风电场电气系统(朱永强)第1章-电气系统1

,*,*,风电场电气系统,风电场和电气部分的基本概念,风电场电气系统,朱永强,本课程主要内容,本课程,第,1,章,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,风电场电气部分的含义,。,第,2,章,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,，掌握,风电场电气接线设计的基本思想和依据,。,本课程主要内容,第,3,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，以及变压器、断路器等重要一次设备的型式、参数，使大家,对风电场电气设备的原理、功能、结构、外观等有具体认知,。,第,4,章,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,，并且,能对风电一次设备的选择进行初步分析和简单计算,。,本课程主要内容,第,5,章,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,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,，并对,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,。,第,6,章,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。,本课程主要内容,第,7,章,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,8,章,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,PWM,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,SVC,和,STATCOM,等无功补偿设备。,第,1,章 风电场和电气部分的基本概念,关注的问题,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？,电气部分的图形表示法,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，,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。,1.1,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,储量非常巨大,，一年之中风所产生的能量大约相当于,20,世纪,90,年代初全世界每年所消耗的燃料的,3000,倍,。,十九世纪末,，风能开始被用于发电，据称,始于丹麦,，并且迅速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,最成熟,的一种能源技术。,风力发电由于,环保清洁,，,无废弃物排放,，,施工周期短,，,利用历史悠久,，受到了各国的广泛重视和大力推广。,如今风力发电在,世界范围内,都获得了快速的发展，,风力发电规模及其在电力能源结构中的份额,都增长很快。,1.1,风力发电概述,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，但是其,基本能量转换过程都是一样的,，如图：,用于实现该能量转换过程的成套设备称为,风力发电机组,。,1.1,风力发电概述,单台风力发电机组,的发电能力是有限的，目前在,内陆地区,应用的主流,“,大型,”,机组的额定功率不过,1.5MW,，,海上风电机组,的平均单机容量在,3 MW,左右,，最大已达,6 MW,。,风力发电机组输出的电能经由,特定电力线路,送给用户或接入电网。,风力发电机组与电力用户或电网的联系是通过,风电场中的电气部分,得以实现的。,1.2,风电场的概念,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。,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,排成阵列,，组成,风力发电机群,，并对电能进行收集和管理，统一送入电网，是,建设风电场的基本思想,。,1.2,风电场的概念,应根据,风向玫瑰图和风能玫瑰图,确定风电场的主导风向，在平坦、开阔的场址，要求,主导向上,机组间相隔,59,倍,风轮直径，在,垂直于主导风向上,要求机组间相隔,35,倍,风轮直径。,按照这个规则，风电机组可以,单排或多排布置,。多排布置时应成,梅花形排列,。,风电场,是大规模利用风能的有效方式，,二十世纪,80,年代初,兴起于,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万，最大规模的风电场可,上百万千瓦级,。,1.2,风电场的概念,按照风电场的规模，风电场大致可以分为：,小型、中型和大型（特大型）风电场,风能资源,场地,说,明,小型,较好,较小,可建几兆瓦容量的风电场，接入,3566 kV,及以下电压等级的电网。,中型,较好,合适,可建几十兆瓦容量以下风电场，接入,110 kV,及以下电网。,大型,（特大型）,丰富,开阔,可建容量在,100600 MW,或更大的风电场，例如我国的特许权风电项目。,1.3,电气和电气部分,电气,的本意即为电，也就是：带电的、生产和使用电能相关的。,对于,电气部分,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。,1.3.1,电气的基本概念,1.3,电气和电气部分,1.3.1,电气的基本概念,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,二次能源,，那些存在于自然界可以直接利用的能源被称为,一次能源,。,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,后送入其所在电网中。,电能由电网输送到用户所在地，经,降压,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,网状结构,，即所谓的,电网,，电能由发电厂生产出来以后在电网中根据其结构,按照物理规律自然分配,。,1.3,电气和电气部分,1.3.2,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送的电网、消耗电能的各类设备（用户或负荷）共同构成了,电力系统,，即用于,生产、传输、变换、分配和消耗电能,的系统。,电力系统各个环节的带电部分统称为其各自的,电气部分,。,发电厂和变电站,是整个电力系统的基本生产单位。电气部分不仅仅包括电能生产、变换的部分,还包括其,自身消耗电能的部分,。以上,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,。,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,，,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。,升压站,20kV,220kV,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,27.5kV,380/220V,开闭所,10kV,10kV,10kV,居,民,小,区,箱式,变电所,箱式变电所,批发市场,化工厂,电缆,10kV,10kV,配电箱,380/220V,380/220V,电灯,电动机,风机,泵,空压机,380/220V,发电厂,110kV,380/220V,电动葫芦,电焊机,加热器,变电站,110kV,风电场,10kV,10kV,10kV,开闭所,箱式,变电所,某商场,学校,10kV,常见负荷类型,开闭所,10kV,10kV,380/220V,10kV,高压,开关柜,变压器,低压开关柜,箱式变电所内部示意图,应急照明,水泵房,电梯,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,10kV,10kV,图为发电、输电、变电、供配电及用电的简单示意,一次部分最为重要的是发电机、变压器、电动机等实现电能生产和变换的设备，,发电机,用于,电能生产,、,变压器,用于,电能变换,、,电动机和其他用电设备,用于,电能的消耗,、,母线,用于,电能的汇集和分配,、,线路,则用于,能量的输送,。,1.3,电气和电气部分,1.3.2,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、线路等设备的,投入和退出（带电,/,不带电）,，需要有相关的开关，这就是,断路器,。,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,的,隔离开关,。,除了断路器和隔离开关外，常见的开关电器还有,熔断器和接触器,。,1.3,电气和电气部分,1.3.2,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统本身中性点接地的要求，还需要有,相应的接地装置,。,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网,。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。,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,防御过电压和短路电流的装置,，包括,避雷器和串联电抗器,。,1.3,电气和电气部分,1.3.2,电气部分的一般组成,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,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,一次系统和二次系统的连接设备,。,1.3,电气和电气部分,1.3.2,电气部分的一般组成,继电保护及自动装置,可以认为是,电力系统的卫兵,。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器,。,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，它用故障后,断路器的合闸,来缩小故障对于系统的影响。,常见的控制电器有,断路器的控制开关,。,装设于变电站主控制实内的,控制屏,，常常见于常规控制变电站。,控制屏上装设有,用于监视的表计,（电流表、电压表、有功功率表、无功功率表）；,用于灯光告警的光子牌,、,用于操作断路器的控制开关,和,指示断路器位置的红绿指示灯,。,1.3,电气和电气部分,1.3.2,电气部分的一般组成,上述设备运行的时候需要,消耗电能,，是作为耗电设备存在的，因此还需要装设相应的,直流电源设备,。,采用直流的好处是可以,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,控制电缆,连接构成了,功能不同的二次回路,。,1.4,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、运行和研究等工作都需要依赖其,图形方法,，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,电气接线图,，包括,一次接线图和二次回路图,，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,电路基本组成和连接关系,。,在发电厂和变电站中，电气设备根据其,作用和具体要求,按照一定方式由,导体,连接形成了,传输能量（一次部分）和信号（二次部分）的电,路，这个电路就被称为,电气接线,，对这个电路的图形描述被称为,一次接线图（又称电气主接线图）和二次回路图,。,建立电气接线图，首先需要规定具体电气设备的图形符号,主要电气设备的图形符号如表所示,风电场电气系统,配套教材：,风电场电气系统，机械工业出版社