风电电气系统节能方法

鲍信吉乐呼 王梅玲

内蒙古华电新能源分公司 内蒙古呼和浩特市010010

摘要：我国许多地区都具备风力发电资源条件，风力发电中使用的风能可再生，发电过程对环境负面影响小，符合可持续发展战略及人与自然和谐共生理念要求。有效的电气系统节能方法能降低风力发电能耗，提高风能利用经济与社会效益。

关键词：风力发电；电气系统；节能方法

随着环保问题日益突出，能源供应日益紧张，风力发电作为一种清洁可再生能源发电方式，越来越受到世界各国欢迎与重视。同时，风力发电也是新能源发电技术中最成熟、最具规模开发条件的发电方式之一。因此，风电在世界范围内的发展越来越迅速，近年来，我国风电业取得了快速发展。

一、风电概述

风电是指空气在流动时，产生出的动能，几乎是零成本，通过大自然力量即可达成的清洁能源，成为最主要清洁能源之一。其是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。其优点为：清洁，环境效益好；可再生，永不枯竭；装机规模灵活。

二、风电场电气系统在生产中的重要作用

1、发电机作用。发电机的大小取决于风能利用率，风力发电机设计应确定目标风区风速范围，确定要使用风速范围，再选定风机，根据风机输出能量确定发电机容量。由于风力大小随机变化，风力发电机无法充分利用，只能利用一定范围的风速，所使用风速上限称为切出风速，风能装置在该风速下的输出功率是风力发电机最大功率，所用风速下限被称为切入风速，这是风能装置能驱动发电机发电的最低风速，一般取发电机最大功率10%以上。风力发电机组由风轮、发电机、电能变换单元、控制系统组成。风轮通过叶片捕获风能，是吸收风能并将其转化为机械能的部件。发电机实现了机械能到电能的转换。由于异步发电机结构简单、运行可靠，目前几乎所有的风力发电都使用异步发电机。

发电机发出的电能有两种处理方式：可直接向负载供电或并入电网；可通过储能装置蓄能，然后从储能装置输出的直流电经电能变换单元转换为交流电，供给负载或并网。储能设备作为中间环节，能储能，且具有电压稳定优点，使负载供电更稳定，减少了对电网的冲击。风力发电机组控制系统是一个综合控制系统，不仅监视电网、风况、机组运行参数，还控制机组的并网和脱网，以确保运行安全可靠。此外，还根据风速和风向变化优化机组控制，以提高机组运行效率及发电量。风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：确保可靠运行、获得最大能量和提供良好电力质量。因此，为实现这一目标，风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距，再到近年来采用的变速控制技术。

变速风力发电机组特点是，低于额定风速时，可跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高风能转换效率；高于额定风速时，传动系统的柔性增加，使功率输出更稳定，特别是在解决了高次谐波和功率因数等问题后，实现了高效、高质量地向电网供电目标。

2、风力发电机组控制系统的作用。风力发电机组控制技术已从定桨距恒速运行发展为基于变距技术的变速运行，基本实现了风力发电机组从能向电网供电到理想地向电网供电的最终目标。风力发电机组控制系统的功能是实现整个机组的正常操作、调节、保护。

控制系统还应具有以下功能：基于功率和风速自动行转速、功率控制；根据功率因数自动投入(或切出)相应补偿电容；在机组运行期间，检测并记录电网、风况、机组运行状况，能自行判断异常情况并采取相应保护措施，根据记录数据生成各种图表，以反映风力发电机组各性能指标；在风电场中运行的风力发电机组也应具有远程通信能力。

有各种功能的专用模块可供选择，可轻松实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象工作点，就地采集信号处理；同时，DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试，并能在机组运行中随时修改控制参数。目前，发电机组的运行通常由单片机或可编程逻辑控制器控制。MCS-80C32和8XCl96MC等各种单片机用于控制风力发电机运行，实现自动跟风、并/脱电网控制，甚至通信功能。C60P等各类PLC也被用作风力发电控制系统的主控单元，适应集群控制及单机无人值守应用要求。

三、风电电气系统节能方法

1、合理布置风机。风机布置会影响风能收集效率及电力转化收益，合理布置风机能降低电力系统运行能耗，所以技术人员需全面了解风电场建筑结构、功能分区、发电规模、区域内风能资源，并在此基础上进行布机设计及安装。所选择的风机机型应具有对电厂高度适配性，并尽量确保其在运行中能实现最大发电量。在风电场实际规划设计中，可使用WindFarm3.5.1或WAsP8.3等软件来分析场址内风能资源，选择风能资源丰富、较高点位布机，并做好不同机型配合主布置优化。一般来说，风机机组的行距、列距应确保大于风轮直径的5倍。风机安装的初步规划设计完成后，需预估发电量，并与计划发电量比较，对风电场总体布局进行后续调整优化，为风电场发电量指标的实现提供保障。

2、电力系统接入方式优化。技术人员需对输电系统中不同电压等级的输送容量、距离、电力损耗进行综合分析及计算，以此为基础优化接入电力系统方式及风电场内部变电站设计规划。风电场并网电压等级选用220KV，与内部变电站电压等级一致。变电站可配置四台主变容量为100MKA、电压242/35KV主变压器。将风力发电机接入电力系统的方法是选择各电机对应一个1600KVA升110压变压器的接线模式，使风力发电机端产生的0.69KV电压可提高到电力系统所需35KV。风电场中一定数量的发电机产生的电量集合后经35KV架空线传输到内部220KV变电站，升压后接入电力系统向用户端输送电力。

四、风电场节能电气设备选择

在选择电气设备时，要根据所选接入电力系统方式及电气主接线方案，计算短路电流，并根据短路电流选择，主要电力设备包括箱式变压器、无功补偿装置、35kV配电装置、主变压器、110/220kV高压配电装置等设备。

箱式变可分为欧式变、美式变，其中，欧式变占地面积大，成本略高，但易于维护检修。美式变占地面积小，成本低，维护检修复杂，选择时，可根据实际情况选择。在选择箱变容量时，要考虑风机过负荷发电情况，一般情况下，1500kW风力发电机选择1600kVA变压器来满足要求。

当前，风电场升压站常用的无功补偿装置有两种：SVC、SVG。其中，SVC占地面积大，但目前技术成熟，价格低。原理上，SVG性能更好，占地面积小，但目前国内技术还不成熟，只有少数公司可生产，关键部件需进口，生产周期长，价格远超同等容量SVC。在常规情况下，50MW风电场需配置容量为10Mvar无功补偿，当电网有更高要求时，应根据电网要求配置。

35kV配电装置一般采用户内固定式金属封闭开关，技术成熟。主变一般为三相双绕组油浸式有载调压变压器，变压器油型号和冷却方式应根据当地气象条件确定。在选择主变容量时，考虑到风力发电场负荷率较低情况，以及风力发电机组功率因数在1左右，可选择与风电场发电容量相等的主变压器。有载调压开关是主变重要部分，进口有载调压开关性能良好，但价格比国产高出近40%左右，实际选择时应基于性价比选择。

110/220kV高压配电装置可选用户内GIS式或用户外布置。户内GIS占地面积小，故障概率低，且价格不高，因此目前在风电场升压站中得到了广泛应用。风电场污染等级高(一般为Ⅳ级)，在选择设备时应注意过电压和绝缘配合(爬电距离为31mm/kV)。

总之，电气设备的性能、系统设计和运行条件都会影响风电系统能耗。风电场应根据自身发电规模、投资成本和发电厂建筑构造合理设计电气系统，选择合适电气设备，提高电气系统节能效果，充分发挥风电场在节能、环保等方面优势，控制电力系统运行经济成本，促进电力企业自身可持续发展。

参考文献：

[1]杨校生.风力发电技术与风电场工程[M].化学工业出版社，2016(01).