陳功

上海寰蔚電力工程有限公司 上海 200002

引言

湖南連坪風(fēng)電場(chǎng)位于郴州市境內(nèi)，海拔高度在1300-1700米之間，場(chǎng)區(qū)面積較大，機(jī)位點(diǎn)較為分散，是典型的高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)。本工程綜合考慮成本和可靠性，對(duì)升壓站位置選擇，電氣主接線(xiàn)方案確定，電氣設(shè)備選型，集電線(xiàn)路路徑選擇多方面進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，力求做出成本較低，可靠性較好，滿(mǎn)足電網(wǎng)要求的設(shè)計(jì)方案。

1 項(xiàng)目概況

連坪風(fēng)電場(chǎng)位于郴州市資興市東部與汝城縣交界的山脊上，場(chǎng)址面積約23km2。各機(jī)位點(diǎn)50m高度年平均風(fēng)速為5.39m/s，總裝機(jī)規(guī)模為100MW，項(xiàng)目年上網(wǎng)發(fā)電量為20 429萬(wàn)kW·h，年等效滿(mǎn)負(fù)荷利用小時(shí)為2 043h。共安裝29臺(tái)單機(jī)容量為2.0MW和14臺(tái)單機(jī)容量為3.0MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。2.0MW的風(fēng)機(jī)配套安裝容量為2 200kVA的箱變，3.0MW的風(fēng)機(jī)配套安裝容量為3300kVA的箱變，場(chǎng)區(qū)35kV采用地埋方案，分6回接入升壓站。

2 技術(shù)應(yīng)用

連坪風(fēng)電場(chǎng)全部機(jī)組滿(mǎn)出力運(yùn)行時(shí)，注入對(duì)側(cè)焦嶺變電站110kV母線(xiàn)諧波電流達(dá)到5.96A，超過(guò)5次諧波對(duì)應(yīng)規(guī)范要求限制的3.33A。本工程采用感應(yīng)濾波型主變，并配套建設(shè)SVG裝置和FC濾波補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)方案，成功滿(mǎn)足了諧波治理要求。

本工程少部分機(jī)位點(diǎn)為巖石區(qū)域，土壤電阻率較大，僅采用常規(guī)鍍鋅接地扁鐵難以達(dá)到機(jī)位點(diǎn)要求的小于等于4歐姆的接地電阻要求，本工程通過(guò)增設(shè)離子接地極方案使接地電阻滿(mǎn)足接地要求。

結(jié)合湖南電網(wǎng)融冰要求，110kV高壓側(cè)配備融冰開(kāi)關(guān)。風(fēng)機(jī)葉片采用電加熱涂層。

風(fēng)機(jī)為2MW和3MW兩種形式，配套箱變?nèi)萘繛?.2MVA和3.3MVA。從經(jīng)濟(jì)性和可靠性雙重考慮，2.2MVA箱變采用常規(guī)較低成本的高壓側(cè)設(shè)置熔斷器形式的美式箱變，3.3MVA箱變采用高壓側(cè)設(shè)置斷路器和隔離開(kāi)關(guān)形式的歐式箱變[1]。

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 主要電氣設(shè)備選型

按設(shè)備短路開(kāi)斷容量、額定電流、持續(xù)時(shí)間和額定短時(shí)耐受電流等參數(shù)值進(jìn)行選擇，污穢等級(jí)按Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)選擇。項(xiàng)目海拔高度為1300~1700m，在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)需按海拔高度對(duì)設(shè)備外絕緣進(jìn)行修正。

3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

風(fēng)機(jī)型號(hào)：WTG121-2000、WTG140-3000

類(lèi) 型：永磁同步發(fā)電機(jī)

額定功率：2000kW、 3000kW、

額定電壓：690V

功率因數(shù)：1(容性0.95～感性0.95內(nèi)可調(diào))

防護(hù)等級(jí)：IP54

絕緣等級(jí)：F

數(shù) 量：29臺(tái)、14臺(tái)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具備低電壓穿越能力，風(fēng)機(jī)葉片考慮冬季覆冰問(wèn)題。

3.1.2 主變壓器。本工程裝機(jī)容量100MW，選用感應(yīng)濾波型三相銅繞組油浸自冷式有載調(diào)壓電力變壓器，容量為100MVA。

名稱(chēng)：感應(yīng)濾波型三相三繞組有載調(diào)壓自冷型升壓變壓器

型號(hào)：SSZ11-100000/100000/25000

容量：100/100/25MVA

電壓比：115±8×1.25%/36.75/35

調(diào)壓方式：高壓側(cè)設(shè)有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)

接線(xiàn)組別：YN，d11，d11

阻抗電壓：10.5%、6.5%、4%

接地方式：中性點(diǎn)經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)接地

數(shù)量：1臺(tái)

3.1.3 110kV高壓設(shè)備。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，戶(hù)外AIS方案在投資上要省50萬(wàn)元，但戶(hù)外GIS方案占地面積大，設(shè)備外露部件多，易受冰凍影響；GIS設(shè)備具有占地面積小、可靠性高、檢修周期長(zhǎng)、維護(hù)工作量小、不受冰凍影響等。

本工程升壓站海拔約1460m，環(huán)境潮濕，考慮冬季覆冰影響，不適宜采用敞開(kāi)式戶(hù)外設(shè)備，綜合考慮投資成本、風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期安全運(yùn)行和發(fā)電效益，以及征地因素，本工程推薦采用全封閉電器戶(hù)外GIS方案。

3.1.4 35kV開(kāi)關(guān)柜。35kV開(kāi)關(guān)柜選用KYN-40.5型開(kāi)關(guān)柜，斷路器額定電流按1250A/2000A(主變低壓進(jìn)線(xiàn)斷路器)選擇，額定開(kāi)斷電流按31.5kA選擇。

3.1.5 接地變壓器及接地電阻選擇。本工程35kV集電電纜長(zhǎng)約85.7km，35kV集電線(xiàn)路最大電容電流約330A。根據(jù)電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)定，為防止35kV系統(tǒng)單相接地時(shí)出現(xiàn)弧光過(guò)電壓，造成電氣設(shè)備絕緣損壞，本工程中采用接地變壓器帶電阻接地的方式來(lái)抑制弧光過(guò)電壓，35kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作，切除故障線(xiàn)路。

本工程35kV母線(xiàn)裝設(shè)1臺(tái)接地變壓器，選擇干式變壓器。

型 號(hào)：DKSC-1000/35

容 量：1000kVA

連接組標(biāo)號(hào)：ZN

接地電阻柜選用成套設(shè)備，電阻絲采用優(yōu)質(zhì)材料，阻值為40Ω。

3.1.6 站用電源。升壓站站用電主要包括電氣設(shè)備電源、繼電保護(hù)系統(tǒng)、直流及通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、檢修設(shè)備以及照明、通風(fēng)、空調(diào)、辦公用電和生活用電等。

根據(jù)升壓站規(guī)模及統(tǒng)計(jì)，動(dòng)力負(fù)荷P1為74.8kW，設(shè)備負(fù)荷P2為78kW，照明負(fù)荷P3為16.1kW，變壓器容量按計(jì)算公式S=0.85P1+P2+P3可得，容量為157.7kW，考慮一定的裕度，變壓器容量選擇為200kVA。

3.1.7 無(wú)功補(bǔ)償裝置。根據(jù)接入系統(tǒng)和電能質(zhì)量報(bào)告要求，在110kV升壓變電站裝設(shè)一組降壓式SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置，其中SVG容量為±10Mvar，F(xiàn)C容量為10Mvar。

3.1.8 箱式變電站

3.1.8.1 美式變壓器。為了變壓器運(yùn)行安全可靠、安裝運(yùn)行方便和布置美觀(guān)，本工程29臺(tái)2MW風(fēng)機(jī)配對(duì)的組合式箱式變電站。

型 號(hào)：ZGS-Z.F-2200/35

數(shù) 量： 29臺(tái)

3.1.8.2 歐式變壓器。3MW風(fēng)機(jī)配對(duì)的箱式變壓器采用歐式變壓器，變壓器高壓側(cè)選用SF6絕緣斷路器柜體，低壓側(cè)配置隔離開(kāi)關(guān)柜。

3.2 接入系統(tǒng)方案比選

根據(jù)湖南送變電勘察設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司編制的《華能湖南連坪風(fēng)電場(chǎng) （12×3.0+7×2.0MW）接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)》及審查意見(jiàn)，本工程以1回110kV架空線(xiàn)路接入110kV焦嶺變電站，導(dǎo)線(xiàn)截面為L(zhǎng)GJ-300/18km+LGJ-2×400/35km[1]。

遠(yuǎn)期資興東 220kV 建成后，連坪風(fēng)電場(chǎng)接入資興東220kV變電站，導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300，線(xiàn)路長(zhǎng)度為18km。

3.3 電氣主接線(xiàn)設(shè)計(jì)

3.3.1 風(fēng)電場(chǎng)電氣接線(xiàn)。

3.3.1.1 風(fēng)機(jī)和箱變的設(shè)計(jì)。本工程風(fēng)機(jī)接線(xiàn)采用“一機(jī)一變”單元接線(xiàn)。每臺(tái)2MW風(fēng)機(jī)配套安裝一臺(tái)2200kVA的箱變。每臺(tái)3MW風(fēng)機(jī)配套安裝一臺(tái)容量為3300kVA的箱變。1kV動(dòng)力電纜分別采用6根和9根截面為3*240mm2動(dòng)力電纜并聯(lián)。中性線(xiàn)分別采用2根和3根1*240動(dòng)力電纜并聯(lián)。

3.3.1.2 升壓站110kV側(cè)接線(xiàn)。本工程裝機(jī)規(guī)模為100MW，配套建設(shè)一個(gè)110kV升壓站，主變?nèi)萘?00MVA，考慮其他風(fēng)電場(chǎng)送出接入本風(fēng)電場(chǎng)升壓站，升壓站110kV側(cè)采用單母線(xiàn)接線(xiàn)形式，本工程建設(shè)1個(gè)主變進(jìn)線(xiàn)間隔、1個(gè)出線(xiàn)間隔、1個(gè)預(yù)留一個(gè)進(jìn)線(xiàn)間隔。

3.3.1.3 升壓站35kV側(cè)接線(xiàn)。本工程35kV側(cè)為單母線(xiàn)接線(xiàn)方式。35kV集電線(xiàn)路分6回接入110kV升壓站。35kV母線(xiàn)上安裝2面無(wú)功補(bǔ)償裝置柜，1面接地變柜，6面進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜，1面主變低壓側(cè)進(jìn)線(xiàn)柜，1面站用變柜，1面PT柜，考慮兩期電價(jià)差異，安裝1面CT兼PT計(jì)量柜、1面聯(lián)絡(luò)柜、共14面開(kāi)關(guān)柜。

3.3.1.4 0.4kV站用電源接線(xiàn)。本站用電系統(tǒng)采用交直流一體化系統(tǒng)，站用電采用雙電源供電。

站用電配電系統(tǒng)采用兩段母線(xiàn)接線(xiàn)方式，電壓等級(jí)為380/220V，其中，對(duì)重要設(shè)備用電及消防用電采用雙電源供電，并在末端自動(dòng)切換。

3.4 集電線(xiàn)路方案設(shè)計(jì)

3.4.1 集電線(xiàn)路電壓等級(jí)。本工程裝機(jī)容量大、風(fēng)機(jī)數(shù)量多，且風(fēng)機(jī)之間間距較遠(yuǎn)。10kV電纜輸電線(xiàn)路的輸送容量一般為3MW～4MW，10kV線(xiàn)路的輸送距離一般為3km～4km，用10kV送電無(wú)論從容量上還是距離上都不能滿(mǎn)足要求，且10kV線(xiàn)路電壓損失及功率損耗均比35kV線(xiàn)路大，所以本工程采用35kV電壓等級(jí)。

3.4.2 集電線(xiàn)路敷設(shè)。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址范圍海拔高程在1300m～1700m，空氣較為潮濕，冬季容易覆冰。本風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路選擇主要有架空線(xiàn)、電纜兩種敷設(shè)方案，一般通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的地形、氣候環(huán)境、農(nóng)墾以及路徑等條件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選給出推薦方案。

基于銅芯電纜終端頭和中間接頭比鋁芯電纜終端頭和中間接頭可靠性更高，耐腐蝕性更強(qiáng)，電纜方案考慮采用銅芯電纜。下面對(duì)風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線(xiàn)路采取架空線(xiàn)以及銅芯電纜直埋這兩種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。

表1 35kV電纜直埋方案與35kV架空線(xiàn)路方案經(jīng)濟(jì)性比較表

從上表可以看出，35kV銅芯電纜直埋方案的投資較省，比35kV架空線(xiàn)路方案節(jié)省費(fèi)用795.9萬(wàn)元。且本風(fēng)電場(chǎng)雷電活動(dòng)較為劇烈，海拔較高，考慮冬季覆冰影響，采用直埋電纜可靠性較高，故本工程集電線(xiàn)路方案推薦采用銅芯電纜直埋的方案。

3.4.3 集電線(xiàn)路分組方式及電纜截面選擇。通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，43臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的集電線(xiàn)路共分為6回，分別接入風(fēng)電場(chǎng)升壓站，單組最大輸送功率為21000kW。

根據(jù)各條回路所帶負(fù)荷情況，工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、土壤熱阻系數(shù)、直埋并行敷設(shè)時(shí)電纜的校正系數(shù)等因素，校正系數(shù)如下：

3.4.3.1 土壤環(huán)境溫度25℃，電纜截流量校正系數(shù)K1＝1.0；

3.4.3.2 根據(jù)電纜敷設(shè)地點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)情況，土壤熱阻系數(shù)選擇為3.93m.K/W，電纜截流量校正系數(shù)K2＝0.86。

3.4.3.3 電纜并行敷設(shè)時(shí)，電纜凈距選擇為300mm，并行敷設(shè)時(shí)電纜截流量校正系數(shù)K3＝0.92。

考慮各種因數(shù)后的電纜載流量校正系數(shù)K= K1×K2×K3=0.8。

35kV電纜型號(hào)為YJV22-26/35型。根據(jù)電纜載流量校正系數(shù)，電纜截面為-3×50，-3×120，-3×185，-3×240四種。

3.5 電氣設(shè)備布置

3.5.1 箱變布置。箱變靠近風(fēng)機(jī)15m內(nèi)布置，箱變布置時(shí)，應(yīng)考慮箱變位置的運(yùn)輸，吊裝及地形等因數(shù)。

3.5.2 110kV主變及高壓配電裝置布置。110kV高壓側(cè)采用GIS戶(hù)內(nèi)設(shè)備，110kV出線(xiàn)側(cè)采用架空線(xiàn)出線(xiàn)，110kV主變緊鄰35kV配電室布置，采用銅母排連接。

設(shè)計(jì)中考慮設(shè)備運(yùn)輸、電氣和防火距離的要求。

3.5.3 35kV側(cè)設(shè)備布置。35kV開(kāi)關(guān)柜采用KYN61-40.5型開(kāi)關(guān)柜，35kV站用變壓器布置在交直流一體化室；蓄電池室、交直流一體化室、繼電保護(hù)室布置在綜合控制樓一樓，主控制室布置在綜合控制樓二樓；接地變壓器和接地電阻柜采用戶(hù)外布置。

4 運(yùn)行可靠性分析

本工程2018年并網(wǎng)至今，據(jù)業(yè)主單位反饋，各電氣設(shè)備運(yùn)行正常。感應(yīng)濾波裝置有效地抑制了諧波，未見(jiàn)電網(wǎng)出具過(guò)任何不滿(mǎn)足電網(wǎng)要求的整改通知。本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，年發(fā)電小時(shí)數(shù)達(dá)到2200小時(shí)，達(dá)到甚至超過(guò)了設(shè)計(jì)要求值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目在充分考慮了高海拔，重冰區(qū)，高海拔，機(jī)位點(diǎn)分散性大等難點(diǎn)后，分析電網(wǎng)公司對(duì)該項(xiàng)目的技術(shù)要求并現(xiàn)場(chǎng)查勘后通過(guò)對(duì)合理的設(shè)計(jì)，包括設(shè)備主接線(xiàn)方案設(shè)計(jì)，電氣設(shè)備選型，合理的集電線(xiàn)路方案比選設(shè)計(jì)，順利完成了本工程的設(shè)計(jì)工作。該設(shè)計(jì)方案兼顧了可靠性，可行性和經(jīng)濟(jì)性。為業(yè)主節(jié)省了一定的投資成本，提高了該項(xiàng)目收益率。同時(shí)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作為同行業(yè)積累了相關(guān)高海拔，重冰區(qū)，山區(qū)類(lèi)的風(fēng)電工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。