495MW风场电气方向毕业设计.docx
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495MW风场电气方向毕业设计
摘要
我国风能资源丰富,在能源极度紧缺的今天,风力发电不但是解决我国能源和电力供应短缺最现实的战略选择,也是改善和优化电力能源结构的要求。
同时,开发和使用风力发电这种清洁可再生能源,也是保护大气环境、改善生态环境的迫切需要,符合二十一世纪人与自然和谐可持续发展战略的目标要求。
本设计根据设计要求及结合工程实际需要,以现实中投产的49.5MW风电场为原型,对电气系统进行整体设计。
主要包括风电机组的选型和整体布局,箱式变电站的选型,220KV升压站的设计以及电气设备的选型,其中涵盖升压站主接线、短路电流计算、电气二次设备选型、电气二次设备配置、升压变电站整体布局、无功补偿、监控系统配置等方面。
设计完成后的风电场将会成为电力系统的一个重要的组成部分,为社会输送清洁的电能。
关键词:
风力发电机组电气设备无功补偿电力系统
Abstract
Windenergyresourcesarerichinourcountry,intoday'sextremeshortageofenergy,windpowerisnotonlytosolvetheenergyandpowersupplyshortageinChina'sstrategicchoice,istoimproveandoptimizethestructureofelectricenergyrequirements.Windpoweratthesametime,thedevelopmentanduseofthiskindofcleanandrenewableenergy,andprotecttheatmosphericenvironment,improvetheecologicalenvironmentisanurgentneedtoconformtothe21stcenturythehumanandthenatureharmoniousandsustainabledevelopmentstrategygoalsandobjectives.
Thisdesignaccordingtothedesignrequirementsandtomeettheneedsofpracticalengineering,productionof49.5MWwindfarminrealityastheprototype,theoveralldesignwascarriedoutontheelectricalsystem.Mainlyincludestheselectionofwindturbinesandtheoveralllayout,selectionofbox-typesubstation,thedesignof220KVboosterstationsandelectricalequipmentselection,whichcoversthemainboosterstationwiring,short-circuitcurrentcalculation,electricalequipmentselection,electricalequipment,step-upsubstationgenerallayout,thereactivepowercompensation,monitoringandcontrolsystemconfiguration,etc.Afterthecompletionofthedesignofwindfarmwillbecomeanimportantpartofpowersystem,conveyingcleanelectricityforthesociety.
Keywords:
WindturbineElectricalequipmentStaticvarcompensation
electricsystem
前言
本设计采用绿色能源——风能,并在设计中采用先进可行的节电、节水及节约原材料的措施,能源和资源利用合理,设计中严格贯彻了节能、环保的指导思想,技术方案和设备、材料选择、建筑结构等方面,充分考虑了节能的要求,减少了线路投资,节约了土地资源,并能够适应远景年风电场建设规模和地区电网的发展。
大规模发展风力发电,不但是解决我国能源和电力供应短缺最现实的战略选择,也是改善和优化电力能源结构的要求。
同时,开发和使用风力发电这种清洁可再生能源,也是保护大气环境、改善生态环境的迫切需要,符合二十一世纪人与自然和谐可持续发展战略的目标要求。
可见,风力发电场的建设是十分必要的,也是势在必行的。
主要包括风电机组接线、箱式变电站接线、集电线路接线、升压变电站接线,短路电流计算、电气一次设备选择、电气二次设备配置,升压变电站布置、无功补偿配置、监控系统配置等方面问题进行设计,对风电场进行整体规划,了解和掌握风电场电气系统的设计过程,巩固风电场相关专业知识,了解国家关于风电场设计与运行管理的相关规程规范,提高综合分析问题与解决问题的能力,同时为以后从事风电行业相关工作打下基础。
建设风力发电场既能够改善生态环境、又能获得较好的经济收益,同时也具有显著的社会效益,是十分必要的。
第一章绪论
1.1中国能源现状
风能是一种洁净、可再生的一次能源,风力发电是一种不消耗矿物质能源、不污染环境、建设周期短、建设规模灵活、具有良好的社会效益和经济效益的新能源项目。
随着人们对环境保护意识的增强,以及国家有关部门对风力发电工程项目在政策方面的扶持,风力发电在我国得到了迅猛发展。
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭约占商品能源消费构成的76%,已成为我国大气污染的主要来源。
大力开发太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源利用技术将成为减少环境污染的重要措施之一。
“十一五”期间我国在能源领域将实行的工作重点和主要任务是首先加快能源工业结构调整步伐,努力提高清洁能源开发生产能力。
以风力发电、太阳能热水器、光电、大型沼气工程为重点,以“设备国产化、产品标准化、产业规模化、市场规范化”为目标,加快可再生能源开发。
煤炭燃烧向大气中排放的二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、烟尘等环境污染严重威胁全省经济发展和人民生命健康。
发展可再生能源,提高风电、小水电、光伏电源等可再生能源在能源消耗中的比例是内蒙古自治区能源结构、加强环境保护的必然选择。
风能被誉为二十一世纪最有开发价值的绿色环保新能源之一。
我国是风能蓄量较丰富的地区,但是风能资源利用工作开展的较为缓慢,随着经济水平的不断提高,人类对环境的保护意识逐渐增强,人们更注重生存质量,开发绿色环保新能源成为能源产业发展方向,作为绿色环保新能源之一的风力发电场的开发建设是十分必要的。
同时风电的开发,特别是风电设备的国产化能拉动、促进本地的机械、电器、制造业、服务业及相关产业的快速发展。
通过“市场换技术”的合作方式,可以获得国外风电现代化技术,迅猛提升本省风电设备的制造水平和生产能力。
大规模发展风力发电,不但是解决我国能源和电力供应短缺最现实的战略选择,也是改善和优化电力能源结构的要求。
同时,开发和使用风力发电这种清洁可再生能源,也是保护大气环境、改善生态环境的迫切需要,符合二十一世纪人与自然和谐可持续发展战略的目标要求。
可见,风力发电场的建设是十分必要的,也是势在必行的。
1.2设计任务
本设计以现实中的华能内蒙古科右中旗高力板风电场一期(49.5MW)工程为原型,对49.5MW风电场电气系统进行设计。
主要包括风电机组接线、箱式变电站接线、集电线路接线、升压变电站接线,短路电流计算、电气一次设备选择、电气二次设备配置,升压变电站布置、无功补偿配置、监控系统配置等方面问题进行设计,对风电场进行整体规划,了解和掌握风电场电气系统的设计过程,巩固风电场相关专业知识,了解国家关于风电场设计与运行管理的相关规程规范,提高综合分析问题与解决问题的能力,同时为以后从事风电行业相关工作打下基础。
建设风力发电场既能够改善生态环境、又能获得较好的经济收益,同时也具有显著的社会效益,是十分必要的。
1.3设计的目的及意义
本风电场工程装机容量49.5MW,每年可为电网提供电量1.148亿kW·h。
与目前的燃煤火电厂相比,按消耗标准煤363.06g/kw.h计,每年可为国家节约标准煤4.167万吨;按消耗纯净水4L/kw.h计,每年可节水45.9万吨。
同时还可极大的节约建设火电厂所需要的永久征地和灰渣储存所用的土地。
与目前的火力发电厂相比,若烟尘排放量按6.2g/kWh计,SO2排放量按30g/kW·h计,NOX排放量按15g/kW·h计,CO2排放量按997g/kW·h计,灰渣排放量按119.45g/kW·h计。
则本期风电工程减少的污染物排放量:
烟尘7117.7吨/年,SO23444吨/年,NOX1722吨/年,CO211.5万吨/年,灰渣排放量1.371万吨/年。
本风电场工程的建设,不仅具有明显的环境效益和节能效益,而且随着工程的建设,该区域将出现新的人文景观,改善了区域的面貌,美化了环境,对水土保持将有积极地促进作用。
风电场的建设可以节约煤炭等一次能源及水资源,减少各类污染物的排放量,降低发电机组的运行成本,本工程的建设属清洁能源,有明显的环境效益。
因此,该项目建成后,不仅提供电力,减少污染,节约资源,有着积极的社会、环境意义,而且具有偿债能力,资本金财务内部收益率较好,项目在经济效益、社会效益和环境效益诸方面均可行。
第二章风电机组选型与布置
2.1风能资源
科尔沁右翼中旗(简称科右中旗)位于内蒙古自治区兴安盟西部,大兴安岭南端,旗南部为松嫩平原的西缘。
地处东经119°34′-122°18′,北纬44°15′-46°41′,东邻吉林省通榆县、洮南市和突泉县,南接通辽的科尔沁左翼中旗,西与通辽扎鲁特旗交界,西北与锡盟东乌珠穆沁旗、通辽的霍林郭勒市相连,北与科尔沁右翼前旗相邻。
旗人民政府驻地白音胡硕镇,东北距乌兰浩特市160公里,南距通辽市200公里。
拟建的华能内蒙古科右中旗高力板风电场一期工程位于科右中旗东南方向50km处。
科右中旗属北温带亚干旱大陆性季风气候区。
春秋风大,天气多变,夏季短促温热。
日照充足,冬季严寒漫长。
气温:
年平均北部l℃,白音胡硕以南5-6℃,7月气温最高,平均23.1℃,1月最低平均-13.7℃,极端最高气温42.5℃(2007年6月10日,白音胡硕镇)。
极端最低气温-30.9℃(1980年1月16日,白音胡硕镇)。
生长期:
年日均7.5℃的持续日数为200天左右,无霜期由北向南87-145天。
日照时数3000-3200小时,年日照百分率为71%,年日均7.1℃的气温持续日数220天。
降水量:
多年平均降水量388.3毫米,极端最高降水量586.5毫米(1969年),极端最低降水量233.4毫米。
夏季雨水集中,占全年降水量的75%,秋季占15%,春季占9.4%,冬季占0.6%。
根据科右中旗气象站多年逐月平均风速资料统计,1980年平均风速最大(4.9m/s),1900年风速最小(3.7m/s)。
风速最大月份(1月)风速为5.5m/s,最小月份(8月)为2.6m/s,差值2.9m/s。
春季和冬季风速较大,夏季风速较小,风速变化明显,具有较强的季节性变化。
风电场区域内共设了3座测风塔,通过对1#测风塔30m高度测风数据进行订正,通过风切变推算70m高度年平均风速为7.67m/s,年有效风速(3m/s~25m/s)时数为8196h,平均风能密度为472W/m2。
风电场区域的代表年50m、60m、65m、70m、80m、85m高度的风速分别为7.11m/s、7.51m/s、7.54m/s、7.67m/s、7.82m/s、7.92m/s,相应的风功率密度分别为342W/m2、443W/m2、449W/m2、472W/m2、454W/m2、472W/m2;由1#塔所计算代表年风功率密度达到3级,风资源较丰富,具有很大的开发潜力;风电场场址内地形平坦,风功率密度变化不大,65m高度50年一遇最大风速为31.00m/s,70m高度的50年一遇最大风速为31.02m/s。
科右中旗风电场所处地区属于风能资源丰富区,年平均风速4.15米/秒,多西北风,八级以上大风年均达到20天左右,4、5级以上风日年均达到280天~300天左右。
旗内有220kV主干线和一次变电所,风电场建设投产后可就近并网送电、建设风力发电场的条件十分优越。
根据科右中旗气象站1977-2006年30年逐月平均风速资料统计(表2.2历年平均风速,表2.3多年逐月平均风速),多年平均风速为4.15m/s,1980年平均风速最大(4.9m/s),1990年风速最小(3.7m/s)。
表2-1科右中旗气象站历年平均风速变化表
年份
平均风速(m/s)
年份
平均风速(m/s)
1977
4.4
1992
3.9
1978
4.2
1993
4.0
1979
4.5
1994
4.1
1980
4.9
1995
4.2
1981
4.6
1996
4.1
1982
4.1
1997
4.2
1983
4.4
1998
3.8
1984
4.2
1999
4.1
1985
4.2
2000
4.0
1986
4.1
2001
4.3
1987
4.2
2002
4.0
1988
4.7
2003
3.8
1989
4.1
2004
4.0
1990
3.7
2005
4.1
1991
3.9
2006
3.7
根据科右中旗气象站多年风向资料,多年平均风速频率分布表2-2和多年平均风向玫瑰图2-1如下。
表2-2科右中旗气象站多年平均风向频率分布表(单位:
%)
风向
N
NE
E
SE
S
SW
W
NW
C
频率
17
7
2
5
8
4
6
35
15
图2-1科右中旗气象站多年平均风向玫瑰图
从图2-1中可以看出,科右中旗气象站多年风向频率出现最多的方向为NW,相应频率为35%。
测风塔风向频率和风能密度方向分布基本一致:
测风塔代表年70m高度主导风向均为NW、NNW,其次为SSW和S,风能密度最大方向70m为NW,其中主导风向上,NW和NNW所占频率70m为14.2%、11.95%;风能方向上,NW和NNW所占频率70m为26.83%、17.14%。
风电场内测风塔代表年70m高度的风向和风能密度方向分布见图2-2。
70m代表年风向玫瑰图70m代表年风能玫瑰图
图2-2风电场70m风向、风能玫瑰图
2.2机组选型
2.2.1风电机组选型要考虑的几个因素
1、风轮输出功率控制方式
风轮输出功率控制方式分为失速调节和变桨距调节两种。
两种控制方式各有利弊,各自适应不同的运行环境和运行要求。
从目前市场情况看,采用变桨距调节方式的风电机组居多。
2、风电机组的运行方式
风电机组的运行方式分为变速运行与恒速运行。
恒速运行的风电机组的好处是控制简单,可靠性好。
缺点是由于转速基本恒定,而风速经常变化,因此风力发电机组经常工作在风能利用系数(Cp)较低的点上,风能得不到充分利用。
变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极永磁同步发电机。
变速运行方式通过控制发电机的转速,能使风力机的叶尖速比接近最佳,从而最大限度的利用风能,提高风力发电机组的运行效率。
3、发电机的类型
发电机的类型包括异步发电机、双馈感应型发电机和多极永磁同步电机。
风力发电机大多采用普通的异步发电机,正常运行中在发出有功功率的同时,需要从电力系统吸收一定的无功功率才能正常运行(机端的电容补偿只能减少从电力系统吸收无功功率的数量)。
双馈感应型风力发电机的功率因数(cosφ)可以在+0.95~-0.95之间变化,也就是说可以根据电网的需要发出或者吸收无功功率,改善当地电网的电压质量,提高电力系统的稳定水平。
采用多极永磁同步发电机的风力发电机组,其发电机是外转子型,转子位于定子的外部,电机的尺寸和外径相对较小,重量轻,易于运输。
4、风力发电机组的传动方式
风力发电机的传动方式包括齿轮传动方式与无齿轮箱直驱方式。
目前,风力发电机大多采用齿轮传动,成本较低,但是降低了风电转换效率、产生噪音,是造成机械故障的主要原因,而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。
采用无齿轮箱的直驱方式提高了电机的设计成本的同时有效地提高了系统的效率以及运行可靠性。
2.2.2单机容量和机型选择
根据科右中旗(一期49.5MW)风电场位置地形、地质特点、风资源分布情况,以及风力发电机组技术成熟、先进、可靠等要求,选择多种适合的机型,按单一机型方案进行风力发电机组的优化布置。
国内外风电场工程的经验表明,在风电场地形平坦、交通便利,风电机技术可行、价格合理的条件下,单机容量越大,越有利于充分利用风电场土地,越能充分利用风电场的风力资源,整个项目的经济性就越高。
然而,在现有的经济和技术条件下,对于一个已知的风电场,单机容量选择在某个确定的范围内,项目的经济性会相对较高。
在进行单机容量选择时,首先应确定一个适合于本项目的容量范围,然后在该范围内选择一种技术成熟、市场业绩良好并且经济性较高的机型。
根据目前国内外风电机市场的现状以及国内已建风电场的装机情况,并考虑华能科右中旗(一期49.5MW)风电场工程的风能资源、地形和交通条件,同时考虑本项目的本地化率的要求和风机安全风速、湍流强度等要求,初步选择WTG-750、WTG-850、WTG-1000、WTG-1250、WTG-1500和WTG-2000风电机组进行比选。
这6种风机的主要参数见表5.1。
以上6种机型均为3个叶片,额定功率750~2000kW,风轮直径50~80m,切入风速2.8~4m/s,切出风速20~25m/s,额定风速12.3~16m/s,安全风速50.1~70m/s,轮毂高度60~70m。
表2-3比选机型的主要参数表
产品型号
技术参数
WTG
750
WTG
850
WTG
1000
WTG
1250
WTG
1500
WTG
2000
风轮
直径(m)
50
58
56
64
77.4
80
扫风面积(m2)
1963.5
2642
2462
3217
4657
5027
转速(r/min)
21.7
14.5-30.8
25
22.1
18.3
9.0-19.0
功率调节
定浆距
变浆距
定浆距
变桨距
变浆距
变桨距
切入风速
3.5
3
4
2.8
3
4
额定风速
14
16
15
12.3
11
15
切出风速
25
21
25
23
20
25
安全风速
70
52.5
60
50.5
51.0
59.5
发电机
型式
三相异步发电机
六极异步发电机
4级感应异步发电机
双馈异步发电机
双馈异步发电机
双馈异步发电机
容量(kW)
750
850
1000
1250
1500
2000
电压(V)
690
690
690
690
690
690
功率因数
0.99
1.0
0.99-1
0.97
1.0
1.0
频率(Hz)
50
齿轮箱
传动比
1:
70.022
1:
61.74
1:
67.8
1:
52.9
1:
104.1
1:
100.5
刹车系统
主刹车系统
叶尖气动
变桨刹车
刹车夹碟
气动刹车
变桨刹车
盘式刹车
第二刹车系统
机械刹车
盘式刹车
刹车闸
盘式刹车
盘式刹车
液压机械
控制系统
控制系统
开环控制
闭环控制
闭环控制
闭环控制
闭环控制
闭环控制
塔架
形式
钢制锥筒
高度(m)
60
65
70
68
70
67
750kW机组,适合安装在地形复杂的风电场,国外这类机组已开始慢慢退出风电机市场。
国内生产这个级别风电机的有新疆金风和浙江运达。
850kW级机组,由于这类机组技术成熟,并有良好的运行业绩,适合场地条件较差和运输困难的中、小风电场,在市场上仍有一定的空间和潜力。
这个级别的风电机组在国内安装数量较多。
1000kW级以上机组,这类机组在技术上比较成熟,适合于交通运输方便、场地比较平坦的风电场,在国外风电机市场所占份额较大。
在风电技术领域,风电机的类型主要是依据其调节技术的不同而区分的,目前的风电机市场,主要有定桨距和变桨距两种,变桨距的调节技术主要有:
滑差、变桨、变速、变频以及双馈等。
定桨距风电机构造简单,调节方式简便,结构结实牢固,中小型机组采用较多,适合安装在风况复杂的风电场,但大型风电场使用定桨距风机,在小风或无风的情况下,突然发生大风,将对电网产生冲击,必须引起足够的重视;变桨距较定桨距风电机重量轻,构造复杂,可根据风速的变化调节以获得较多电量,MW级机组大多采用变桨、变速、双馈等先进技术。
2.2.3不同机型发电量计算
对风电场风电机组初步布置后,可以利用测风资料对不同种类机型进行发电量计算。
考虑风力发电机组发电量的一系列折减因素,对风电场上网电量进行计算。
其中:
风电场空气密度为1.225kg/m3,修正系数为1.000,除尾流外,其他折减暂按28.50%计算。
理论发电量统一采用1.225kg/m3的功率曲线计算。
通过计算得到下表所示的各种风机的一系列指标。
表2-4风电机组机型选择的上网电量指标表
项目
单位
WTG-750
WTG-850
WTG-1000
WTG-1250
WTG-1500
WTG-2000
单机容量
kW
750
850
1000
1250
1500
2000
台数
台
67
58
50
40
33
25
装机容量
MW
50.2
49.3
50
50
49.5
50
轮毂高度
m
60
65
70
68
70
67
风轮直径
m
50
58
56
64
77.4
80
理论发电量
亿kWh
1.419
1.724
1.407
1.579
1.708
1.513
理论等效小时数
h
2824
3497
2814
3158
3450
3026
尾流折减后
亿kWh
1.313
1.601
1.324
1.493
1.605
1.441
密度折减后
亿kWh
1.313
1.601
1.324
1.493
1.605
1.441
其他折减后
亿kWh
0.939
1.145
0.947
1.067
1.148
1.030
等效上网利用小时
h
1869
2323
1894
2134
2319
2060
从上表可以看出,WTG-1500机型的风电机组年上网电量1.148亿kW·h,等效利用小时2319h,指标最优;WTG-850机型年上网电量
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