毕业论文--220kV大型变电站设计

'哈尔滨理工大学学士学位论文 哈尔滨理工大学学士学位论文220kV大型变电站设计摘要随着经济的快速发展，全国乃至全世界凸现缺电局面，如何进一步优化调度，加强电力资源的优化配置，最大限度满足电力需求成为人们探讨的问题之一。220kV变电站的设计技术已经比较成熟和常规化,设备的生产与设计达到了标准化。而且随着用电负荷的迅速增长，对供电可靠性、灵活性方面也提出了越来越高的要求，这就需要电力设计人员应结合实际情况，对电力系统网架结构、电压等级、负荷分配、接线形式等方面做出合理规划，设计出符合我国国情的供用电系统。本设计主要介绍了220kV大型变电站电气一次部分的设计内容和设计方法。设计的内容有220kV变电站的电器主接线选择，主变压器、所用变压器的选择，母线、断路器和隔离开关的选择，配置。220kV、66kV、10kV线路的选择和短路电流的计算。设计中还对主要高压电器设备进行了选择与计算。为220kV变电站的计算和选型提供了参考数据。关键词：变电站；设计；设备选型IV 哈尔滨理工大学学士学位论文AbstractDesignOf220kVLargeElectricalSubstationAsthedevelopmentofeconomy,theproblemofbeingshotofelectricityisbecomingmoreandmoreserious.It’sabigproblemhowtooptimizethedispositionofelectricresourceandmeettheelectricpowerrequirement..Thedesigntechnologyof220kVtransformersubstationhasbeenmorematureandconventional,theproductionanddesignofequipmentsachievestandardization.Withtherapidgrowthinelectricityload,powersupplyreliability,flexibilityalsoraisedhigherandhigherrequirements,whichrequirespowerdesignershouldbecombinedwiththeactualsituation,thenetworkstructureofpowersystemvoltagelevel,loaddistribution,wiringformtomakerationalplanning,anddesignfortheelectricitysysteminlinewithChina"snationalconditions.Thisdesignmainlyintroduceda220kVlargeelectricalsubstation`sfirstpartofthecontentanddesignmethods.thedesignofthe220kVelectricalsubstationmainconnection,themaintransformers,mainline,circuitbreakerandisolatingswitchselection,configuration.220kV,66kV,10kVlinechoiceandshort-circuitcurrentcalculation.Designchoiceandcalculationofthemainhigh-voltageelectricalequipment.Providereferencedataforthecalculationandselectionofthe220kVsubstation.Keywords:transformersubstation;design;equipmentsselectionIV 哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1智能变电与变电站发展前景11.2设计内容2第2章电气主接线、变压器的选择及短路计算42.1电气主接线设计原则42.2主接线方案的拟定52.2.1220kV主接线形式52.2.266kV主接线形式52.2.310kV主接线形式62.3主变压器的选择72.3.1主变压器选择原则72.3.2主变压器的选择72.4所用变压器的选择92.4.1所用变压器的选择原则92.4.2所用变压器的确定92.5短路计算要求102.3.1短路电流计算的目的102.3.2短路电流计算的一般规定112.6短路计算122.4.1220kV侧短路电流计算152.4.266kV侧短路电流计算182.4.310kV侧短路电流计算20第3章导体和电气设备及选择计算243.1母线的选择243.1.1型式243.1.2导体截面的选择243.1.3电晕电压校验243.1.4热稳定校验243.1.5硬导体的动稳定校验253.1.6导体共振校验253.1.7母线的选择25IV 哈尔滨理工大学学士学位论文3.1.8母线选择结果273.2断路器的选择283.2.1断路器的选择原则283.2.2断路器的选择计算283.3隔离开关的选择293.3.1隔离开关的选择原则293.3.2隔离开关的选择计算303.4电流互感器的选择313.4.1型式的选择313.4.2电流互感器的选择计算313.5电压互感器的选择333.5.1电压互感器选择原则333.5.2电压互感器选择结果33第4章保护设计344.1主变压器的继电保护344.1.1变压器故障及异常分析344.1.2变压器保护配置354.2母线的继电保护364.2.1母线故障情况分析364.2.2母线保护装置配置364.3变电站直击雷防护364.3.1避雷针设置原则364.3.2避雷针的配置374.4变电站感应雷防护374.4.1避雷器设置原则374.4.2避雷器的配置38结论39致谢40参考文献41附录A42附录B43IV 哈尔滨理工大学学士学位论文第1章绪论1.1智能变电与变电站发展前景在20世纪，大电网作为工程领域的最大成就之一，体现了能源工业的战略布局，是实现各种一次能源转换为电力能源之后进行相互调剂、互为补充的迅速、灵活、高效的能源流通渠道。然而，世界能源体系正面临着抉择，目前全球能源供应和消费的发展趋势从环境、经济、社会等方面来看具有很明显的不持续性。在当前世界能源短缺危机日益严重、电力系统规模的持续增长、气候环境变化加剧等因素的影响下，21世纪电力供应面临一系列新的挑战。变电站对电力的生产和分配起到了举足轻重的作用，学习和了解变电站的结构和运行对电力资源的可持续发展垫下了基础。随着经济的快速发展，我国电力需求迅速增长，由于产业结构调整和居民生活水平的提高，第三产业和居民生活用电比重上升，制冷制热负荷大幅度增加，使得电网规模不断扩大，高电压、大机组、长距离输电、电网互联的趋势，使电网结构越来越复杂。常规变电站的二次部分主要由四大类装置组成：继电保护、故障录波、就地监控和远动。在微机化以前，这些装置不仅功能不同，实现的原理和技术也完全不同，因而长期以来形成了不同的专业和相应的技术管理部门。近年来，开始采用微机型继电保护装置、微机型故障录波器、微机监控和微机远动装置。这些装置尽管功能不一样，其硬件配置却大体相同，除微机系统本身以外，无非是对各种模拟量的数据采集以及I/O回路，并且装置所采集的量和要控制的对象还有许多是共同的，因而显得设备重复，互联复杂。人们自然提出这样一个问题，是否应该从全局出发来考虑全微机化的变电站二次部分的优化设计，提高变电站的可控性，更多的采用远方集中控制、操作、反事故措施等，提高劳动生产率，减少人为误操作的可能，提高运行可靠性，这就是变电站综合自动化的来历。中国正处于经济建设高速发展时期，电力系统基础设施建设面临巨大压力；同时，地区能源分布和经济发展情况极不平衡：负荷中心在中东部地区，而能源中心则在西部和北部地区，其中蕴藏量极大地风能主要分布于东北、西北、华北以及沿海地区，太阳能资源主要分布在西藏、新疆和内蒙古等北部和西部地区。66 哈尔滨理工大学学士学位论文中国实施智能电网必须建立在中国国情之上，国家电网公司提出了智能电网必须以特高压骨干输电网为基础，建立坚强的输电系统，一边与实现能源的大范围合理配置，为电力系统更高层次的智能化提供坚实的基础。中国实施坚强智能电网规划，具有十分重要的战略意义。作为智能电网输配电环节的智能变电站是统一坚强智能电网的重要支撑和基础，在国家电网公司编制的《智能变电站技术导则》中给出了智能变电站的定义：采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级应用功能的变电站。监测是智能变电站的重要组成部分。传统变电站内电器设备紧密，线路繁杂，为保障变电站内部运行的安全，各级供电公司每年都要投入大量的人力、物力资源来维护变电站的安全运营。变电系统负担着电力变送工作，高电压大电流的线路长期工作，即使是优良的绝缘介质也会出现不可预期的问题而导致事故。检修人员需要做的检修工作包括油色谱的监测、微水密度监测、设备温度监测等。这些检修工作都需要检修人员带着检修仪器到每个站内对每个设备进行检测，这样工作量大，任务繁重，而且不能达到24h全天候的监测，安全隐患很多。随着科技的发展，在线监测与状态检修技术在电力系统生产管理中的应用越来越广泛，成为电网健康稳定运行的先进技术手段之一。智能变电站所要监测的内容包括一次设备中的断路器、变压器、互感器以及隔离刀闸，二次系统中的网络流量、二次系统连结。要实现无人值守、变电站自动运行控制和与站外系统协同互动等功能，必须对主要高压设备（变压器、断路器等）状态信息进行采集，辅助以视频监控等手段，对变电站电力系统暂态、动态、静态数据以及一次、二次设备状态数据进行可视化展示并发送到上级系统，为电网实现基于状态检测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据支撑。智能变电站将通过站内全景数据的统一信息平台，采用先进的计算机网络技术、数据库技术、有线与无线通信技术、自动控制技术、新型传感技术、视频压缩与传输技术等，可随时进行WEB浏览和数据共享，来解决传统变电站监测“孤岛”现象。将改变电力系统指控室里摆满各种计算机和服务器，如避雷器在线监测、SF6在线监测、高压接点测温监测、智能接地线管理、智能安全工具柜管理、电缆温度在线监测、环境在线监测、图像监控、门禁系统等的情况，将分散在多个部门的独立警告监控系统的报警信息整合到一个以本地网为中心的系统管理平台上来，变单一化管理为集中化，自动化管理。中国智能变电站建设虽然起步较晚，但是发展相对迅速，实现了一系列“中国引领”：核心技术创新取得突破；有效引导设备研发方向；管理规范技术标准形成系列；工程建设有序推进；66 哈尔滨理工大学学士学位论文智能技术取得实效；节约环保节资效果明显[1]。但是中国的智能电网工程技术还不够成熟尤其在东北地区发展还很缓慢。在本设计中所选用设备均符合5~10年发展规划，有助于在今后改建中实现设备的智能化升级。从而完成向智能变电站的转换。1.2设计内容一.变电站出线变电站共有三个电压等级，其中220kV侧有六回出线，中压侧有九回出线，低压侧有十二回出线。二.电力设备水平a)220kV侧为电源侧，通过主变压器对中压侧及低压侧供电。b)中压侧最大综合负荷142MW；cos=0.85；单回线最大负荷28MW，最小负荷3.5MW；最大输送距离100km，最小输送距离30km；一类负荷线路两条，两条线路总负荷42MW。c)低压侧最大综合负荷21MW；cos=0.85；单回线最大负荷2MW，最小负荷0.2MW；最大输送距离20km，最小输送距离6km；一类负荷线路一条，负荷1.7MW。三.环境条件我国东北地区，当地海拔高度200米，地势平坦，交通便利，有公路经过变电站附近，无严重污染。当地年最高温度40℃，年最低温度-30℃，雷暴日数为24日/年。四.设计内容通过对原始资料中出线回路数、负荷大小及重要程度确定出变电站主接线方案。由短路电流校验，选定电气设备，并对继电保护、过电压保护方面提出设计方案。66 哈尔滨理工大学学士学位论文第2章电气主接线、变压器的选择及短路计算电气主接线是由高压电器通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流，高电压的网络。主接线代表了发电厂或变电站电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。它直接影响运行的可靠性、灵活性并对电器选择、配电装置布置、继电保护、自动装置和控制方式的拟定都有决定性的关系。可靠性、灵活性和经济性是对电气主接线的基本要求[2]。2.1电气主接线设计原则a)电气主接线设计应与发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用相适应。b)电气主接线的可靠性应考虑以下几个方面：1)断路器检修时，能否不影响供电；2)线路、断路器或母线故障时以及母线或母线隔离开关检修时，停运出线回路数的多少和停电时间的长短，以及能否保证对Ⅰ、Ⅱ类用户的供电；3)电厂或变电站全部停电的可能性。c)电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且在系统故障或电气设备检修及故障时，也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。d)旁路母线的设置原则：1)采用分段单母线或双母线的110～220kV配电装置，当断路器不允许停电检修时，一般需设置旁路母线。当有旁路母线时，应首先采用以分段断路器或母联断路器兼作旁路断路器的接线。当220kV出线为5回及以上时，110kV出线为7回及以上时，一般装设专用旁路断路器。2)35～60kV配电装置中，如线路断路器不允许停电检修时，可设置旁路设施。3)6～10kV配电装置中，可不设旁路母线。对于出线回路数多或多数线路系向用户单独供电，以及不允许停电的单母线、分段单母线的配电装置，可设置旁路母线。采用双母线的6～10kV配电装置多不设旁路母线。e)对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽量采用断路器较少或不用断路器的接线。在110～220kV配电装置中，当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。在枢纽变电站中，当110～220kV66 哈尔滨理工大学学士学位论文出线在4回及以上时，一般采用双母线接线。f)主接线的设计应在满足可靠性和灵活性的前提下做到经济合理，即投资省、占地面积少、电能损耗少。2.2主接线方案的拟定2.2.1220kV主接线形式一般来说：110～220kV配电装置中，当出线不超过4回时，一般采用分段单母线接线。在枢纽变电站中，当110～220kV出线在4回及以上时，一般采用双母线。本所为220kV中间变电站，220kV侧有6回出线，以交换潮流为主，在电网中地位重要，为保证供电可靠性，采用双母线接线。因为220kV线路输送距离较长，功率大，一旦停电影响范围大，且断路器检修时间长，应设置旁路母线。根据旁路母线设置原则：当220kV出线为5回及以上时，需装设专用的旁路断路器。由此可得，220kV主接线形式为双母线带旁路，设专用旁路断路器。220kV侧接线图2-1。图2-1220kV侧接线2.2.266kV主接线形式35～60kV配电装置中，当出线为2回以上时，一般采用分段单母线或单母线接线，当出线回路数较多，连接的电源较多，负荷大或污秽环境中的35～60kV屋外配电装置，可采用双母线接线。本所66kV线路较多，共9回出线，地区负荷大，根据规程规定应采用双母线接线。由于66kV66 哈尔滨理工大学学士学位论文系统有两条一类负荷线路，断路器不允许停电检修，需设置旁路设施，考虑到66kV出线多，宜采用专用旁路断路器。由此，66kV主接线形式为双母线带旁路，设专用旁路断路器。66kV侧接线图2-2。：图2-266kV侧接线2.2.310kV主接线形式6～10kV配电装置中，一般采用分段单母线或单母线接线，当出线数较多时（8回以上），一般装设旁路母线和旁路断路器。由于本所有两台主变向10kV系统供电，宜采用分段单母线形式，将两台主变10kV侧分别接至两段母线。由原始资料可知，系统10kV侧有12回出线，且有一条一类负荷线路，根据设计规程规定应设旁路母线和旁路断路器。10kV侧接线如图2-3。图2-310kV侧接线220kV系统为双母线带旁路，设专用旁路断路器；66kV66 哈尔滨理工大学学士学位论文系统为双母线带旁路，设专用旁路断路器；10kV系统为单母线分段带旁路，加装分段隔离开关。2.3主变压器的选择2.3.1主变压器选择原则2.3.1.1主变压器台数为保证供电可靠性，变电站装设两台主变压器。2.3.1.2主变压器容量主变压器容量应根据发展规划进行选择，并考虑变压器正常运行和事故过负荷能力。对装设两台变压器的变电站，每台变压器额定容量一般按Sn=0.6PM计算，为变电站最大负荷。这样，当一台变压器停用时，可保证对60%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力40%，则可保证对84%负荷的供电。2.3.1.3主变压器的型式一般情况下采用三相式变压器，具有三个电压等级的变电站尽量采用三绕组变压器，但三绕组变压器每个绕组通过的容量应达到该变压器额定容量的15%及以上，否则不如选用两台双绕组变压器，当主网电压为220kV及以上，中压为110kV及以上时，多采用自耦变压器，以得到较大的经济效益。2.3.2主变压器的选择2.3.2.1主变压器各侧电压等级的确定由原始资料可见，变电站中压侧单回线最大负荷28MW，最大输送距离100km，低压侧单回线最大负荷2MW，最大输送距离20km，根据各级电压与输送容量，输送距离的关系可见，中压侧电压应取66kV，低压侧电压应取10kV。传输容量及距离如表2-1。表2-1传输容量及距离额定电压(kV)输送容量(MW)输送距离(km)100.2～2.06～20663.5～2830～1002.3.2.2主变压器容量及台数的确定66 哈尔滨理工大学学士学位论文变电站总负荷为66kV及10kV负荷之和，为保证供电可靠性，选用两台主变压器。根据主变压器容量选择公式得：所以，变压器容量应为120MVA。2.3.2.3主变压器型式的确定由于变电站有三种电压等级，应选用三绕组变压器，且通过主变压器各侧绕组的功率均达到15%Sn以上，根据原始资料可得主变各侧通过容量：若选用容量比为100/100/50的三绕组变压器，则每个绕组通过的容量与变压器额定容量之比：因为变压器三侧绕组通过的容量均大于变压器额定容量的15%，所以选用三绕组变压器是合适的。2.3.2.4变压器型号与参数综合以上条件，经过查电力工程设计手册，即可得到变压器型号与参数如表2-2：表2-2变压器参数型号SFPSZ2-120000/220额定容量比100/100/50额定电压220/69/10.5阻抗电压Uk1-2(%)=14.7，Uk1-3(%)=24.7，Uk2-3(%)=8.866 哈尔滨理工大学学士学位论文2.4所用变压器的选择2.4.1所用变压器的选择原则2.4.1.1所用变压器的台数a)枢纽变电站中一般装设两台所用变压器，其它变电站中一般只装设一台所用变压器，但变电站容量在60MVA及以上时，应装设两台所用变压器。b)变电站中装有强迫油循环变压器或调相机时，均装设两台所用变压器。c)当能从变电站外引入可靠的380V备用电源时，需要装设两台所用变压器的变电站，可只装一台所用变压器。2.4.1.2所用电源的要求对于采用交流操作的变电站及取消蓄电池而采用硅整流或复式整流装置取得直流电源的变电站，要求交流所用电源可靠、连续和电压稳定，而且在全所停电时能继续供电。因此，要求从所外引接可靠的第二电源。当引接有困难或投资很高时，则采用接于高压电源线路（断路器外侧）的所用变压器来供电，此时，以接于低压母线上的所用变压器作为所用备用电源。2.4.1.3为提高所用电可靠性，应采取下列措施a)3～10kV有旁路母线时，所用变压器与旁路断路器分别接在两段母线上，所用变压器回路也能利用旁路母线。b)3～10kV无旁路母线时，为了停母线不停所用变压器，可自3～10kV两段母线上引接所用变压器。2.4.1.4所用变压器低压侧的要求所用变压器的低压侧采用380/220V中性点直接接地的三相四线制，动力与照明合用一个电源，变电站内一般设置检修电源。2.4.2所用变压器的确定2.4.2.1所用变压器的选择本所主变容量为240MVA且为强迫油循环风冷变压器，按规程要求，应装设两台所用变压器。由于所内220kV配电装置采用交流操作电源，要求所用交流可靠、稳定，需从所外引入可靠的第二电源，因变电站66kV侧有两回电源联络线，可将一台所用变接至电源联络线出口作为正常所用工作电源，另一台所用变接至10kV66 哈尔滨理工大学学士学位论文母线作为备用电源。考虑到两台所用变变比、二次侧电压相位、阻抗电压均不同，其二次侧不能并列，因此当工作所用变故障或停运时，在切换电源过程中，将使所用负荷短时停电。2.4.2.2所用负荷统计结果主变压器冷却器130KW，充电机18KW，220kV、66kV配电装置交流电源30KW，蓄电池通风机3KW，滤油房电动机4.5KW，载波通讯交流电源6.8KW，锅炉房水泵2KW，220kV断路器加热器电源30KW，220kV、66kV屋外配电装置照明5KW，主控楼照明12KW，道路照明2KW。按所用负荷计算公式Sjs=∑(KP)，即可得出所用计算负荷，其中断路器加热器即照明用电K值取1，其余负荷K值取0.85。Sjs=∑(KP)=0.85(130+18+30+3+4.5+6.8+2)+30+5+12+2=214.2kVA2.4.2.3所用变压器型号根据以上计算结果，所用变选择型号如表2-3：表2-3所用变压器型号装设地点型号接线组别阻抗电压66kV电源联络线出口SJL-630/60Y/Yo-125.610kV母线SJL1-250/10Y/Yo-124正常运行时，全部所用负荷由接至66kV电源联络线出口的所用变供给，接至10kV母线的所用变作为备用电源。2.5短路计算要求2.3.1短路电流计算的目的在发电厂和变电站的电气设计中，短路电流计算是其中一个重要环节。其计算的目的主要有以下几个方面：a)在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施，均需进行必要的短路电流计算。b)在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。c)在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。66 哈尔滨理工大学学士学位论文d)接地装置的设计，也需用短路电流。2.3.2短路电流计算的一般规定2.3.2.1计算的基本情况a)电力系统中所有电源均在额定负荷下运行；b)所有同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；c)短路发生在短路电流为最大值的瞬间；d)所有电源的电动势相位角相同；e)应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电阻。2.3.2.2接线方式计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式（即最大运行方式），而不能用仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。2.3.2.3计算容量应按本工程设计规程容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般考虑本工程建成后5～10年）。2.3.2.4短路种类一般按三相短路计算。若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统以及自耦变压器等回路中的单相（或两相）接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况进行校验。2.3.2.5短路计算点在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的点，应作为短路计算点。2.3.2.6短路计算步骤1）绘制相应的电力系统、发电厂、变电站接线图2）确定与短路电流有关的运行方式3）计算各元件的正、负及零序阻抗、系统电抗一般由上级调度部门给出4）绘制相应的短路计算阻抗图5）根据需要取不同的短路点进行短路电流计算6）列出短路电流计算结果表[3]66 哈尔滨理工大学学士学位论文2.6短路计算已知：电气主接线如图2-4。图2-4电气接线图按照系统接线图画出等值网络图2-5。设66 哈尔滨理工大学学士学位论文图2-5等值电路66 哈尔滨理工大学学士学位论文将系统等值网络图简化后得图2-6G34G12图2-6等值电路简化图66 哈尔滨理工大学学士学位论文设220kV短路计算点为d1点，66kV短路计算点为d2点，10kV短路计算点为d3点，计算三相短路时各电压等级出现的最大短路电流。2.4.1220kV侧短路电流计算当d1点三相短路时，系统等值网络如图2-7，系统等值网络图经角星变换后可得图2-8。图2-7系统等值网络66 哈尔滨理工大学学士学位论文图2-8星型图再经星角变换得图2-9图2-9星型图66 哈尔滨理工大学学士学位论文求各电源的计算电抗。计算短路电流标幺值Is1===1.92所以短路点d1总短路电流66 哈尔滨理工大学学士学位论文2.4.266kV侧短路电流计算当d2点三相短路时，系统等值网络如图2-10，系统等值网络图经角星变换后最终可得图2-11。图2-1066kV等值网络图66 哈尔滨理工大学学士学位论文图2-1166kV星型图求各电源的计算电抗。计算短路电流标幺值66 哈尔滨理工大学学士学位论文所以短路点d2总短路电流2.4.310kV侧短路电流计算当d3点三相短路时，系统等值网络如图2-12，系统等值网络图经变换后得到图2-13。经星角变换后得图2-14。图2-1210kV等值网络图66 哈尔滨理工大学学士学位论文图2-13变换后的等值网络图图2-1410kV星型图其中66 哈尔滨理工大学学士学位论文图2-14经星角变换得到图2-15。其中图2-15星型图求各电源的计算电抗。66 哈尔滨理工大学学士学位论文计算短路电流标幺值所以短路点d3总短路电流66 哈尔滨理工大学学士学位论文第3章导体和电气设备及选择计算正确地选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。导体和电器应按正常运行情况选择，按短路条件验算其动、热稳定，并按环境条件校核电器的基本使用条件。3.1母线的选择3.1.1型式载流导体一般采用铝质材料。回路正常工作电流在4000A及以下时，一般选用矩形导体。在4000～8000A时，一般选用槽形导体。110kV及以上高压配电装置，一般采用软导线。3.1.2导体截面的选择导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。除配电装置的汇流母线外，对于年负荷利用小时数大，传输容量大，长度在20m以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。3.1.3电晕电压校验对于110kV及以上裸导体，可按晴天不发生全面电晕条件校验，即裸导体的临界电压Ucr应大于最高工作电压Umax。当所选软导线型号和管形导体外径大于、等于下列数值时，可不进行电晕检验。110kV，LGJ-70/20；220kV，LGJ-300/30。3.1.4热稳定校验66 哈尔滨理工大学学士学位论文导体在校验热稳定时，其截面应大于、等于由热稳定决定的导体最小截面，其。3.1.5硬导体的动稳定校验硬导体通常都安装在支柱绝缘子上，短路电流产生的电动力将使导体发生弯曲，因此导体应进行应力计算。3.1.6导体共振校验对于重要回路（如发电机、变压器及汇流母线等）的导体应进行共振校验。3.1.7母线的选择3.1.7.1220kV母线选择根据220kV配电装置布置情况，可知母线最大持续工作电流为系统中两电厂机组功率之和。即：根据工程手册查得，母线型号为2LGJ-300，载流量1380A。根据规程此型号导线不需要电晕电压校验。热稳定校验：设母线故障，各线路对侧后备保护动作时间为4s，断路器固有分闸时间0.05s，断路器燃弧时间0.05s。则根据公式即可算出热稳定决定的导体最小截面。由短路计算可知66 哈尔滨理工大学学士学位论文查曲线得所以＜S＞Smin热稳定校验合格。3.1.7.266kV母线选择设母线最大持续工作电流为单台主变最大工作电流。按工程设计手册查得，母线型号为2LGJ-240，载流量1220A。热稳定校验：设母线故障，母差保护拒动，主变后备保护动作时间为3.5s，断路器固有分闸时间0.05s，断路器燃弧时间0.05s。则根据公式即可算出热稳定决定的导体最小截面。由短路计算可知查曲线得所以＜66 哈尔滨理工大学学士学位论文S＞Smin热稳定校验合格。3.1.7.310kV母线选择设母线最大持续工作电流为单台主变三次侧最大工作电流。查表得母线为3条125mm10mm的矩形铝导体，允许载流量4243A。热稳定校验：设10kV母线故障，变压器过流保护动作时间2s，断路器固有分闸时间0.15s，断路器燃弧时间0.05s。则根据公式即可算出热稳定决定的导体最小截面。由短路计算可知查曲线得所以＜S＞Smin热稳定校验合格。3.1.8母线选择结果经过工作电流计算及热稳定校验最终确定母线型号如表3-1。表3-1母线选择结果装设地点型号长期允许载流量(A)220kV2LGJ-300138066kV2LGJ-240122066 哈尔滨理工大学学士学位论文10kVLMY-31251042433.2断路器的选择3.2.1断路器的选择原则3.2.1.1额定电压选择断路器额定电压UN不低于装设地点电网额定电压UNS，即UN≥UNS3.2.1.2额定电流选择断路器额定电流IN不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即IN≥Imax3.2.1.3开断电流选择断路器额定开断电流INbr不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Ipt，即INbr≥Ipt。当INbr较系统短路电流大很多时，也可用次暂态电流I″进行选择，即INbr≥I″。3.2.2断路器的选择计算3.2.2.1220kV高压断路器对于线路，设与系统S1相连的双回线，一回停运后，另一回仍可满足功率传输的需要已知系统电压UNS=220kV,查电气设备手册可得断路器型号如表3-2：表3-2220kV断路器参数型号额定电压(kV)额定电流(A)额定短路开断电流(kA)额定峰值耐受电流(kA)额定短路关合电流(kA)LW-220220160040801003.2.2.266kV高压断路器以主变二次侧最大工作电流为基准选择断路器。66 哈尔滨理工大学学士学位论文已知系统电压UNS=66kV,因现在只有东北地区继续使用66kV等级，查国家电网平高集团有限公司设备型号可得断路器型号如表3-3：表3-366kV断路器参数型号额定电压(kV)额定电流(A)额定短路开断电流(kA)额定峰值耐受电流(kA)额定短路关合电流(kA)LW35-72.572.5315031.580803.2.2.310kV高压断路器主变二次侧最大工作电流：线路最大负荷：所以以线路最大负荷为基准选择出线断路器。已知系统电压UNS=10kV,查电气设备手册可得断路器型号如表3-4：表3-410kV断路器参数型号额定电压(kV)额定电流(A)额定短路开断电流(kA)额定峰值耐受电流(kA)额定短路关合电流(kA)SN4-10G1050001053001053.3隔离开关的选择3.3.1隔离开关的选择原则3.3.1.1型式的选择隔离开关对配电装置的布置和占地面积有很大影响，选型时应根据配电装置特点和使用要求以及技术经济条件来确定。66 哈尔滨理工大学学士学位论文3.3.1.2额定电压选择隔离开关额定电压UN不低于装设地点电网额定电压UNS，即UN≥UNS3.3.1.3额定电流选择隔离开关额定电流IN不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即IN≥Imax3.3.2隔离开关的选择计算3.3.2.1220kV侧隔离开关选择对主变压器回路考虑最大持续工作电流，出线回路除考虑正常电流外，还应考虑事故时由其它回路转移过来的负荷。查电气设备手册可得220kV隔离开关如表3-5：表3-5220kV隔离开关参数型号额定电压(kV)额定电流(kA)动稳定电流(kA)热稳定电流(kA)GW4F-220D2201250100403.3.2.266kV侧隔离开关选择以主变二次侧最大工作电流为基准选择隔离开关。查电气设备手册可得66kV隔离开关如表3-6：表3-666kV隔离开关型号额定电压(kV)额定电流(kA)动稳定电流(kA)热稳定电流(kA)GW4-72.5Ⅲ72.512508031.53.3.2.310kV侧隔离开关选择以主变三次侧最大工作电流为基准选择隔离开关。66 哈尔滨理工大学学士学位论文查电气设备手册可得10kV隔离开关如表3-7：表3-710kV隔离开关参数型号额定电压(kV)额定电流(kA)动稳定电流(kA)热稳定电流(kA)GN10-10T104000160853.4电流互感器的选择3.4.1型式的选择电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。对于6～20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35kV及以上的配电装置，一般采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。3.4.1.1一次回路额定电压选择电流互感器额定电压UN不低于装设地点电网额定电压UNS，即UN≥UNS3.4.1.2一次回路额定电流选择电流互感器额定电流IN不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即IN≥Imax3.4.2电流互感器的选择计算3.4.2.1220kV电流互感器考虑主变压器回路最大持续工作电流和出线回路正常、事故情况下的负荷电流。查平高集团有限公司设备型号得表3-8：66 哈尔滨理工大学学士学位论文表3-8220kV电流互感器参数型号额定电压(kV)额定电流比1s热稳定倍数动稳定倍数LGBJ-2202204300/560603.4.2.266kV电流互感器主变二次侧最大工作电流各线路最大负荷所以以主变二次侧最大工作电流为基准选择电流互感器。查平高集团有限公司设备型号得表3-9：表3-966kV电流互感器参数型号额定电压(kV)额定电流比1s热稳定倍数动稳定倍数LCWB5-6066750～1500/5751503.4.2.310kV电流互感器主变三次侧最大工作电流。各线路最大负荷所以以主变三次侧最大工作电流为基准选择隔离开关查平高集团有限公司设备型号得表3-10：表3-1010kV电流互感器参数型号额定电压(kV)额定电流比1s热稳定倍数动稳定倍数LMCD-10104000/57515066 哈尔滨理工大学学士学位论文3.5电压互感器的选择3.5.1电压互感器选择原则3.5.1.1型式电压互感器的型式应根据使用条件选择，6～20kV屋内配电装置，一般采用油浸绝缘结构，也可采用树脂浇注结构的电压互感器；35～110kV配电装置，一般采用油浸绝缘结构的电压互感器；220kV及以上配电装置，当容量和准确度等级满足要求时，一般采用电容式电压互感器。3.5.1.2一次回路电压为了确保电压互感器安全和在规定的准确等级下运行，电压互感器一次绕组所接电网电压UNs应在(0.9～1.1)UN1范围内变动，即：0.9UN1＜UNs＜1.1UN1。3.5.2电压互感器选择结果电压互感器选择结果如表3-11：表3-11电压互感器型号额定电压(kV)额定变比JCC1-220220JCC1-6066JSJW-101066 哈尔滨理工大学学士学位论文第4章保护设计电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路。我们除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。继电保护装置的基本任务是：a)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；b)反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。对继电保护的四个基本要求是：选择性、速动性、灵敏性和可靠性。而雷电作用于电力系统，在电力线路和电力设备上将造成冲击过电压，这种过电压称之为大气过电压。大气过电压可分为两种，一种是雷电直击于电力线路等被击物上的直击雷过电压；另一种是雷电击于电力线路或电力设备附近，由于电磁场的剧烈变化，在电力线路或电力设备上因感应而形成的感应雷过电压。为了确保电力系统安全可靠地运行，我们必须与雷害作斗争，采取有效措施，减少雷电对电力设备的不利影响。4.1主变压器的继电保护4.1.1变压器故障及异常分析电力变压器是电力系统中重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好、工作可靠的继电保护装置。变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外的故障两种。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈气化，从而可能引起爆炸。因此，这些故障应该尽快加以切除。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。66 哈尔滨理工大学学士学位论文变压器的不正常运行状态主要有，由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因引起的油面降低。对大容量变压器在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。4.1.2变压器保护配置本所变压器容量为120MVA，根据上述故障类型和不正常运行状态，变压器应装设保护如表4-1：表4-1变压器保护措施保护类型保护名称反应故障类型主保护本体瓦斯保护反应变压器油箱内的各种短路故障以及油面的降低调压瓦斯保护反应变压器有载调压机构箱内的各种短路故障纵联差动保护反应变压器绕组的相间短路、匝间短路，引出线上的相间短路以及中性点直接接地系统侧绕组及引出线上发生的接地短路后备保护220kV、66kV侧复合电压闭锁过电流保护，10kV过电流保护反应外部相间短路引起的变压器过流，同时是变压器内部相间短路的后备保护零序电流电压保护反应变压器外部接地短路引起的变压器过流，同时作为变压器内部接地短路的后备保护断相保护反应变压器一次侧开关缺相运行过负荷保护反应变压器对称过负荷66 哈尔滨理工大学学士学位论文4.2母线的继电保护4.2.1母线故障情况分析发电厂和变电站的母线是电力系统中的一个重要组成元件，当母线上发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或转换到另一组无故障的母线上运行以前被迫停电，而且可能把电力系统分解为功率不平衡的几个独立部分，从而破坏电力系统的稳定运行。实际运行中母线支持绝缘子损坏，或者因空气污秽，其中含有破坏绝缘的气体或固体物质而导致闪络，值班人员误操作，造成带地线合闸或带负荷拉合隔离开关等，都会引起母线故障，为使母线故障时，能迅速切除故障点，需装设相应的母线保护装置。4.2.2母线保护装置配置a)220kV母线应装设比率式母差保护；b)66kV母线应装设电流相位比较式母差保护；c)10kV母线无专用母线保护，依靠主变三次侧过电流保护切除母线故障；母线分段设速断保护，供母线充电时使用。4.3变电站直击雷防护变电站直击雷过电压保护，主要采用避雷针，屋外配电装置和主变压器、主控室、室外钢筋混凝土架构上均应装设直击雷保护装置。4.3.1避雷针设置原则a)电压在110kV及以上的屋外配电装置，可将避雷针装在配电装置构架上。对于35～60kV的配电装置，为防止雷击时引起反击闪络的可能，一般采用独立避雷针进行保护。如需要将避雷针装在构架上时，配电装置接地网的接地电阻，不得大于下列数值：35kV配电装置为1Ω，60kV配电装置为2Ω。b)屋外安装的变压器，应装设独立避雷针。c)主控室和屋内配电装置，采用金属结构接地或钢筋混凝土结构的钢筋焊接成网接地；在雷电活动特殊强烈的地区应设独立避雷针。一般在66 哈尔滨理工大学学士学位论文变电站的防雷设计中，都将主控制室考虑在站内独立避雷针的保护范围内。d)在选择独立避雷针的装设地点时，应尽量利用照明灯塔，在其上装设避雷针。装设独立避雷针时，避雷针与配电装置部分在地中和空气中应有一定的距离。1)地中：避雷针本身的接地装置与最近的配电装置接地网的地中距离Sdi≥3R，R独立避雷针的接地电阻，在任何情况下，Sdi不得小于3m。2)空气中：由独立避雷针到配电装置导电部分之间以及到配电装置电力设备与构架接地部分之间的空气距离Sk≥0.3R+0.1h，h被保护物考虑点的高度，在任何情况下，Sk不得小于5m。4.3.2避雷针的配置变电站全部配电装置共装设9支避雷针，针高均为30米。其中，220kV配电装置装设6支避雷针，4支装设在构架上，2支独立避雷针；66kV配电装置装设2支独立避雷针；10kV配电装置及主控室装设1支独立避雷针。4.4变电站感应雷防护为防止雷电侵入波引起的过电压对电气设备的损害，应采用避雷器进行保护。4.4.1避雷器设置原则a)变电站每组母线上，都应装设避雷器。变电站内所有避雷器应以最短的接地线与配电装置的主接地网连接，同时应在其附近装设集中接地装置。b)避雷器至被保护设备的距离愈近则保护作用愈大。所以在布置设备时，应尽可能地把避雷器布置在至各被保护设备附近的中心位置。此时如避雷器至主变压器超过最大允许距离时，应在变压器附近增装一组避雷器。c)为减小短路电流，接于大接地电流系统内的普通变压器的中性点可能断开运行时，若该变压器中性点绝缘不是接线电压设计，应在中性点装设阀型避雷器。该避雷器的灭弧电压不应低于变压器运行相电压的0.6倍，工频击穿电压应不低于最大允许电压的1.8倍。d)对接于变压器中性点的消弧线圈，为消除消弧线圈端部可能出现的过电压，应该与消弧线圈并联安装一个阀型避雷器。e)66 哈尔滨理工大学学士学位论文三卷变压器，当中压或低压绕组长期开路运行时，为了避免静电感应对中、低压绕组绝缘的伤害，应将该绕组接地。这些绕组如为经常临时开路运行时，则应装设相当于相电压或线电压的阀型避雷器，来代替星形接线绕组的中性点或三角形接线绕组的任一相的接地。4.4.2避雷器的配置220kV每组母线上、主变压器220kV侧出口装设Y10W1-220/400型氧化锌避雷器。66kV每组母线、主变压器66kV侧出口装设FZ-66型阀型避雷器。10kV每组母线、主变压器10kV侧出口装设FZ-10型阀型避雷器。在变压器一次绕组中性点装设FZ-110J型避雷器。在变压器二次绕组中性点与消弧线圈并联装设FZ-66型避雷器。66kV所用变一次侧出口装设FZ-66型避雷器。66 哈尔滨理工大学学士学位论文结论电力工业是国民经济发展的基础工业，供电的可靠性、经济性以及电能质量不仅取决于系统中各种设备的性能和质量，而且还取决于电力系统的规划设计水平。通过对原始资料的分析、主接线方案经济性比较及短路电流计算，选定220kV中间变电站主接线、变压器、断路器等电气设备，并针对实际情况提出继电保护、过电压保护设计方案。在满足可靠性、灵活性、经济性的前提下，本设计力求科学准确，最终确定的主接线方案为：220kV、66kV采用双母线带旁路，母线并列运行方式；10kV采用单母线分段带旁路，母线分裂运行方式，分段开关在断开位置。通过对负荷的分析选用主变压器为SFPSZ2-120000/220。并经过短路计算确定母线、断路器、隔离开关、电流互感器和电压互感器等其他设备型号。表5-1结论：最终选型结果变压器主变SFPSZ2-120000/220所用变SJL-630/60；SJL1-250/10母线220kV2LGJ-30066kV2LGJ-24010kVLMY-312510断路器220kVLW-22066kVLW35-72.510kVSN4-10G隔离开关220kVGW4F-220D66kVGW4-72.5Ⅲ10kVGN10-10T电流互感器220kVLGBJ-22066kVLCWB5-6010kVLMCD-10电压互感器220kVJCC1-22066kVJCC1-6010kVJSJW-10避雷器220kVY10W1-220/400型氧化锌避雷器66kVFZ-66型阀型避雷器10kVFZ-10型阀型避雷器66 哈尔滨理工大学学士学位论文致谢本人在选题、方案设计、理论分析以及论文的最终完成阶段都得到了张沛红导师的细心指导和热情帮助，论文的顺利完成也凝聚着张沛红导师的心血。导师对本人学习上的关心与支持将使我终身难忘,其严谨的治学态度，渊博的学识和积极向上的奋进精神将使我受益终身。在课题完成之际，谨向张沛红导师表示衷心的感谢和崇高的敬意。66 哈尔滨理工大学学士学位论文参考文献1.刘明，马晓久，王海静等.智能电网工程应用与发展.中国水利水电出版社：20112.西北电力设计院编.电力工程电气设计手册.第一册电气一次部分.北京水利电力出版社：19893.傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算.中国电力出版社：20044.国家计划委员会.建设项目经济评价方法与参数.北京中国计划出版社：19895.宋友文.智能变电站一次设备智能化技术探讨.中国电力教育：2012（6）6.西北电力设计院、东北电力设计院编著.电力工程设计手册.上海人民出版社：19727.输配电设备手册.机械工业出版社：20008.国家电网平高集团有限公司网站：http://www.pinggaogroup.com/9.MladenKezunovic,The21stcenturysubstationdesign：VisionoftheFuture,YufanGuan,ChenyanGuo,MohsenGhavami,TexasA&MUniversityCollegeStation,Texas,USA10.DavidB.Durocher，Considerationsinunitsubstationdesigntooptimizereliabilityandelectricalworkplacesafety11.VehbiC.Gungor,BinLu,GerhardP.Hancke,OpportunitiesandChallengesofWirelessSensorNetworksinSmartGrid,IEEEtransactionsonindustrialelectronics,2010（10）66 哈尔滨理工大学学士学位论文附录A66 哈尔滨理工大学学士学位论文附录B66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文66 哈尔滨理工大学学士学位论文风力发电:发电机技术与联网(西班牙)L.Rouco等[摘要]风力发电机已成为世界范围内许多电力系统发电投资的一个重要组成部分。并且，因为气候的变化，需要增加新能源发电，为了贯彻这一政策，风力发电还会继续发展。联网是影响风力发电机大量开发的主要问题。具体地说，风力发电成功联网需要解决一些问题：稳定性以及有功负载频率和无功负载电压控制。这些在很大程度上受风力发电机系统中所采用的机电转换装置的特性的影响。与采用恒速同步发电机的水电和火电不同，风电既采用感应电机（笼型和双馈），又采用可变速（多极）同步电机。第一台风力发电机是基于恒速笼型感应电机，继而又开发了可变速绕线式转子（双馈）感应电机，能够使风力发电机在每个风速下都达到最大效率。可变速同步（多极）电机的引入是为了避免笼型和双馈电机所使用的齿轮箱，齿轮箱的作用是用来连接风力机的低速转子与感应电机的高速转子。双馈感应电机和多极同步电机的可变速驱动是利用电力电子变流器，它同时具有连续发出和消耗无功功率的能力。本文讨论发电机技术是如何影响风力发电的联网的。回顾了基于笼型电机、双馈感应电机和多极同步电机的风力发电机。讨论了其稳定性、负载频率和无功功率-电压控制方面的性能。不考虑风力发电机所采用的机电能量转换装置的特性，本文表明它们能够满足联网的要求。当然，所采用的方法的一些方面是可以改进的。[关键词]风力发电机；笼型感应电机；双馈感应发电机；多极同步发电机；联网；稳定性；负载频率控制；无功功率-电压控制1引言风力发电机已成为世界范围内许多电力系统发电投资的一个重要组成部分。并且，因为气候的变化，需要增加新能源发电，为了贯彻这一政策，风力发电还会继续发展。联网是影响风力发电机大量开发的主要问题。具体地说，风力发电成功联网需要解决一些问题：稳定性以及有功负载频率和无功负载电压控制[1]。这些在很大程度上受风力发电机系统中所采用的机电转换装置的特性的影响。与采用恒速同步发电机的水电和火电不同，风电既采用感应电机（笼型和双馈），又采用可变速（多极）同步电机。本文讨论发电机技术是如何影响风力发电的联网的。回顾了基于笼型电机、双馈感应电机和多极同步电机的风力发电机。讨论了其稳定性、负载频率和无功功率-电压控制方面的性能。2风力发电机技术66 哈尔滨理工大学学士学位论文第一台风力发电机是基于恒速笼型感应电机，继而又开发了可变速绕线式转子（双馈）感应电机，能够使风力发电机在每个风速下都达到最大效率。可变速同步（多极）电机的引入是为了避免笼型和双馈电机所使用的齿轮箱，齿轮箱的作用是用来连接风力机的低速转子与感应电机的高速转子。双馈感应电机和多极同步电机的可变速驱动是利用电力电子变流器，它同时具有连续发出和消耗无功功率的能力。2.1笼型感应发电机笼型感应发电机(SCIGs)因结构简单过和现在都在使用。风力机通过齿轮箱与发电机连接。图1显示了笼型感应发电机的结构。转子转带由风速及风力机和感应电机的特性曲线决定。一般情况下，风力机不是运行在其最大效率点上。由于感应电机消耗无功功率，必须提供无功功率补偿。无功功率补偿通常由发电机终端带有机械开关的分压电容和变电站的MV汇流排提供。Windturbine风力机Squirrelcageinductionmachine笼型感应电机Gearbox齿轮箱Mechanicallyswitched机械开关shuntcapacitor分压电容图1笼型感应发电机2.2双馈感应发电机由于双馈感应发电机具有可调速能力并且其电力电子变流器的额定值较低，它成为了最广泛应用的机电能量转换装置。它可以在风力机的最佳工作点（最大效率）上运行。此外，网侧变流器还可以用来提供连续的无功功率补偿能力。图2显示了DFIG的结构图。转子绕组由带有脉宽调制的三相电压源变流器馈电，三相电压源变流器提供可变频率的三相电压系统。转子频率的变化导致转子转速的变化。假设定子频率f1是常数，转子频率f2的变化导致转子转速的变化：66 哈尔滨理工大学学士学位论文Windturbine风力机Doublyfedinductionmachine双馈感应电机Rotorside转子侧converter变流器Statorside定子侧Converter变流器Gearbox齿轮箱Filter滤波器图2双馈感应发电机电力电子变流器实际上是由两个变流器经过一个直流中间环节电容器连接而成的。转子变流器用来控制转矩或转子转速（二选一）及转子无功功率[2]。在以定子磁通为参考的系统中，转子电流的d轴分量为励磁电流，允许控制电机的无功功率。通常的策略是将其设置为零。在以定子磁通为参考的系统中，转子电流q轴分量是转矩电流，允许控制电磁转矩。定子或网侧变流器用来控制整个机组的无功功率和电容器电压。定子侧变流器电流的d轴分量决定着流过定子侧变流器的有功功率，可用来控制电容器电压。定子侧变流器的q轴分量决定着由定子侧变流器提供的无功功率。2.3多极同步发电机基于多极同步发电机（MSG）的风力发电机的优点是不需要笼型或双馈感应电机所采用的齿轮箱。配有电压源电力电子变流器的MSG拥有调速能力，可以运行在风力机的最佳工作点（最大效率）。与DFIG情况一样，网侧变流器为其提供连续的无功功率补偿。一个更为简单的结构是在电机侧采用一个可控硅变流器，通过一个LC滤波器与网侧的电压源变流器耦合。应该注意，这种结构不具备转速控制能力图3显示了带有两个电压源变流器的MSG66 哈尔滨理工大学学士学位论文结构。电机定子绕组由一个带有脉宽调制的三相电压源变流器馈电，三相电压源变流器提供一个可变频率的三相电压系统。定子电压频率的变化导致转子转速的变化。Windturbine风力机Multi-polesynchronousmachine多极同步电机Excitation励磁Machineside电机侧Converter变流器Networkside网侧Converter变流器Filter滤波器图3多极同步发电机电子变流器是由两个变流器经过一个直流中间环节电容器连接而成。定子侧变流器用来控制转矩或转子转速（二选一）[3]。通过电机的励磁电流来控制励磁。假设励磁电流是恒定的。定子电流的q轴分量是转矩电流，可以用来控制电磁转矩。网侧变流器的控制策略与DFIG定子侧变流器的控制策略相似。网侧变流器用来控制整个机组的无功功率和电容器电压。定子侧变流器的d轴分量决定着流过定子侧变流器的无功功率，可以用来控制电容器电压。定子侧变流器的q轴分量决定着由定子侧变流器提供的无功功率。3稳定性电力系统稳定性主要是指在一次扰动之后达到一个新的稳定平衡点的能力或者回到原始稳定平衡点的能力[4]66 哈尔滨理工大学学士学位论文。电力系统稳定按照扰动的大小分为大信号稳定性和小信号稳定性。当扰动的大小可以用线性系统微分方程来分析所关注的现象时，就属于小信号稳定性问题。相反，遇到大信号稳定性问题时，扰动信号太大，必须要用非线性微分方程来分析所关注的现象。3.1大扰动稳定性风力发电机可能会给电力系统带来大信号稳定性问题，因为电网中的一个故障会导致对风力发电机供电电压的短时下降（电压跌落），下降到所设定的最低保护电压时就会引起跳闸。当许多风场并入输电网络时，最低电压保护严格地设置为当电压低于额定电压的85%时立即跳闸，因而电网中一个故障就可导致大量的风力发电机跳闸，最终使系统解列[1]。风力发电机的电压穿越能力取决于它们所采用的技术[5]。基于笼型感应电机的风力发电机耐电压降落的能力受转动惯量的影响。应该强调，SCIG与同步发电机（SG）一样脆弱。图4所示为一台SCIG(左)和一台汽轮发电机SG(右)在一次导致电压降至额定电压的20%的故障中的响应，假设两台电机的转子转动惯量相同。SG的临界清除时间比SCIG的略短。图4笼型感应发电机（左）和同步汽轮发电机（右）对电压降落的响应与SCIG不同，基于双馈感应电机和多极同步电机的响应由电力电子变流器在低电压下工作的能力决定。对DFIG的转子增加了Crowbar系统（可控硅控制的电阻）来减小故障下的过速。Crowbar还用来控制故障情况下MSG直流环节电容器的电压。大信号稳定性目前决定着风力发电所占份额较大的电力系统的最大允许风力发电量。提高风力发电机耐受电压降落的能力可以增加电力系统的最大允许风力发电量。3.2小扰动稳定性小信号稳定性与电力系统自然振荡的阻尼有关，其频率范围在0.1~2Hz。这种振荡通常被称为电磁机械振荡，因为振荡源在同步发电机的转子中。与电力系统中其他的自然振荡相比，电磁机械振荡通常没有很好的阻尼。然而，如果对同步励磁系统增加辅助控制（即电力系统稳定器），则可以对这种振荡进行完全的阻尼。虽然小信号稳定性问题相当复杂，但可以通过系统线性模型的状态矩阵的特征值来准确地给出它的特性[6，7]66 哈尔滨理工大学学士学位论文。此外，对应于所感应兴的特征值的左右特征向量是识别变量与特征值之间关系从而设计电力系统阻尼控制的各种有效手段的基础，下面以图5所示的电力系统为例，来讨论风力发电对电力系统小信号稳定性的影响[8]。研究了增加风力发电机减少同步发电时同步发电机电磁机械振荡的阻尼和频率的变化。图6示出了当风力发电机的比例增加时同步发电机电磁机械特征值的变化：SG发电机电磁机械振荡的阻尼和频率随着风力发电的比例而增加。这个事实可以从WG缺少惯性这方面来解释：当WG增加时，只有SG的惯性保持不变，导致更高的电磁机械振荡频率和阻尼。图6还显示了当WG作为恒定电流负载（CCL）时电磁机械特征值的变化。应该注意，所得到的表示WG作为CCL的电磁机械特征值与WG是DFIG或MSG时的电磁机械特征值接近。图5用来研究风力发电机对电力系统小信号稳定性影响的试验系统图6图5中的同步发电机的电磁机械模型的变化4有功功率-频率控制有功功率-频率(p-f)控制的作用是在正常的负载变化时维持系统频率恒定。并且，p-f控制系统应该能够应对发电和负载计划以外的变化。P-f系统以三个时间尺度分级控制：初级、次级和第三级控制[9]66 哈尔滨理工大学学士学位论文。初级调节是在发电机层次上完成的自动控制。通过控制原动机的出力来维持发电机转速的恒定。然而。为了确保负载变化在各发电机之间的分布，调速器需要一个永久的压降，从而使频率在稳态下仍有误差。次级调节是一个集中化的自动控制系统，目的在于消除稳态频率误差及功率交换偏差。第三级调节是一个人工控制系统，用来保证初级和次级调节的裕度。缩减补偿器调节器图7风力机初级频率调节器模型大型联网系统的p-f控制中起主要作用的是次级调节，其转动惯量很大，可阻止大的频率波动。相比之下，初级调节对于孤立系统的频率稳定性起着关键作用。本节介绍通过风力机槽距控制驱动的风力发电机（风图4）是如何进行初级频率调节的[10]。为此目的我们已经开发了两套试验系统（见图8）。试验系统I包含一个200MVA的同步发电机，为一台160MW的负载供电，它将被用来作为参考系统。试验系统II由一台同同步发电机和一台风力发电机构成，容量均为100MVA，为一个负载供电。图8用来评定风力发电机对同步发电机频率稳定性影响的试验系统下面讨论DFIG对频率调节的影响。图9比较了在试验系统I和II中跳闸20MW（系统额定值的10%）时频率的偏差。左边的图形对应于DFIG没有配置初级频率调节的情况。当系统中仅包含SG时，稳态频率误差为-0.04´0.1=-0.004p.u.=-0.4%。当系统中既包含SG也包含DFIG时，变为-0.04´0.2=-0.008p.u.=-0.8%。SCIG的出现，不仅引起频率的稳态误差变化，而且对瞬态响应也有影响。精确地说,频率变化率的初始值在第一种情况中是-0.1/6=-0.0167p.u./s=-1.67%/s，而在第二种情况中变为-0.2/6=-0.033p.u./s=-3.33%/s66 哈尔滨理工大学学士学位论文。这意味着，频率的变化仅取决于SG的转动惯量。换句话说，DFIG的转动惯量不影响SG的频率。右边的图形对应于DFIG配置了初级频率调节的情况。试验系统I的稳定频率误差与试验系统II的相同。也就是说，频率误差取决于提供初级调节的发电量，不管是哪种类型的发电。另外，虽然试验系统I与试验系统II的初始频率变化率相同，由于DFIG的初级频率调节作用，试验系统II的最大频率偏差比试验系统I的小。图10给出了当DFIG包含初级频率调节时SG和DFIG的出力。当DFIG包含频率调节时，SG和DFIG都增加它们的出力来补偿发电损失。图10比较了DFIG包含和不包含初级频率调节两种情况下DFIG的转差率。DFIG转速控制回路确保DFIG本身出力增加时转速不变。图9仅有同步发电机的系统与既有同步发电机又有双馈感应发电机的系统频率偏差的比较。左：DFIG没有初级频率调节；右：DFIG有初级频率调节图10左：同步发电机与双馈发感应发电机的机械功率；右：不带初级频率调节与带有初级频率调节的双馈感应发电机转差率比较5无功功率-电压控制66 哈尔滨理工大学学士学位论文电力系统无功功率-电压控制（q-v）的目的是将母线电压维持在可接受的范围内。根据输电线路负载、无功功率需求和损耗，要求发电机发出或者消耗无功功率。q-v控制系统的动态特性基本上依赖于同步电机的初级电压调节。风场所需的无功功率与风电的开发有关：从功率因数补偿开始，以提供所需的发生/消耗能力，该能力与有功功率无关。另外，还需要q-v控制系统的快速瞬态响应。在电机出线端和变电站MV母线上同时使用带机械开关的分压电容器时，SCIG不能获得快速瞬态响应q-v控制系统。相反，由于网侧变流器的矢量控制，DFIG和MSG都能够得到很高的q-v控制性能。图11给出了SMG在网侧变流器电流的q轴分量参考值的阶跃响应，该电流决定了由电机提供的无功功率。d轴和q轴电流分量分别给出。电机在整功率因数下提供0.95p.u.的有功电流。现要求电机运行在0.95超前功率因数下，同时提供相同的有功功率。由于电流控制器设计得正确，q轴分量的瞬态响应非常快，并且阻尼效果好。此外，d轴电流分量不受q轴电流分量参考值变化的影响，这说明通过网侧变流器矢量控制来独立控制有功电流和无功电流获得了成功。图11多极同步发电机对网侧变流器q轴电流分量的瞬态阶跃响应对于风场联网处的无功功率的要求可以利用风场发电机这种无功功率资源来满足。我们以英国的一个配备了9台1670kW风力发电机并且连接至33kV母线的一个实际风场为例来讨论这种方法，如图12所示。66 哈尔滨理工大学学士学位论文图12一个实际风场的接线图图13（左）给出了NGC对联网处无功功率的要求[11]与风力发电机终端的有功功率的关系，以及这一要求是如何通过发电机(+/-550kVar)有功功率产出能力1670kW来满足的。在高负载（1300kVar）下需要额外的无功功率产出能力以满足NGC要求。图13（右）显示了在高负载下是如何通过连接于变电站母线上的额外分压电容器来满足NGC对无功功率的要求的。66 哈尔滨理工大学学士学位论文图13变电站无功功率与LV侧产出的有功功率和变电站电压的关系：（左）变电站母线上没有分压电容器；（右）变电站母线上有分压电容器。用风力发电机的无功能力来满足风场联网处的无功功率要求，因无功功率通过风场电网循环而增加了损耗，这是它的缺点。图14显示了在几种变电站电压和发电机功率因数情况下损耗随LV侧产生的有功功率的变化关系。可以看出，损耗的增加是不可忽略的。因此，用位于变电站母线的单一无功源（即静止无功补偿器）来提供无功功率的方案是值得的。这种方案还可以除低网侧电力电子变流器的额定值。图14在不同的变电站电压和发电机功率因数下有功功率损耗随LV侧有功功率产出的变化关系6结论联网是影响风力发电机大量开发的主要问题。具体地说，风力发电成功联网需要解决一些问题：稳定性以及有功负载频率和无功负载电压控制。这些在很大程度上受风力发电机系统中所采用的机电转换装置的特性的影响。风电既采用固定转速（笼型）和可变转速（双馈）的感应电机，又采用可变速的（多极）同步电机。本文讨论了笼型感应发电机、双馈感应发电机和多极同步发电机在大信号和小信号稳定性、初级负载频率和无功-电压控制方面的性能。不考虑风力发电机所使用的电磁机械能量转换装置的特性，本文表明它们能够满足联网的要求。当然所采用方案的一些方面是可以改进的。关于风力发电接入电力系统的问题，仍有许多工作要做（次级频率调节，发电调度和供电安全性）。[参考文献][1]P.B.Eriksen,T.Ackerman,H.Abildgaard,P.Smith,W.Winter,andJRodrígez-García,“SystemOperationwithHighWindPenetration:TheTransmissionChallenges66 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哈尔滨理工大学学士学位论文FrequencyStabilityofSynchronousGenerators”,42CigréSession,PaperA1-203,Paris,France,24-29August2008.[11]NationalGridElectricityTransmission,“TheGridCode”,Issue4,24June2009,availableathttp://www.nationalgrid.com/NR/rdonlyres/67374C36-1635-42E8-A2B8-B7B8B9AF2408/35187/Complete_I4GridCode.pdf.8ACKNOWLEDGEMENTSThispaperhasbeenwrittenwhiletheauthorhasbeenonashortsabbaticalstayatMITduringsummer2009.TheauthorgratefullyacknowledgesthefinancialsupportprovidedbytheSpanishMinistryofEducation.66'