,因此具备规模开发光伏发电的条件(区域内已经有华电尚-德光伏电站运行,以及建设中的神华国华和中节能光伏电站,且各自远景总装容量均在100MWp),故建议本课题之外的陆上变电/开关站部分设计应有100MWp的光伏通道,以减少同系统内的电站工程重复投资。另外,由于本海域风资源较大,为便于远景扩建,陆上变电/开关站为二期预留300MW开关间隔一个,可避免后续的土建工程改造。
2 电气主接线设计
电气主接线又称一次接线,它是电厂变电站(升压站),电力系统传递电能的通路,主接线是发电厂变电站电气部分的主体,其中包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离开关、互感器等主要设备,变电站的电气主接线应根据该站在电力系统中的地位、变电站的规划容量、负荷性质、线路、变压器连接元件总数、设备特点等条件确定。
海上风电场升压站实质上为终端变电站,当能满足风机启动、电能送出和继电保护要求
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时,宜采用断路器较少的分支接线。鉴于单一的海上风电场的容量较大,且配有两台主变的情况,故海上升压站宜选用单母接线方式,220kV母线避雷器和电压互感器,宜合用一组隔离开关,以减小海上平台面积。此组合方式有着接线简单清晰,设备少,投资省,运行操作简单和便于扩建的优点,适用于海上风电场的主接线设计方式。
海上升压站及陆上变电/开关站的主接线图如下:
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