风电场电气工程第1章风电场和电气部分的基本概念PPT课件

风电场电气系统风电场电气系统风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念本课程主要内容本课程主要内容 本课程本课程第第1章章介绍风电场与电气部分的基本概念和表示方法，介绍风电场与电气部分的基本概念和表示方法，使大家了解使大家了解风电场电气部分的含义风电场电气部分的含义。第第2章章介绍风电场电气部分的特点和基本构成，在介绍电气主介绍风电场电气部分的特点和基本构成，在介绍电气主接线的基本概念和设计原则的基础上，列举电气主接线的常见接线的基本概念和设计原则的基础上，列举电气主接线的常见形式，并重点说明风电场电气主接线的基本形式，使大家了解形式，并重点说明风电场电气主接线的基本形式，使大家了解风电场电气部分的整体布局和组成部分风电场电气部分的整体布局和组成部分，掌握，掌握风电场电气接线风电场电气接线设计的基本思想和依据设计的基本思想和依据。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念本课程主要内容本课程主要内容 第第3章章详细介绍风电场中的各主要一次电气设备的结构和工作详细介绍风电场中的各主要一次电气设备的结构和工作原理，包括风电机组、变压器、断路器和隔离开关、母线和输原理，包括风电机组、变压器、断路器和隔离开关、母线和输电线路、电抗器和电容器、电压互感器和电流互感器等，以及电线路、电抗器和电容器、电压互感器和电流互感器等，以及变压器、断路器等重要一次设备的型式、参数，使大家变压器、断路器等重要一次设备的型式、参数，使大家对风电对风电场电气设备的原理、功能、结构、外观等有具体认知场电气设备的原理、功能、结构、外观等有具体认知。第第4章章介绍风电场一次电气设备选择的一般条件和技术条件，介绍风电场一次电气设备选择的一般条件和技术条件，以及热稳定校验、动稳定校验和环境校验方法，使大家了解和以及热稳定校验、动稳定校验和环境校验方法，使大家了解和掌握掌握电气设备的型式、参数与其在风电场中运行环境的关系电气设备的型式、参数与其在风电场中运行环境的关系，并且并且能对风电一次设备的选择进行初步分析和简单计算能对风电一次设备的选择进行初步分析和简单计算。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念本课程主要内容本课程主要内容 第第5章章介绍电气二次部分的含义和功能，以及电气二次系统的介绍电气二次部分的含义和功能，以及电气二次系统的主要设备及其原理，使大家了解主要设备及其原理，使大家了解风电场和升压变电站电气二风电场和升压变电站电气二次系统的构成及电气二次系统的图形表示方法次系统的构成及电气二次系统的图形表示方法，并对，并对我国目我国目前已普遍采用的变电站综合自动化技术有一定的认知前已普遍采用的变电站综合自动化技术有一定的认知。第第6章章介绍风电场中配电装置的概念和表示方法，描述各种常介绍风电场中配电装置的概念和表示方法，描述各种常见配电装置的结构和作用，说明配电装置的设计要求及选型见配电装置的结构和作用，说明配电装置的设计要求及选型和布置方法，介绍风电场发电机组的排列布置和升压变电站和布置方法，介绍风电场发电机组的排列布置和升压变电站电工建筑物的布置。电工建筑物的布置。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念本课程主要内容本课程主要内容 第第7章章介绍风电场的防雷和接地问题，首先说明雷电的形成机介绍风电场的防雷和接地问题，首先说明雷电的形成机理和雷电的危害，介绍雷电防护的一般方法；然后对接地的意理和雷电的危害，介绍雷电防护的一般方法；然后对接地的意义和作用，尤其是对接触电压和跨步电压等重要概念进行具体义和作用，尤其是对接触电压和跨步电压等重要概念进行具体的说明，给出接地设计的一般要求；并全面介绍风电场发电机的说明，给出接地设计的一般要求；并全面介绍风电场发电机组、集电线路和升压站的防雷保护措施，有助于大家了解组、集电线路和升压站的防雷保护措施，有助于大家了解风电风电场电气设备安全方面的知识和解决办法，提高安全生产的意识场电气设备安全方面的知识和解决办法，提高安全生产的意识。第第8章章介绍风电场中的电力电子设备，在简述电力电子技术应介绍风电场中的电力电子设备，在简述电力电子技术应用和常见电力电子器件的基础上，阐述变流技术和用和常见电力电子器件的基础上，阐述变流技术和PWM技术技术的基本原理；重点介绍主流大型风电机组的并网换流器，包括的基本原理；重点介绍主流大型风电机组的并网换流器，包括其电路结构和基本工作原理；最后简单介绍风电场的无功补偿其电路结构和基本工作原理；最后简单介绍风电场的无功补偿与电压控制需求，以及与电压控制需求，以及SVC和和STATCOM等无功补偿设备。等无功补偿设备。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念第第1 1章章 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念 关注的问题关注的问题风电场的基本概念，电气和电气部分的概念；风电场的基本概念，电气和电气部分的概念；电气部分的一般组成有哪些？各部分的作用是什么？电气部分的一般组成有哪些？各部分的作用是什么？电气部分的图形表示法电气部分的图形表示法教学目标教学目标 了解风电场的基本概念和风电场电气部分的含义，了解风电场的基本概念和风电场电气部分的含义，初步理解和掌握电气部分的大致构成及表示方法，初步理解和掌握电气部分的大致构成及表示方法，尤其是重要电气设备及其图形符号。尤其是重要电气设备及其图形符号。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.1 风力发电概述风力发电概述 风是人类最常见的自然现象之一，风能资源的风是人类最常见的自然现象之一，风能资源的储量非常巨大储量非常巨大，一年之中风所产生的能量大约相当于一年之中风所产生的能量大约相当于2020世纪世纪9090年代初全世界每年代初全世界每年所消耗的燃料的年所消耗的燃料的30003000倍倍。十九世纪末十九世纪末，风能开始被用于发电，据称，风能开始被用于发电，据称始于丹麦始于丹麦，并且迅速，并且迅速成为其最主要的应用领域之一。成为其最主要的应用领域之一。风电技术是可再生能源技术中风电技术是可再生能源技术中最成熟最成熟的一种能源技术。的一种能源技术。风力发电由于风力发电由于环保清洁环保清洁，无废弃物排放无废弃物排放，施工周期短施工周期短，利用历利用历史悠久史悠久，受到了各国的广泛重视和大力推广。，受到了各国的广泛重视和大力推广。如今风力发电在如今风力发电在世界范围内世界范围内都获得了快速的发展，都获得了快速的发展，风力发电规风力发电规模及其在电力能源结构中的份额模及其在电力能源结构中的份额都增长很快。都增长很快。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.1 风力发电概述风力发电概述 风力发电风力发电就是利用风力机获取风能并转化为机械能，再利用发就是利用风力机获取风能并转化为机械能，再利用发电机将风力机输出的机械能转化为电能输出的生产过程。电机将风力机输出的机械能转化为电能输出的生产过程。风力机有很多种类型，用于风力发电的发电机也呈现出多样性，风力机有很多种类型，用于风力发电的发电机也呈现出多样性，但是其但是其基本能量转换过程都是一样的基本能量转换过程都是一样的，如图：，如图：用于实现该能量转换过程的成套设备称为用于实现该能量转换过程的成套设备称为风力发电机组风力发电机组。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.1 风力发电概述风力发电概述 单台风力发电机组单台风力发电机组的发电能力是有限的，目前在的发电能力是有限的，目前在内陆地区内陆地区应用应用的主流的主流“大型大型”机组的额定功率不过机组的额定功率不过1.5MW，海上风电机组海上风电机组的的平均单机容量在平均单机容量在3 MW左右左右，最大已达，最大已达6 MW。风力发电机组输出的电能经由风力发电机组输出的电能经由特定电力线路特定电力线路送给用户或接入电送给用户或接入电网。网。风力发电机组与电力用户或电网的联系是通过风力发电机组与电力用户或电网的联系是通过风电场中的电气风电场中的电气部分部分得以实现的。得以实现的。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.2 风电场的概念风电场的概念 风电场风电场是在一定的地域范围内由同一单位经营管理的所有风力是在一定的地域范围内由同一单位经营管理的所有风力发电机组及配套的输变电设备、建筑设施、运行维护人员等共发电机组及配套的输变电设备、建筑设施、运行维护人员等共同组成的集合体。同组成的集合体。选择风力资源良好的场地，根据地形条件和主风向，将多台风选择风力资源良好的场地，根据地形条件和主风向，将多台风力发电机组按照一定的规则力发电机组按照一定的规则排成阵列排成阵列，组成，组成风力发电机群风力发电机群，并，并对电能进行收集和管理，统一送入电网，是对电能进行收集和管理，统一送入电网，是建设风电场的基本建设风电场的基本思想思想。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.2 风电场的概念风电场的概念 应根据应根据风向玫瑰图和风能玫瑰图风向玫瑰图和风能玫瑰图确定风电场的主导风向，在平确定风电场的主导风向，在平坦、开阔的场址，要求坦、开阔的场址，要求主导向上主导向上机组间相隔机组间相隔59倍倍风轮直径，风轮直径，在在垂直于主导风向上垂直于主导风向上要求机组间相隔要求机组间相隔35倍倍风轮直径。风轮直径。按照这个规则，风电机组可以按照这个规则，风电机组可以单排或多排布置单排或多排布置。多排布置时应。多排布置时应成成梅花形排列梅花形排列。风电场风电场是大规模利用风能的有效方式，是大规模利用风能的有效方式，二十世纪二十世纪80年代初年代初兴起兴起于于美国加利福尼亚美国加利福尼亚。目前，风电场的分布几乎是遍布全球，风电场的数目已成千上目前，风电场的分布几乎是遍布全球，风电场的数目已成千上万，最大规模的风电场可万，最大规模的风电场可上百万千瓦级上百万千瓦级。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.2 风电场的概念风电场的概念 按照风电场的规模，风电场大致可以分为：按照风电场的规模，风电场大致可以分为：小型、中型和大型小型、中型和大型（特大型）风电场（特大型）风电场风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 电气电气的本意即为电，也就是：带电的、生产和使用电能相关的。的本意即为电，也就是：带电的、生产和使用电能相关的。对于对于电气部分电气部分可以泛泛地理解为：由所有带电设备及其附属设可以泛泛地理解为：由所有带电设备及其附属设备所组成的全部。备所组成的全部。1.3.1 电气的基本概念电气的基本概念 风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 1.3.1 电气的基本概念电气的基本概念 发电厂中的发电机发电厂中的发电机是一般意义上的电源，它将其他能源转化为是一般意义上的电源，它将其他能源转化为电能，如：煤炭、石油、水能、风能、太阳能、地热、潮汐等。电能，如：煤炭、石油、水能、风能、太阳能、地热、潮汐等。电能无法由自然界直接获取，是一种电能无法由自然界直接获取，是一种二次能源二次能源，那些存在于自，那些存在于自然界可以直接利用的能源被称为然界可以直接利用的能源被称为一次能源一次能源。发电厂中发电机生产的电能一般需要发电厂中发电机生产的电能一般需要经过变压器升高电压经过变压器升高电压后送后送入其所在电网中。入其所在电网中。电能由电网输送到用户所在地，经电能由电网输送到用户所在地，经降压降压后分配给最终的用户。后分配给最终的用户。在电能生产到消费之间需要由电能可以传导的路径，由于一定在电能生产到消费之间需要由电能可以传导的路径，由于一定区域内发电厂和用户的分布非常复杂，因此这一路径自然形成区域内发电厂和用户的分布非常复杂，因此这一路径自然形成了了网状结构网状结构，即所谓的，即所谓的电网电网，电能由发电厂生产出来以后在电，电能由发电厂生产出来以后在电网中根据其结构网中根据其结构按照物理规律自然分配按照物理规律自然分配。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 1.3.2 电气部分的一般组成电气部分的一般组成 包括风电场在内的各类发电厂站、实现电压等级变换和能量输包括风电场在内的各类发电厂站、实现电压等级变换和能量输送的电网、消耗电能的各类设备（用户或负荷）共同构成了送的电网、消耗电能的各类设备（用户或负荷）共同构成了电电力系统力系统，即用于，即用于生产、传输、变换、分配和消耗电能生产、传输、变换、分配和消耗电能的系统。的系统。电力系统各个环节的带电部分统称为其各自的电力系统各个环节的带电部分统称为其各自的电气部分电气部分。发电厂和变电站发电厂和变电站是整个电力系统的基本生产单位。电气部分不是整个电力系统的基本生产单位。电气部分不仅仅包括电能生产、变换的部分仅仅包括电能生产、变换的部分,还包括其还包括其自身消耗电能的部自身消耗电能的部分分。以上。以上用于能量生产、变换、分配、传输和消耗的部分称为用于能量生产、变换、分配、传输和消耗的部分称为电气一次部分电气一次部分。为了实现对厂站内设备的监测与控制，电气部分还包括所谓的为了实现对厂站内设备的监测与控制，电气部分还包括所谓的二次部分二次部分，即用于对本厂站内一次部分进行测量、监视、控制即用于对本厂站内一次部分进行测量、监视、控制和保护的部分。和保护的部分。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念升压站20kV220kV降压变电站110kV变电站110kV电缆杆上变压器至其它路灯用配电站10kV路灯牵引变电站高速列车27.5kV380/220V开闭所10kV10kV10kV居民小区箱式变电所箱式变电所批发市场化工厂电缆10kV10kV配电箱380/220V380/220V电灯电动机风机泵 空压机380/220V发电厂110kV380/220V电动葫芦电焊机加热器变电站110kV风电场10kV10kV10kV开闭所箱式变电所某商场学校10kV常见负荷类型常见负荷类型开闭所10kV10kV380/220V10kV高压开关柜变压器低压开关柜箱式变电所内部示意箱式变电所内部示意图图应急照明水泵房电梯某商场用电示意图某商场用电示意图1层配电柜101室配电箱子.125室配电箱子.至其它配电站10kV10kV 图为发电、输电、变电、供图为发电、输电、变电、供配电及用电的简单示意配电及用电的简单示意一次部分最为重要的是一次部分最为重要的是发电机、变压器、电动机发电机、变压器、电动机等实现电能生产和变换的等实现电能生产和变换的设备，设备，发电机发电机用于用于电能生产电能生产、变压器变压器用于用于电能变换电能变换、电动机和其他用电设备电动机和其他用电设备用于用于电能的消耗电能的消耗、母线母线用于用于电能的汇集和电能的汇集和分配分配、线路线路则用于则用于能量的输送能量的输送。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 1.3.2 电气部分的一般组成电气部分的一般组成 为了保证我们可以任意地控制发电机、电动机、变压器、线路为了保证我们可以任意地控制发电机、电动机、变压器、线路等设备的等设备的投入和退出（带电投入和退出（带电/不带电）不带电），需要有相关的开关，需要有相关的开关，这就是这就是断路器断路器。在分合电路的断路器旁边常常伴有用于检修时起在分合电路的断路器旁边常常伴有用于检修时起电气隔离作用电气隔离作用的的隔离开关隔离开关。除了断路器和隔离开关外，常见的开关电器还有除了断路器和隔离开关外，常见的开关电器还有熔断器和接触熔断器和接触器器。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 1.3.2 电气部分的一般组成电气部分的一般组成 在电力系统中，为了保证人员和设备的运行安全以及电力系在电力系统中，为了保证人员和设备的运行安全以及电力系统本身中性点接地的要求，还需要有统本身中性点接地的要求，还需要有相应的接地装置相应的接地装置。在发电厂和变电站中常在发电厂和变电站中常采用埋于地下的人工接地体构成接地采用埋于地下的人工接地体构成接地网网。接地网要求可以基本覆盖厂站内电气设备的全部，以保。接地网要求可以基本覆盖厂站内电气设备的全部，以保证设备的可靠接地。证设备的可靠接地。此外，为应对电力系统中可能的故障或异常，在电气设备中此外，为应对电力系统中可能的故障或异常，在电气设备中还需要加装一些还需要加装一些防御过电压和短路电流的装置防御过电压和短路电流的装置，包括，包括避雷器避雷器和串联电抗器和串联电抗器。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 1.3.2 电气部分的一般组成电气部分的一般组成 二次系统二次系统是传递信号的电路，通过电压互感器和电流互感器将是传递信号的电路，通过电压互感器和电流互感器将被测的一次设备和系统的被测的一次设备和系统的高电压和大电流变换为低电压和小电高电压和大电流变换为低电压和小电流流传递给测量和保护装置，测量和保护装置对所测得的电压和传递给测量和保护装置，测量和保护装置对所测得的电压和电流进行判别以监视一次设备和系统的运行状态并记录。电流进行判别以监视一次设备和系统的运行状态并记录。电压互感器和电流互感器电压互感器和电流互感器按作用来分可以认为是二次设备，但按作用来分可以认为是二次设备，但其直接并联和串联于一次电路中，实际上是其直接并联和串联于一次电路中，实际上是一次系统和二次系一次系统和二次系统的连接设备统的连接设备。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 1.3.2 电气部分的一般组成电气部分的一般组成 继电保护及自动装置继电保护及自动装置可以认为是可以认为是电力系统的卫兵电力系统的卫兵。当电气设备。当电气设备发生故障时，对应的继电保护装置会根据采集到的电流和电压发生故障时，对应的继电保护装置会根据采集到的电流和电压进行分析，判定发生故障后便进行分析，判定发生故障后便动作触发与故障设备相连的断路动作触发与故障设备相连的断路器器。重合闸及备用电源自投装置重合闸及备用电源自投装置是电力系统中常见的自动装置，它是电力系统中常见的自动装置，它用故障后用故障后断路器的合闸断路器的合闸来缩小故障对于系统的影响。来缩小故障对于系统的影响。常见的控制电器有常见的控制电器有断路器的控制开关断路器的控制开关。装设于变电站主控制实内的装设于变电站主控制实内的控制屏控制屏，常常见于常规控制变电站。，常常见于常规控制变电站。控制屏上装设有控制屏上装设有用于监视的表计用于监视的表计（电流表、电压表、有功功率（电流表、电压表、有功功率表、无功功率表）；表、无功功率表）；用于灯光告警的光子牌用于灯光告警的光子牌、用于操作断路器用于操作断路器的控制开关的控制开关和和指示断路器位置的红绿指示灯指示断路器位置的红绿指示灯。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.3 电气和电气部分电气和电气部分 1.3.2 电气部分的一般组成电气部分的一般组成 上述设备运行的时候需要上述设备运行的时候需要消耗电能消耗电能，是作为耗电设备存在的，是作为耗电设备存在的，因此还需要装设相应的因此还需要装设相应的直流电源设备直流电源设备。采用直流的好处是可以采用直流的好处是可以利用蓄电池进行电能存储利用蓄电池进行电能存储。在发电厂和变电站内二次设备由在发电厂和变电站内二次设备由控制电缆控制电缆连接构成了连接构成了功能不功能不同的二次回路同的二次回路。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念1.4 电气部分的图示电气部分的图示 对于风电场等各类发电厂和变电站内电气部分的设计、施工、对于风电场等各类发电厂和变电站内电气部分的设计、施工、运行和研究等工作都需要依赖其运行和研究等工作都需要依赖其图形方法图形方法，即用图形符号结，即用图形符号结合文字符号在平面上抽象我们的具体问题，最为常见的就是合文字符号在平面上抽象我们的具体问题，最为常见的就是电气接线图电气接线图，包括，包括一次接线图和二次回路图一次接线图和二次回路图，它们以规定的，它们以规定的图形和文字符号描述了厂站内一次部分和二次部分的图形和文字符号描述了厂站内一次部分和二次部分的电路基电路基本组成和连接关系本组成和连接关系。在发电厂和变电站中，电气设备根据其在发电厂和变电站中，电气设备根据其作用和具体要求作用和具体要求按照按照一定方式由一定方式由导体导体连接形成了连接形成了传输能量（一次部分）和信号传输能量（一次部分）和信号（二次部分）的电（二次部分）的电路，这个电路就被称为路，这个电路就被称为电气接线电气接线，对这个，对这个电路的图形描述被称为电路的图形描述被称为一次接线图（又称电气主接线图）和一次接线图（又称电气主接线图）和二次回路图二次回路图。风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念 建立电气接线建立电气接线图，首先需要图，首先需要规定具体电气规定具体电气设备的图形符设备的图形符号号 主要电气设备主要电气设备的图形符号如的图形符号如表所示表所示风电场电气系统风电场电气系统 风电场和电气部分的基本概念风电场和电气部分的基本概念