《风电设备基本结构知识》由会员分享,可在线阅读,更多相关《风电设备基本结构知识(18页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、一、风电场的组成及基本原理 1二、风电集电线路 8三、风电场选址 12四、风速仪 14五、风能资源参数的计算 16一、风电场的组成及基本原理风电场是指将风能捕获、转换成电能并通过输电线路送入电网的 场 所,由四部分构成:1、风力发电机组 风力发电机是风电场的发电装置,其工作原理是风轮把风作用 在桨 叶上的力转化为自身的转速和扭矩,通过主轴一一增速箱一一联 轴器一一 高速轴把扭矩和转速传递到发电机,实现风能一机械能一电 能的转换。风力发电机由传动系统、偏航系统、刹车系统、支承系统、冷却润滑 系统、电控系统等六个系统组成。1.1 传动系统传动系统由桨叶、轮毂、主轴、轴承、轴承座、胀套、齿轮箱、联轴
2、 器、发电机组成。传动系统主要作用有三个:1、把风能转化成 旋转机械 能;2、传递扭矩,并增速达到发电机的同步转速;3、将旋 转机械能转化 成电能。1.2 偏航系统 偏航系统的作用是与控制系统相互配合,使机组风轮始终处于迎 风 状态,充分利用风能,提高机组的发电效率。提供必要的锁紧力矩, 以保 障风机的安全运行。回转支承内圈13刹车系统刹车系统能使风力发电机组在发生故障或紧急情况下,能快速、 平 稳的制动停机。在运行情况下使机组保持稳定,不被侧风或绕流影 响。 刹车机构由三部分组成:叶片刹车(小叶片或变桨)、风轮刹车 (低 速、高速制动装置)、偏航刹车(盘式制动器)1.4 支承系统支承系统包括
3、塔架和基础两部分。塔架作用是支承风力发电机组的机械部件,承受各部件作用在塔架上的荷载。基础作用是安装、支承风力发电机组,平衡运行过程中产生的各 种载荷。1.5 冷却润滑系统冷却润滑系统主要是对齿轮箱各轴承、各齿面提供足够的润滑及 对 齿轮箱进行冷却散热。1.6 电控系统电控系统是现代风力发电机的神经中枢。它承担着风机监控、自 动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务, 它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统(变频器) 几部分组成。2、道路包括风力发电机旁的检修通道、变电站站内站外道路、 风场 内道路及风场进出通道。3、变电站:风电场的运行监控中心及电能配送中心。
4、4、场内一次设备有:变压器、断路器(开关柜)、母线、隔离 开关、 互感器(电流和电压)、避雷器、场用变、接地电阻柜和无功 补偿装置。(1)变压器:起变换电压的作用,可以升高电压以利于功率的 传输、 降低线损。可以降低电压满足不同用户的需求。其组成部分有: 铁芯、绕 组、绝缘套管、油箱、储油柜,呼吸器、防爆管、散热器、 分接开关、气 体继电器以及温度计等。风机箱式变压器的作用就是将风机发出的 690V 电能经过升压变 为IOkV或35kV,通过埋地电缆或架空线输送到风电场升压站。综合风电系统的特点,可以总结出风电专用变压器的技术要求:一)变压器空载时间长。风力发电一般具有明显的季节性,变压 器的
5、 年负载率平均只有 30%左右。因此,要求变压器的空载损耗应尽 量低;二)过载时间少。由于变压器容量一般都比风力发电机容量大, 而由 于风机采用微机技术,实现了风机自诊断功能,安全保护措施非 常完善, 在风机过载时会自动采取限速措施或停止运行,基本上不会 造成变压器过 载运行。因此变压器的寿命比普通配电变压器应长;三)运行环境恶劣。在我国,风力资源丰富的地区一般集中在沿 海、 东北、西北地区,变压器运行在野外。因此就要考虑设备的耐候 性问题。 在沿海地区的设备就应考虑防盐雾、霉菌、湿热;在东北、 西北地区就要 考虑低温严寒、风沙等的影响。四)组合式变压器高压侧必须配置避雷器,以便与风机的过电压
6、 保护 装置组成过电压吸收回路。在变压器的绝缘设计上应充分考虑避 雷器残压 对变压器的影响。另外,风电用组合式变压器的箱体基本上 按照标准组合 式变压器的结构型式制造,除需具有足够的机械强度,外形力求美观等外, 还应具有抗暴晒,不易导热,抗风化腐蚀及抗机 械冲击等特点。箱体需采 用片式散热器,外加防护罩的结构。此外, 外壳油漆需喷涂均匀,防护等 级高,抗暴晒,抗腐蚀,抗风沙,并有 牢固的附着力;组合式变压器内部 电气设备的装设位置也应易于观 察、操作及安全地更换;高压配电装置小 室应保证可靠安全,以防误 操作。(2) 断路器:切断和闭合高压电路的空载和负荷电流,而且当 系统发生故障时,它和继电
7、保护及自动化装置相配合,迅速切断故障 电流,以减 少停电范围,防止事故扩大,保证系统的安全运行。高压 断路器的主要结 构分为:导流部分、灭弧部分、绝缘部分、操动机构 部分。(3) 母线:载流设备,是电流的通道,承载负荷、空载电流。(4) 隔离开关的用途:设备检修时提供明显断开点,使检修设 备与带 电设备隔离,同时与断路器配合改变运行方式。隔离开关一般 由绝缘支架、 操作机构、连锁机构、动静触头、刀口等组成。(5) 互感器:将大电流变换为小电流,将高电压变换为低电压, 供给 继电保护及仪表所需,同时将高压系统与二次相隔离保证人员、 设备的安 全,同时使仪表、继电器的制造标准化、简单化,以利于生
8、产。互感器由 一、二次绕组、铁芯、绝缘支撑物组成。(6) 避雷器:用于防止雷电进行波沿线路侵入变电站或其他建 筑物 危害电气设备绝缘的一种防雷装置,防止雷电及内部过电压。其 中阀型避 雷器由套管、火花间隙、并联电阻、阀型电阻、上下法兰以 及压缩弹簧及 其附件组成。氧化锌避雷器由套管、氧化锌电阻、上下 法兰以及压缩弹簧 及其附件组成。(7) 场用变:构成与变压器相同,供给站内正常生活和生产用 电。(8) 无功补偿装置:主要用来补偿电网中频繁波动的无功功率, 抑制 电网闪变和谐波,提高电网的功率因数,改善高压配电网的供电质量和使用效率,进而降低网络损耗。风电场的无功电源包括风力发电机组和风电场的无
9、功补偿装置。 目 前,风电场主要采用双馈型和永磁直驱型风电机组,绝大多数风电 场的风 电机组功率因数设定为 1,虽然提出了风电场的机组必须采用 恒压或恒功 率因数控制方式,从而释放机组的无功容量的要求,但预 计机组难以满足 无功控制的要求。由于风电机组无功出力自动调整能 力不足,且风电有功 出力预测预报精度不高,电压波动幅度及时刻也 难以准确预测,因此,固 定无功补偿装置已不能满足风电场的运行要 求,必须采用使用静止型动态 无功补偿装置(SVC、SVG)调节风电场的无功。6、场内二次设备有:(1) 继电保护装置:风力发电机、变压器、母线、电抗器、电容器、 线路(含电缆)、断路器等设备的继电保护
10、装置等。(2) 系统安全自动装置:风电智能运行控制系统、备用设备及 备用电 源自动投入装置、故障录波器及其他保证系统稳定的自动装置 等。(3) 控制屏、信号屏与继电保护有关的继电器和元件。(4) 连接保护装置的二次回路(含保护有直流系统)。(5) 继电保护专用的通道设备。二、风电集电线路风电场集电线路是连接风电机组、变电所与电力网的一个传送电能的系统。按传输媒介分为架空线路和电缆线路。风电场集电线路普通情况多为混合方式,即风力发电机与升压箱 变 之间、升压箱变与输电主干线之间选用电缆方式,输电主干线多以 架空线 方式为主。但若风电场处于海滨等环境保护、旅游区域时,不 允许采用架 空线方式,则只
11、能采用全线电缆方式。集电线路的环接方式也分为二种:一种是利用升压箱变高压侧的 铜 板母线进行环接;另一一种是采用“ T ”接方式,每台风机均用 “ T ” 接接头接人主线路。从目前看来,环接方式更加可靠,而“T 接方式则 使接线更加简化。3 种连接方式中,电缆方式造价最高,混合方.式其次,架空线方 式 造价最低。1、集电线路的架空线路由于架空线路具有线路结构简单,施工周期短,建设费用低,输 送容 量大,维护检修方便,所以广泛应用。在平地和丘陵等便于运输和施工的地区,宜因地制宜采用拉线杆 塔 和钢筋混凝土杆。在走廊清理费用比较高及走廊较为狭窄的地带, 宜采用 导线三角形排列的杆塔,对非重冰区还宜
12、结合远景规划采用双 同路或多回 路杆塔;在重冰区地带宜采用单回路导线水平排列的杆 塔;在城市或城郊 可采用钢管杆塔。架空输电线路是由绝缘子将导线架设在杆塔上,并与风电场或变 电 站互相连接,构成电力系统或电力网,用以输送电能。风电场集电 线路绝 大多数采用 35kV 的电压等级。2、集电线路的线缆敷设(1) 电缆深槽敷设方式电缆沟埋深大于冻土层厚度,使电缆沟位于冻土层下。电缆沟采 用预 制素混凝土结构。若该风场所属地区为季节性冻土地带。季节性冻土在自然冻结过 程 中产生冻胀,若电缆沟位于冻土层内的话,会在自然冻结过程中由 于土层 中产生的切向冻胀力不均匀而使电缆沟上拔;而在自然融化过 程中由于
13、土 层中的冻胀力的不断消失又产生部分下陷。严重的冻胀将 给埋深在冻土层 中的电缆沟产生较大的危害。故考虑上述因素将电缆沟埋深在冻土层下,以此避免电缆沟因冻土的影响而产生电缆沟结构 的破 坏。同时将电缆沟埋设在冻土层下可以避免电缆沟受外界气候变 化、生物 及人类活动、植被生长等因素的影响。该方案需要大面积及超深开挖,开挖工程量大,施工费用大,同 时开 挖后的堆土量大,势必增加临时用地的面积。此种施工方法会增 加遭破坏 的植被面积,对该地区的植被保护不利。(2) 电缆穿管敷设方式穿管敷设即将电缆敷设在电力保护管中,此种电力保护管(以 HBB 玻 璃电缆保护管为例)具有强度高、耐腐蚀、非磁性、不变形
14、、 重量轻、施 工简便等优点。电缆浅槽敷设方式浅埋式电缆沟即将电缆沟浅埋,沟顶与地面间距离大于 700mm, 电缆 沟采用预制素混凝土结构。(4)电缆直埋敷设方式根据电力工程电缆设计规范规定,同一通路少于6根的35 kV及 以下电力电缆,在不易有经常性开挖的地段,宜用直埋。电缆外缘 至地面 的深度大于 IOOOmmoo以上 4种敷设方式中,直埋电缆敷设方式技术可行,施工方便, 投资 少,故在允许的情况下推荐采用直埋电缆敷设的方式。三、风电场选址1、宏观选址因素(1) 基本概念:在一个较大的地区内,通过对若干场址的风能 资源和 其他建设条件的分析和比较,确定风电场的建设地点、开发价 值、开发策
15、略和开发步骤的过程,是企业能否通过开发风电场获取经 济效益的关键。(2) 基本原则:1、风能资源丰富,风能质量好。2、符合国家产 业政 策和地区发展规划。3、满足接入系统要求。4、具备交通运输和 施工安装 条件。5、保证工程安全。6、满足环境保护要求。7、满足 投资回报要求。(3) 宏观选址步骤:1.参照国家风能资源分布区划,首先在风 能资源 丰富区内候选风能资源区,每个候选区应具备以下特点:有丰 富的风能资 源,在经济上有开发利用的可行性:足够的面积;具备良 好的场地形、地 貌。2.将候选风能资源区再进行筛选,以确定其中有 开发前景的场址。在 这个阶段,非气象学因素,比如交通、通信、联网、土地投资等因素对该场址的取舍起着关键的作用。3.对准备开发 建设 的场址进行具体分析。2、微观选址因素(1)基本概念:风电场微观选址即风电机组位置的选择。通过 对若干 方案的技术经济比较,确定风电场风电机组的布置方案,使风 电场获得较 好的发电量。(2)基本原则:微观选址按照以下原则设计:尽量集中布置、 尽量减 小风电机组之间尾流影响、避开障碍物的尾流影响区、满足风 电机组的运 输条件和安装条件、视觉上要尽量美观。(3) 微观选址步骤:风电机组的布置和发电量的计算,一般都 借助于WASP和WindFarnler两个软件。具体步骤如下:1、确认风电场可用土地 的界