蒋秀婷，马宏霞
中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海西宁 810008
摘要：风力发电通过风电场内部的功率汇集系统将风能转化而来的电能汇集从而注入电网，在不同投资预算情况下，可采用可靠性不同的汇集拓扑结构。可靠性是风电场功率汇集拓扑在规定条件下无故障地完成其功能的概率，是汇集系统完备性的最佳度量。功率汇集系统可靠性直接关系到风电场注入电网能量的多少，也与风电场的投资收益设置及电力系统的安全稳定运行密切相关。国内外已有不少学者对风电场功率汇集拓扑的投资经济性和新型的直流汇集方式开展了研究工作，但对可靠性的关注较弱。基于目前的技术水平特别是直流电力电子变换技术的局限，风电场较少采用直流汇集的方式，传统的交流汇集方式仍是现在的主流，且电缆和开关仍是制约汇集系统可靠性的主要因素。将风电汇集拓扑的内部损耗、经济性、可靠性等各项指标分别进行定量分析比较，但对可靠性的评价采用简单的串联累加模式，缺乏对冗余接线的深入研判。比较多个风电场组合的功率汇集方式（链型、辐射型和混联型）在可靠性、经济性和技术性方面的优缺点，但未以风电场内部功率汇集拓扑为重点。
关键词：大型风电场;升压站;220kV;电气主接线方式;探讨
引言
长期以来，智能变电系统迅速发展，在发展建设中不断增加投资力度，合并单元智能终端转变规划，变电站电压输出引导设计的思路。对于智能变电系统双母线接线形式220kV系统二次电压配置设备，在单一接口的设计方案中存在一定的问题，在运行和管理中需要有效的设计方案来支撑，维护电网运行的可靠性与经济性的整合。针对这样的现实状态和理论依据，需要做出相应的设计配备和改良措施。
1、风电场与常规发电厂的区别及其特殊性
1.1区别
风力发电单机的容量较小，而常规火电厂的单机容量要比风力发电单机的容量大很多。风力发电机的出口电压相对较低，需要经过变压器将电压升高到要求的电压值才能够投入使用，而常规火电厂的发电机则不需要利用变压器来提高需要的电压。风的波动性较大，需要无功补偿装置来为电压的幅值变化进行补偿，保证电压的稳定性，而常规的电厂则不需要无功补偿装置来保证电压的稳定性。
1.2特殊性
风电场具有一定的特殊性，由于其所处的地带相对较为偏僻，分布的方式相对较为分散，在主接线设计的过程中需要将多台风机接入到线路中，因此，在设计的过程中需要考虑更多集电线路与母线的连接，并考虑变电器升压的连接，以保线路的稳定性。
1.3风电场电气设计原则
风电场电气主接线的设计应当要遵循先进性原则（如：技术的先进性、设备先进性、理念的先进性等）、可持续发展性原则（如：工程长期发展规划、近期发展规划等）、节约环保原则（如：节约用地、场区环境保护、降低能耗等）。在这些原则的基础上展开主接线设计，能够在最大程度上做到节能、环保、降耗、高效。
2电气主接线选择原则
电气主接线的选择应遵循“安全可靠、运行灵活和经济合理”的基本原则。电气主接线可靠性基本要求如下。（１）发生故障或检修时，尽量减少停运的回路数和停运时间。（２）断路器或母线检修时，系统的供电不宜受影响。（３）避免全部机组停运及和系统联系中断。电气主接线应具有一定灵活性，可灵活地投入／切除机组、变压器和线路，满足在事故、检修及特殊运行方式下的系统调度要求，可方便地将断路器、母线及保护装置按计划检修。电气主接线应尽量简化，以减少设备投资，节约占地面积，降低运行成本，提高投资效益。
3国内风电场升压站
电气主接线的典型确定原则，风电场升压站的电气主接线型式主要取决于高压电气系统的接线方案，而高压电气系统的接线方案通常基于两方面的条件确定，一是送出线路方案，二是主变的设置方案。根据国家能源局的风电场工程电气设计规范要求及风电场开发建设的实践经验，风电场通常是以一级电压和1回出线送入电力系统，而主变的设置通常与规划建设分阶段开发等开发战略相关。在风电场设置单台主变情况下，电气主接线通常采用变压器-线路组接线方式直接送出，站内不设置配电母线。这样做接线及保护设计简单、故障率低、占地面积小，且后期运行维护方便，节省投资。如果风电场升压站设置2台或2台以上主变时，则通常高压电气系统采用单母线接线方案。从近年来各大发电集团实施的风电场项目来看，高压电气系统基本均采用变压器-线路组方式或单母线接线方式，甚至没有单母线分段的。简化清晰也成为了风电场电气主接线的典型执行方式。220kV双母线接线作为最常见、最经典的接线方式，存在着倒闸操作过程中断开母联开关时因PT二次回路异常并列而反充电，造成设备损坏并危及人身安全的风险，因此，研究如何调整优化双母线接线倒闸操作流程，避免大面积停电事故的发生，对保障电网的安全稳定运行具有重要意义。
4、变压器选择
4.1变压器容量
风电主变容量是否需要冗余，目前设计规范无明确要求［10］。考虑到风电设备重量限制、检修困难等原因，一般在前期测风数据及实际维修成本的基础上考虑冗余情况。本文以某风电场实际风资源测风数据、风电机组功率曲线为计算依据，复核一年内的发电量变化。根据风电场检修经验，变压器一次大修时间至少约3个月如图1所示，该风场平均风速出现的概率以类正态分布方式，其密集区4～9m/s，往两边依次递减。
图1不同风速区间中的小时数
风电场升压站设计为2台升压变压器，如果一台升压站变压器故障或维修时，另一台变压器建议考虑整个风场处于密集区9m/s风速以内的发电量，尽可能多的输出电量。如图2中风功率曲线所示，9m/s时发电量约为63%的额定容量。图2中各点详细参数如表1所示。
图2某型号4MW风机功率曲线图
考虑到变压器过载能力、场用电电量、系统损耗、风电机组可用率，同时考虑变压器容量过大会导致线缆截面增大,费用较高,因此变压器容量选择在60%左右相对较合理，400MW升压站一般选择2台240MVA变压器为宜。
表1图2各点网速功率值
4.2变压器型式
变压器型式目前有低压双分裂变压器和低压双绕组变压器两种型式，其短路电流计算模型分别如图3、图4所示。
图3双分裂变压器短路电流计算模型图
图4双绕组变压器短路电流计算模型图
由于风电机组数量较多，其提供至升压站侧35kV母线短路电流可能达到15kA以上，如再考虑系统提供的短路电流，则将会接近或超过20kA等级。根据目前国内市场情况，风机环网柜侧断路器短路水平仅能达到20kA，采用25kA将需要国外进口，其供货周期及采购费用均会大幅提高。通过ETAP软件进行稳态仿真模拟，双分裂变压器半穿越电抗为21%，分裂系数3.5;双绕组变压器电抗为14%。
两种接线方案的35kV短路计算如表2所示:
表2短路电流计算结果表
根据计算结果可知，采用低压双分裂变压器可以有效的减少35kV侧母线短路电流，因此400MW容量风电场宜采用双分裂变压器型式。
5、大型风电场汇集站建设规模及运行特点
5.1工程建设规模
主变压器:3×100MVA；220kV出线:1回；35kV汇集线:18回；动态无功装置:3×24Mvar。
5.2风能资源
年内各月风功率变化范围大，春季、冬季风功率较大，夏季风功率小。风功率日变化范围较大，白天(7～18时)风功率较低，夜间风功率较高。
5.3年发电量
风电场全年发电小时数可达8000h，全年发电利用小时数仅为2280h左右，可利用系数0.26。
5.4接入电网运行特点
按照“风电场接入电力系统技术规定”，为便于风电场的运行管理与控制，简化系统接线，风电场多采用一回线路接入电力系统。
5.5系统保护及安全自动装置配置要求
线路配置双套纵联保护及相间与接地故障后备保护，汇集升压站配置双套母线保护及故障录波装置。
5.6元件保护配置要求
主变配置双套差动保护作为主保护，配置相应后备保护，其中包括主变中性点保护。
5.7系统通信及调度自动化
风电场与系统间采用不同路由双路光纤通信式。汇集升压站配置一套分层分布式微机监控成套设备，实现远动功能。
5.8电能计量点
电能计量点设于汇集升压站220kV出线侧，配置双套0.2S级电能表及电能采集装置。
6、电气主接线方案
按照电网运行及汇集升压站运行要求及前述建设规模，参照相关设计技术规程及国网公司通用设计，经初步分析，大型风电场汇集升压站220kV电气主接线可采用以下方案。方案一:双母线(见图5);方案二:单母线(见图6);方案三:扩大单元线路变压器组(见图7)
图5方案一：双母线
图6方案二：单母线
图7方案三：扩大单元线路变压器组
7、风电场电气主接线设计要点
①风电场高压侧主接线。
在风电场高压侧，其接线方式主要有单元接线方式以及单母线接线方式两种方式，基于单个风电场电能的升压站，应当要采用单元接线方式和单母线接线方式两种形式，而基于多个风电场电能的升压站，应当要采用单母线接线方式或是单母线分段接线方式，以此来保证高压输出的稳定性。
②风电场低压侧主接线。
风电场低压侧的主接线方式通常采用单母线分段连接方式，且分段的段数应当要与主变压器的数量保持一致，以保证当主变压器检修的时候，母线段的风机能够继续输出电能。
③风电场场用电主接线。
在通常情况下，场用电系统应当要使用三相四线制的接线方式，并根据升压站的电压来选择合适的接线方式。
根据GB51096《风力发电厂设计规范》中“当风力发电厂变电站仅有一回送出线路时，备用电源宜从站外引接”的要求，升压站一般设置两台站用变压器，1回引接自升压站低压母线侧，另一回引接自附近公网侧。两台站用变压器经自动切换装置接至升压站站用电系统母线。
8、直流电源的优化设计
优化直流电源时，可以在直流电源侧和通信电气侧分别安装1套电池组。如《35~110kV变电站设计基准》(GB50059-2011)所规定，通信装置侧可以通过电池组供电，也可以通过电池转换单元供电。《电力工程直流电源系统设计技术规程》(DL/5044-2014)中规定，在低压直流系统中，需要由电池组供电，在小于48V的直流系统中，需要采用由电池组供电的电力专用DC/DC转换装置。因此，在优化后的系统中，将电气和通信视为一体，可以通过电池组供电，同时，在48V通信电源中，需要选择直流/直流设备进行供电。这样优化后，不仅可以有效地提高升压站的整体性能，还可以减少电源数量的使用。
结束语
综上所述，对单一风电场，电气主接线宜优先考虑采用线变组接线方案，分期建设时宜采用单母线接线，其他接线方式如无特殊情况风电场开发时不推荐采用；对几个项目在低压侧汇集的风电场升压汇集站，电气主接线高压侧宜采用单母线接线方案，其他接线方式如无特殊情况风电场开发时不推荐采用；对高压侧汇集的风电场汇集站，应采用更可靠的主接线方案，汇集的其他风电场如属于同一企业则宜优先考虑采用单母线接线且设备按GIS型设计，汇集的其他风电场如不属于同一企业时则应更强化这一设计理念，且必要时可考虑双母线或更为可靠的接线方案；其他由于一旦故障导致供电中断，可能会引发额外的经济损失或纠纷的项目，宜适当考虑提高接线可靠性等级，同时尽量控制投资。
参考文献
[1]和庆冬,朱瑞军,梅春.400MW升压站
电气主接线方案探讨[J].南方能源建设,2019,6(04):80-85.
[2]张轩,王海云,武家辉,萨妮耶·麦合木提.电气主接线连接方式对风电场稳定性影响研究[J].计算机仿真,2019,36(08):113-117.
[3]胥永利.风电场汇集线系统接地方式选择及继电保护配置[J].农村电气化,2019(02):66-68.
[4]张圆圆.考虑风速的风电场集电系统可靠性评估[D].南京航空航天大学,2019.
[5]刘亚楠.风电场电气主接线的探讨[J].通讯世界,2018(05):198-199.
[6]巫卿,俞雷,赵晓明.某山区风电场电气主接线设计[J].通信电源技术,2017,34(06):98-100.
[7]马杰.电铁牵引负荷对风电场运行特性影响研究[D].华北电力大学,2017.
[8]于润权.风力发电场集电线路优化改造研究及应用[J].科技资讯,2015,13(25):19-20.
[9]张升,谭玲玲.风电场几种主接线方式的对比[J].中国电业(技术版),2015(03):4-6.
[10]刘彦杰,田立山,许华君,王广泽.大型风电场升压站220kV电气主接线方式探讨[J].东北电力技术,2014,35(11):57-59+62.
[11]孙长江，沈钱兰.白岩山风电场升压站电气设备布置优化[J].城市建设理论研究（电子版），2016，27(12)：59.
[12]周春生.特变达坂城风光互补项目升压站电气主接线设计方案探讨[J].电子技术与软件工程，2015，04(7)：240-240.
[13]陈玉梅，甘乐，余勇.某风电场110kV升压站优化设计[J].河南建材，2015，16(5)：121-122.
[14]甘露，徐大坤，李晓丽.风电场升压站生活热水系统设计方案对比[J].工业建筑2016年增刊，2016，11（25）：68.
[15]史超.探析风电场升压站电气一次设备施工安装的质量控制[J].工程技术（文摘版），2016，06(8)：00026-00026