2022風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)

風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)第二講

風(fēng)電場(chǎng)的電氣系統(tǒng)概述集電系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)的接地的系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)的防雷保護(hù)電氣保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)和發(fā)電機(jī)保護(hù)異步發(fā)電機(jī)的孤立運(yùn)行和自勵(lì)磁分界面保護(hù)概述中型或大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(幾百千瓦到幾兆瓦)主要是采用并網(wǎng)運(yùn)行方式，好處：與公共電網(wǎng)互補(bǔ)、充分發(fā)揮風(fēng)電的效益、電能質(zhì)量更好、電氣系統(tǒng)要求可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)地把電能送入系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的電氣系統(tǒng)和常規(guī)電廠內(nèi)的電氣系統(tǒng)比較簡單，輔助設(shè)施少風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的電氣接線特殊點(diǎn)容量、設(shè)備、分布性、廠用負(fù)荷及地區(qū)負(fù)荷、電纜與架空線在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)，風(fēng)機(jī)與變電所之間的連接有兩種方式：場(chǎng)地布置相對(duì)集中時(shí)用電纜直埋；場(chǎng)地布置相對(duì)分散時(shí)用架空10kV線路?？紤]：經(jīng)濟(jì)性、景觀架空線（絕緣架空線）電纜（直流電纜、交流電纜）海上風(fēng)電場(chǎng)電氣接線一例電纜特性：電阻與面積、距離；充電電流與面積、距離海上風(fēng)電用電纜傳輸?shù)谋容^：HVDC、VSC、交流風(fēng)電場(chǎng)電壓等級(jí)從發(fā)電機(jī)到塔基的主電路的電壓等級(jí)一般低于1000

V，國際上選的一種標(biāo)準(zhǔn)電壓是線電壓690

V?！锰帲悍奖愫陀谐杀?效益，發(fā)電機(jī)成本低；

低電壓的開關(guān)設(shè)備和下垂的柔軟電纜可以廣泛選擇；——低電壓導(dǎo)致大的電流。例如600

kW的風(fēng)力機(jī)組工作在690V需要超過500A的電流?！?lián)網(wǎng)送電需要升壓變壓器（位于塔中或鄰近塔）風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的中壓（MV）電平的選擇通常由當(dāng)?shù)嘏潆姽镜慕?jīng)驗(yàn)確定。這樣電纜和開關(guān)設(shè)備都比較容易獲得。一般選擇在10kV至35

kV之間，可以是10kV,

20

kV和35

kV

等。2.1

集電系統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣系統(tǒng)簡圖風(fēng)電機(jī)主要電氣設(shè)備發(fā)電機(jī)，定子輸出經(jīng)三條柔軟下垂電纜到塔下斷路器鎧裝斷路器（moulded

case

circuit

breaker-MCCB），MCCB

裝備有防備故障的瞬時(shí)過流保護(hù)，有延滯（熱）功能的過電流保護(hù)雙向晶閘管軟起動(dòng)單元，通常具有一個(gè)旁路電流接觸器，被用來減小在發(fā)電機(jī)接通時(shí)的浪涌電流功率因數(shù)校正電容器(PFC)電路，分級(jí)投切，+小的電感器限制容性合閘電流（浪涌電流）輔助交流電源，直流電源（風(fēng)輪機(jī)控制器、保護(hù)等用）保護(hù)保險(xiǎn)絲額定電流較小。浪涌分流器（避雷器），避免內(nèi)部電氣系統(tǒng)遭受站內(nèi)電氣網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的過電壓風(fēng)電機(jī)與變壓器的連接風(fēng)電機(jī)大小電流引起的損耗大小額外的電壓變化風(fēng)電機(jī)位置靠得遠(yuǎn)近多臺(tái)風(fēng)機(jī)的連接風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線形式之一4 3 2 1T Z21Z1Z2L大電源系統(tǒng)2MW2MW600kW431#2#2MW3#4#600kW5#110kV10kV大型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布局（海上、海岸）風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布局圖(5MW風(fēng)機(jī))風(fēng)海上風(fēng)電場(chǎng)一例12.1

風(fēng)電場(chǎng)的接地的系統(tǒng)2.2.1接地的基本概念2.2.2配電網(wǎng)接地方式選擇2.2.3

風(fēng)電場(chǎng)的接地的系統(tǒng)2.2.1接地的基本概念(1)地的概念電力系統(tǒng)中的“地”不是普遍意義上的“地理地”，而是電力概念中的“電氣地”。以下幾類在廣義下都可被稱作地：導(dǎo)電性的土壤，具有等電位，且任意點(diǎn)的電位可以看成零電位導(dǎo)電體，如土壤或鋼船的外殼，作為電路的返回通道，或作為零電位的參考點(diǎn)電路中相對(duì)于地具有零電位的位置或部分電路與地或其他起導(dǎo)電作用的導(dǎo)電體的有意的或偶然的連接(2)接地的概念接地是指將有關(guān)系統(tǒng)、電路或設(shè)備與地連接。通過接地可以使連接到地的導(dǎo)體具有等于或者近似于大地的電位并引導(dǎo)入地電流流入和流出大地。(3)接地的分類保護(hù)性接地和功能性接地保護(hù)性接地

為了系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行安全而采取的接地措施，有以下幾類：防電擊接地：為了防止電氣設(shè)備絕緣損壞或產(chǎn)生漏電流時(shí)，使平時(shí)不帶電的外露導(dǎo)電部分帶電而導(dǎo)致電擊而將設(shè)備的外露導(dǎo)電部分接地。這種接地還可以限制線路涌流或低壓線路及設(shè)備由于高壓竄入引起的高電壓；當(dāng)產(chǎn)生電氣故障時(shí)，有利于電流保護(hù)裝置動(dòng)作而切斷電源。防雷接地：將雷電導(dǎo)入大地，防止雷電流使人身受到電擊或設(shè)備受到破壞防靜電接地：將靜電荷引入大地，防止由于靜電積聚對(duì)人體和設(shè)備造成危害。防電蝕接地：地下埋設(shè)金屬體作為犧牲陽極或陰極，防止電纜、金屬管道等受到電蝕。功能性接地

為了設(shè)備正常運(yùn)行或者提供電流回路而采取的接地措施，有以下幾類：工作接地：為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行，防止系統(tǒng)震蕩。保證繼電保護(hù)的可靠性，在交直流電力系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)胤竭M(jìn)行接地，交流一般為中性點(diǎn)，直流一般為中點(diǎn)。邏輯接地：為了確保穩(wěn)定的參考電位，將電子設(shè)備中的適當(dāng)金屬件作為“邏輯地”。常將邏輯接地及其他模擬信號(hào)接地統(tǒng)稱為直流地屏蔽接地：將電氣干擾源引入大地，抑制外來電磁干擾，減少電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾影響其它電子設(shè)備信號(hào)接地：為保證信號(hào)具有穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位而設(shè)置的接地(4)接地的作用1)防止人和動(dòng)物遭受電擊電擊所產(chǎn)生的電擊電流會(huì)對(duì)人體造成傷害甚至導(dǎo)致死亡，所以必須采取防護(hù)措施。接地中避免危害人和設(shè)備的大的電位差。電氣設(shè)備在正常情況下不帶電的金屬部分與接地機(jī)制件作良好的金屬連接，可以保護(hù)人體的安全。2)保障電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行采用中性點(diǎn)接地的方式，中性點(diǎn)與地間的電位接近于零。如果中性點(diǎn)不接地，那么當(dāng)相線與外殼或者地接觸時(shí)，其他兩相對(duì)地電壓會(huì)升高為相電壓的

3

倍，絕緣水平要求更高。采用中性點(diǎn)接地可以降低設(shè)備的制造成本和建設(shè)費(fèi)用，提高繼電保護(hù)的可靠性。3)防止雷擊和靜電的危害采取適當(dāng)?shù)慕拥胤绞?，使對(duì)人和動(dòng)物的雷擊危害最小化；4）為接地故障電流的建立低阻抗通路，從而滿足保護(hù)動(dòng)作要求。5）改善雷電保護(hù)，使電壓保持在可接受的范圍內(nèi)2.2.2

配電網(wǎng)接地方式選擇配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇涉及到配電網(wǎng)的絕緣水平、安全性、經(jīng)濟(jì)性、供電的可靠性。配電網(wǎng)接地方式中性點(diǎn)直接接地方式——單相接地時(shí)，通過接地中性點(diǎn)形成單相短路，很大的零序電流，根據(jù)零序分量的特點(diǎn)可構(gòu)成保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作后跳閘。——不對(duì)稱短路引起的工頻電壓升高較小，操作過電壓較低，對(duì)系統(tǒng)絕緣水平的要求相對(duì)較低。中性點(diǎn)不接地方式——當(dāng)系統(tǒng)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，電源中性點(diǎn)與負(fù)載中性點(diǎn)電壓為零?！獑蜗嘟拥毓收蠒r(shí)，故障點(diǎn)相對(duì)于地的電壓為零，非故障相的相電壓升高到

3

倍，等于線電壓，此時(shí)線電壓仍保持對(duì)稱不變，對(duì)用戶供電無影響。——當(dāng)各相對(duì)地電容不相等時(shí)，即使在正常運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的中性點(diǎn)的對(duì)地電位將發(fā)生偏移。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)要求的絕緣水平較高，各種操作過電壓較高。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，可能造成電磁式電壓互感器激磁電流激增而損壞，甚至可能產(chǎn)生諧振過電壓。這種接地方式存在電弧接地過電壓的危險(xiǎn)。配電網(wǎng)接地方式(3)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地——消弧線圈是一個(gè)具有鐵心的可調(diào)電感線圈，安裝在變壓器的中性點(diǎn)?！獑蜗嘟拥貢r(shí)，消弧線圈產(chǎn)生電感電流，補(bǔ)償接地點(diǎn)的電容電流，使較大的接地電流容易熄滅?！詣?dòng)跟蹤補(bǔ)償式的消弧線圈裝置，由接地變壓器、可調(diào)式消弧線圈和消弧線圈自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)控制器、阻尼電阻和氧化鋅避雷器組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，接地點(diǎn)電容電流的變化會(huì)傳到消弧線圈自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)控制器上，調(diào)節(jié)控制器可測(cè)量出電網(wǎng)的脫諧度，并控制調(diào)節(jié)消弧線圈的直流勵(lì)磁，從而改變消弧線圈的電感量進(jìn)而改變消弧線圈中的電流。(4)電阻接地方式中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)，相當(dāng)于在零序阻抗上并聯(lián)一個(gè)電阻R，該電阻與系統(tǒng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，可起到抑制諧振過電壓的作用。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)電壓，能迅速切除故障，可降低設(shè)備絕緣水平。繼電保護(hù)可方便地監(jiān)測(cè)接地的故障線路。2.2.3

風(fēng)電場(chǎng)的接地的系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)接地系統(tǒng)特點(diǎn):①風(fēng)電場(chǎng)延伸至幾公里范圍②現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的高度使它們易遭受雷擊③它們有的位于ft頂?shù)母咦栊缘鼗巷L(fēng)電場(chǎng)接地系統(tǒng)方案Rturbine風(fēng)力機(jī)接地電阻；Rshunt風(fēng)力機(jī)就地接地網(wǎng)（環(huán)）；R

series風(fēng)力機(jī)之間接地線串聯(lián)電阻；Lseries串聯(lián)電感；對(duì)于雷擊在風(fēng)力機(jī)上的高頻分量，串聯(lián)電感（阻抗大）的作用有效地把接地網(wǎng)絡(luò)簡化為僅僅當(dāng)?shù)仫L(fēng)力接地系統(tǒng)

接地系統(tǒng)設(shè)備接地體：水平接地體，環(huán)形導(dǎo)體，圍繞著地基，深度1

m（有時(shí)稱為平衡接地）；垂直接地體是桿，埋入地下。接地網(wǎng)：連接一個(gè)接一個(gè)風(fēng)輪機(jī)的水平電極接地電阻（阻抗）：風(fēng)電場(chǎng)一般要求小于10Ω兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)接地阻抗實(shí)測(cè)結(jié)果即使在50

Hz下，接地阻抗的電阻和電抗幾乎是相等的（X=R），對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)有重要意義。水平接地導(dǎo)體長，不可能用常規(guī)的計(jì)算方法（用于小的，純電阻的接地網(wǎng)絡(luò)），有必要考慮長接地導(dǎo)體的阻抗作用。土壤條件不同，接地阻抗值不同2.3

風(fēng)電場(chǎng)的防雷保護(hù)雷擊是非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象，包含一系列的氣體放電電流。術(shù)語“閃電”用來描述放電序列，它利用相同的電離通道，可以持續(xù)達(dá)1s。閃光的各個(gè)部分叫雷“擊”。雷閃通常分成4種主要類型：起初向下，負(fù)的和正的極性；起初向上，負(fù)的和正的極性。通常由帶電雷云引起，負(fù)電荷雷云傳遞負(fù)電荷到地(起初向下—負(fù)極性)

是最普遍的。向下的負(fù)閃電典型的是由高幅值的電流脈沖組成的，持續(xù)時(shí)間幾個(gè)ms，持續(xù)流過的電流幾百A。然后，隨著雷云和地之間初始傳遞電流的熄滅，可能有多次再擊雷。雷閃形成雷閃是自然界中的大氣火花放電現(xiàn)象。當(dāng)帶電的雷云之間或雷云與大地之間出現(xiàn)很高的電位差時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電，電荷迅速中和。放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱，通道溫度高達(dá)15

000

20

000度，使空氣急劇膨脹、震動(dòng)，發(fā)出隆隆聲響，形成雷閃雷云帶電和放電過程可解釋如下:潮濕的熱氣流不斷上升，進(jìn)入稀薄的大氣層時(shí)冷凝成云。當(dāng)強(qiáng)烈的上升氣流穿過云層時(shí)，水滴因碰撞而電離。微細(xì)的水末帶負(fù)電，上升形成帶負(fù)電的雷云；大滴水珠帶正電，凝聚成雨下降，或懸浮在云中形成帶正電的局部雷云區(qū)。大多數(shù)雷云帶負(fù)電，并在地面感應(yīng)出大量正電荷。在帶有大量異號(hào)電荷或不等數(shù)量電荷的雷云間或雷云與大地間，會(huì)出現(xiàn)高達(dá)數(shù)十至數(shù)百兆伏的電位差。隨著雷云的發(fā)展，一旦空間電場(chǎng)強(qiáng)度超過大氣電離的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度(空氣中約30千伏每厘米，有水滴時(shí)約10千伏每厘米)時(shí)，強(qiáng)烈的大氣放電就發(fā)生了。雷電特性對(duì)雷云生成和氣體放電來說，有各種各樣的影響因素，所以雷閃放電是一種隨機(jī)現(xiàn)象，表征其特性的參數(shù)具有隨機(jī)性。雷暴日數(shù)

平均每年有雷閃的天數(shù)來表示雷閃放電的頻繁程度，地面落雷密度——每一雷暴日每平方公里地面的落雷次數(shù)，用雷電流峰值——雷電的強(qiáng)烈程度，用雷電流脈沖的波前時(shí)間、半峰值時(shí)間

脈沖從零開始升到峰值再降至半峰值的時(shí)間——雷電流的變化快慢。在我國，雷暴日數(shù)差別較大，西北地區(qū)少于20日，長江以北、華北、東北20

40日，長江以南40

80日，華南80日以上，海南島達(dá)100

130日。我國的地面落雷密度為0.015。雷閃放電中，75

90%為負(fù)極性。雷閃脈沖電流的峰值高，12%的雷電流超過100千安，最高可達(dá)二三百千安。雷電流的變化時(shí)間快，脈沖波前時(shí)間為1

5微秒，半峰值時(shí)間為20

100微秒。風(fēng)電場(chǎng)的防雷保護(hù)（續(xù)）雷擊對(duì)風(fēng)輪機(jī)是一個(gè)重要的潛在的危害，多年前認(rèn)為，風(fēng)輪機(jī)葉片采用不導(dǎo)電的玻璃鋼（塑料）或環(huán)氧樹脂等制成，因而不需要提供直接的保護(hù)?，F(xiàn)在大量的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，雷擊會(huì)加到由這種材料做的葉片上，如果沒有安裝合適的保護(hù)系統(tǒng)，可能造成災(zāi)難性的損害。當(dāng)然如果碳纖維（它是導(dǎo)電的）被用來增強(qiáng)葉片，則需要另外的防范。雷電過電壓雷電過電壓是因雷閃而使設(shè)備承受的電壓升高的現(xiàn)象。根據(jù)形成機(jī)理的不同，可將雷電過電壓分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。直擊雷過電壓——雷閃直接擊中設(shè)備的帶電導(dǎo)體或接地金屬部分時(shí)產(chǎn)生的過電壓雷閃擊中帶電導(dǎo)體(如架空輸電線)的稱為直接雷擊，它可能使帶電導(dǎo)體對(duì)接地部分產(chǎn)生放電。雷閃擊中接地部分(如輸電線路鐵塔)時(shí)，強(qiáng)大的雷電流流經(jīng)接地部分的電阻、電感，使其由地電位升至很高的電位，有可能反過來對(duì)設(shè)備的帶電部分放電，這種雷擊稱為反擊。感應(yīng)雷過電壓——雷閃擊中設(shè)備附近地面，雷云中電荷與大地中積聚的電荷中和放電時(shí)，由于空間電磁場(chǎng)急劇變化而使設(shè)備感應(yīng)出的過電壓稱為感應(yīng)雷過電壓。主要發(fā)生在架空輸電線路上，其峰值一般不超過300

400

千伏。雷閃的危害雷閃危害來自兩個(gè)方面：雷直擊于電氣設(shè)備；雷擊輸電線路產(chǎn)生的雷擊過電壓波沿線路侵入電氣設(shè)備。雷閃對(duì)電力系統(tǒng)的危害：造成停電事故；電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣損壞；雷電對(duì)人、畜的危害來自雷電直擊或“跨步電壓”。當(dāng)雷擊中地面物體時(shí)，強(qiáng)大的雷電流使地面不同位置的電位有明顯差別，人行走時(shí)兩腿間將會(huì)有電壓作用，這就是跨步電壓。雷電危害高建筑物、通信線路、天線、飛機(jī)、船舶、油庫等的安全。雷電擊中建筑物時(shí)，會(huì)因強(qiáng)大的沖擊電動(dòng)力和局部的劇烈溫升，使建筑物破壞或引起火災(zāi)。因雷電電磁感應(yīng)而引起的金屬部件之間的火花放電，會(huì)使儲(chǔ)存易燃、易爆物品的建筑物燃燒或爆炸。雷擊過電壓防護(hù)避雷針

由接閃器、引下線和接地體組成，可保護(hù)建筑物或電力設(shè)備免遭直接雷擊。避雷器(一)管式避雷器管式避雷器包括外間隙和滅弧管。滅弧管由產(chǎn)氣材料制成，裝有內(nèi)間隙；外間隙將滅弧管與電網(wǎng)隔開。雷電過電壓使內(nèi)外間隙放電，滅弧管電弧的高溫使產(chǎn)氣材料產(chǎn)生氣體，高壓氣體從噴口噴出滅弧。(二)碳化硅避雷器碳化硅避雷器的基本元件是碳化硅閥片和火花間隙，這些元件串聯(lián)疊裝于密封瓷套內(nèi)。(三)氧化鋅避雷器氧化鋅避雷器的基本元件是氧化鋅閥片，串聯(lián)密封在瓷套內(nèi)。其他限制措施

并聯(lián)電抗器、靜止無功補(bǔ)償器限制工頻電壓升高的數(shù)值；快速繼電保護(hù)減小工頻電壓的升高及其持續(xù)時(shí)間；輸電線采用良導(dǎo)體架空地線，降低接地故障引起的工頻電壓升高。雷閃對(duì)風(fēng)力機(jī)的危害電動(dòng)力、發(fā)熱、耐壓（絕緣）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)主要考慮2個(gè)方面:機(jī)艙和葉片。機(jī)艙防雷保護(hù)是在機(jī)艙外殼后端設(shè)1個(gè)避雷針，并通過鋼質(zhì)外殼及塔筒接地。葉片雷擊保護(hù)葉片的防雷保護(hù)，主要是在葉尖兩側(cè)安裝雷電接閃器，通過葉片上的分布傳導(dǎo)系統(tǒng)，與輪轂和機(jī)體相連，機(jī)體和塔身以專用2×25ｍｍ2銅電纜相連，塔筒與接地網(wǎng)連接。發(fā)電機(jī)防雷保護(hù)發(fā)電機(jī)本身、控制器和傳感器的防雷保護(hù)是通過機(jī)組和設(shè)備裝有的壓敏電阻分別行進(jìn)保護(hù)。為防止線路入侵雷電流，電氣設(shè)備在10ｋＶ母線上裝設(shè)避雷器。為滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷的要求，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組周圍應(yīng)設(shè)置以垂直接地極為主的環(huán)行接地網(wǎng)，要求接地網(wǎng)的接地電阻不大于10Ω。2.3.3 內(nèi)部防雷(過電壓)保護(hù)對(duì)于雷擊引起的內(nèi)部過電壓，可以采取如下措施：①等電位匯接。風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)與避雷針一起接地等電位；機(jī)艙的所有組件如主軸承、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機(jī)艙主柜作為等電位；地面開關(guān)盤柜由一個(gè)封閉金屬盒，連接到地等電位。②隔離。在機(jī)艙上的處理器和地面控制器通信，采用光纖電纜連接；對(duì)處理器和傳感器，分開供電的直流電源。③安裝過電壓保護(hù)設(shè)備。在發(fā)電機(jī)、開關(guān)盤、控制器模塊電子組件、信號(hào)電纜終端等，采用避雷器或壓敏塊電阻的過電壓保護(hù)。2.3.4防雷標(biāo)準(zhǔn)及接地電阻要求雷電保護(hù)分為外部雷電保護(hù)和內(nèi)部的雷電保護(hù)。按照ＩＥＣ1024

1標(biāo)準(zhǔn)，以雷電5個(gè)重要參數(shù)，確定保護(hù)水平分Ｉ～ＩＶ級(jí)(表2.5)。風(fēng)機(jī)葉片(如ＬＭ葉片)的防雷，按照ＩＥＣ1024

1的Ⅰ級(jí)保護(hù)水平設(shè)計(jì)，并通過有關(guān)型式試驗(yàn)，葉片避免直擊雷的破壞大有改善。外部直擊雷打到葉片，將雷電引導(dǎo)入大地不難。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在離地40～50ｍ機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備，和地面控制柜設(shè)備都與雷電引下系統(tǒng)有某種相連，雷電流引起過電壓，造成這些設(shè)備的損壞是面廣而棘手問題表2.5 雷電保護(hù)水平等級(jí)閃電參數(shù)對(duì)接地電阻要求雷電流引起過電壓，取決引下系統(tǒng)和接地網(wǎng)。目前，國際風(fēng)機(jī)廠家對(duì)接地電阻值的要求很不一樣:丹麥(Ｖｅｓｔａｓ、Ｍｉｃｏｎ)允許較大，美國(Ｚｏｎｄ)和西班牙(Ｍａｄｅ)次之，德國(Ｎｏｒｄｅｘ、Ｊａ

ｃｏｂｓ)要求地電阻值最小。我國尚沒有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷和過電壓保護(hù)(包括接地電阻值)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表2.6國外廠家對(duì)風(fēng)電機(jī)地電阻的要求2.4

電氣保護(hù)電氣保護(hù)的概念電氣系統(tǒng)相互影響；電氣系統(tǒng)故障不可避免；正常與非正常；電量分析與故障識(shí)別大電流的危害：由于大電流流入接地阻抗引起的過電壓對(duì)生命的危害大電流破壞性發(fā)熱和電磁影響對(duì)設(shè)備的危害；對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的危害。網(wǎng)絡(luò)保護(hù)概念：可靠性、選擇性、快速性、靈敏性風(fēng)電場(chǎng)典型的保護(hù)配置保護(hù)分區(qū)區(qū)域D：在風(fēng)輪機(jī)塔的底部，690

V斷路器(鎧裝斷路器)用來保護(hù)下垂電纜和發(fā)電機(jī)，區(qū)域C：從風(fēng)力機(jī)變壓器到塔基柜的690

V連接電纜。保險(xiǎn)絲或斷路器做變壓器690

V側(cè)電纜保護(hù)。裸導(dǎo)體問題。區(qū)域B：11kV/690V變壓器，包括它周圍的690

V端部區(qū)域。變壓器激磁浪涌電流問題。檢測(cè)690

V端故障要充分靈敏。采用11

kV負(fù)荷開關(guān)（組合的保險(xiǎn)絲-分?jǐn)嗥鳎?/p>

11

kV側(cè)故障大的故障電流由11

kV保險(xiǎn)絲切除。低壓端的故障電流較小，保險(xiǎn)絲不能有效地切除，由分?jǐn)嚅_關(guān)切斷。有限接地故障保護(hù)，檢測(cè)從低壓繞組和端部區(qū)域到地的漏電流，區(qū)域A：11

kV電纜電路，這是常規(guī)方式保護(hù)，有動(dòng)作于11

kV

斷路器的過電流保護(hù)和接地故障保護(hù)。風(fēng)電場(chǎng)與33（35）

kV電網(wǎng)相連的保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)與33

kV電網(wǎng)相連時(shí)沒有主變壓器；33/11

kV

變壓器的保護(hù)類似于公用電網(wǎng)同容量變壓器的保護(hù)方式；33

kV

開關(guān)保險(xiǎn)絲不容易獲得，對(duì)于預(yù)期故障電流的整個(gè)范圍，難以提供33

kV/690

V變壓器的全面的保護(hù)；對(duì)于低電壓端的單機(jī)相接地故障，有效的保護(hù)是特別困難的；綜合保護(hù)？風(fēng)電場(chǎng)配電網(wǎng)配置母線主變互感器斷路器避雷器電纜接地風(fēng)電場(chǎng)線路繼電保護(hù)風(fēng)電提供的短路電流小，衰減快；保護(hù)動(dòng)作快速（＜10~），計(jì)及風(fēng)電提供的短路電流；保護(hù)動(dòng)作快速（＞10~），不計(jì)風(fēng)電提供的短路電流；考慮加方向邏輯元件；2.4.2

異步發(fā)電機(jī)孤立運(yùn)行和自勵(lì)磁固定速度的風(fēng)力機(jī)采用異步發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，沒有直接可用的勵(lì)磁系統(tǒng)。異步發(fā)電機(jī)的激磁電流來自發(fā)電機(jī)的定子，也就是需要從系統(tǒng)吸取無功功率。為了減少從電網(wǎng)提供的無功功率，通常采用機(jī)端就地配置功率因數(shù)校正電容器（power

factor

correction—PFC）。只要異步發(fā)電機(jī)連接于配電網(wǎng)，它的端電壓就被固定，PFC的作用只是減少從網(wǎng)絡(luò)中吸取無功功率。一旦異步發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列后孤立運(yùn)行，則有可能引起異步發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁（self-excitation），導(dǎo)致高的過電壓。異步發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列后，失去了負(fù)荷，就要加速。發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的增加，因此頻率升高，增加了自勵(lì)磁的可能性。有許多關(guān)于連接于配電網(wǎng)的風(fēng)力機(jī)變成孤島和過電壓對(duì)用戶設(shè)備危害的報(bào)告。異步發(fā)電機(jī)與功率因數(shù)校正電容器等效電路異步發(fā)電機(jī)和功率因數(shù)校正電容器的等效電路，但沒有連接到網(wǎng)絡(luò)（與網(wǎng)絡(luò)解列，成為孤島）。在正常運(yùn)行速度和頻率時(shí)，異步發(fā)電機(jī)滑差(s)是很小的，因此轉(zhuǎn)子支路的電阻是很大的，作為最初的近似，可以認(rèn)為開路。因?yàn)槎ㄗ幼杩?Rs+jXs)比激磁電抗jXm小得多，所以等效電路簡化成PFC和激磁電抗的簡單并聯(lián)，這是LC并聯(lián)電路，但在這種情況下，由于激磁飽和，Xm是電壓的非線性函數(shù)。圖2-11

兩個(gè)頻率下自勵(lì)磁的說明IC-電容器中電流，Im-異步發(fā)電機(jī)激磁電抗中電流能量從風(fēng)力機(jī)加到這個(gè)電路中，一種因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子加速可能發(fā)生的電壓的指示可以通過考慮電容器和電感器電壓相交來獲得，因?yàn)樵谶@個(gè)簡化模型中的每個(gè)元件的電流是相等的。如圖2-11所示，點(diǎn)X表示頻率f1，譬如說50

Hz下的自勵(lì)磁電壓，而點(diǎn)Y為頻率增加到f2，譬如說55

Hz

的自勵(lì)磁電壓。自勵(lì)磁可以通過限制PFC的電容(包括任何配電網(wǎng)的電容)到在任何可信的頻率范圍（在過速期間可能會(huì)遇到的）都不會(huì)導(dǎo)致諧振條件。另外，這種諧振條件的可能性必須認(rèn)識(shí)到，如果發(fā)生孤島，就安排快速動(dòng)作的過電壓和過頻率保護(hù)來停止風(fēng)力機(jī)。2.4.3

界面保護(hù)需要一種保護(hù)，能保證風(fēng)電場(chǎng)不向配電網(wǎng)絡(luò)故障提供故障電流或不向網(wǎng)絡(luò)孤立部分供電。斷路器A打開：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)上的故障，困難的是風(fēng)力機(jī)不是一個(gè)可靠的故障電流源，因此斷路器B不能由過電流保護(hù)來跳閘，網(wǎng)絡(luò)的基于電流動(dòng)作的保護(hù)被用來打開斷路器A，這樣風(fēng)力機(jī)被隔離，風(fēng)力機(jī)還存在機(jī)械輸入加速，但不再輸出功率到網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)加速如故障發(fā)生一樣快，因?yàn)樵跀嗦菲鰽跳閘前，因故障降低了網(wǎng)絡(luò)電壓，制約了電功率輸出斷路器B打開：由檢測(cè)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)速度增加的過頻率繼電器或由檢測(cè)與網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)的電壓的低/過—電壓繼電器失去電壓變化的監(jiān)控而打開。過/低—頻率繼電器和過/低—電壓繼電器有一個(gè)時(shí)間延滯，例如500

ms，以減少誤動(dòng)作在大風(fēng)中，風(fēng)力機(jī)按機(jī)械過速保護(hù)而停運(yùn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)被解裂成孤島問題發(fā)電機(jī)被隔離后，利用電壓和頻率靈敏的繼電器動(dòng)作的順序跳閘，在常規(guī)電力系統(tǒng)保護(hù)中并不認(rèn)為是好的習(xí)慣。然而由于異步發(fā)電機(jī)或電壓源換流器的應(yīng)用，選擇余地很少，這種安排在風(fēng)電場(chǎng)通常是公認(rèn)的。斷路器B不打開：孤立運(yùn)行的問題是有可能風(fēng)力機(jī)的輸出（就有功和無功功率而言）正好和當(dāng)?shù)刎?fù)荷相匹配。在這種情況下，即使斷路器A打開，風(fēng)力機(jī)的電壓和頻率也不改變，因此斷路器B不會(huì)打開。許多配電公司對(duì)可能的孤立運(yùn)行很敏感，這有多方面原因：用戶可能得到的供電的電壓和頻率越限；網(wǎng)絡(luò)部分有可能沒有合適的中性點(diǎn)接地運(yùn)行；與非同相重合有關(guān)的危險(xiǎn)；工作人員操作配電網(wǎng)絡(luò)的潛在危險(xiǎn)；非同相重合閘重合閘概念配電電路有自動(dòng)重合閘，使得暫態(tài)故障，特別是在架空線路上的故障能切除而不延長對(duì)用戶的停電。從風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員的觀點(diǎn)看，風(fēng)電場(chǎng)成孤島后，主要的危險(xiǎn)是在非同相重合閘方面。含風(fēng)電場(chǎng)后，斷路器A可安排在打開后幾秒鐘實(shí)行重合。如果斷路器B仍在合閘位置，那么因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)電壓加在非同相的風(fēng)力機(jī)上，將發(fā)生很大的電流和轉(zhuǎn)矩。單相接地問題單相接地故障。這種類型故障在架空線上是很普通的。風(fēng)力機(jī)變壓器（例如33/0:69

kV）在高壓側(cè)有一個(gè)三角形繞組接線，沒有中性點(diǎn)接地，這樣就沒有地電流可以流通的路徑，不能確定單相接地故障的發(fā)生。事實(shí)上某些雜散的電容性電流將會(huì)流過，但它不足以使常規(guī)接地保護(hù)動(dòng)作，而可能導(dǎo)致間歇性電弧。解決辦法：利用中點(diǎn)電壓偏移繼電器去檢測(cè)接地電路一相的電壓，因?yàn)橹行渣c(diǎn)被移位了。這種方案的缺點(diǎn)是它的費(fèi)用，因?yàn)楦邏簜?cè)電路需要一臺(tái)復(fù)雜的（五鐵芯柱）互感器，可用于大的風(fēng)電場(chǎng)，小風(fēng)電場(chǎng)不太經(jīng)濟(jì)。界面保護(hù)有待進(jìn)一步研究分界面的保護(hù)不同國家有很大變化(CIGRE,

1998,

CIRED,

1999)。有些國家喜歡用轉(zhuǎn)移跳閘，當(dāng)上游公共斷路器打開的時(shí)候，這個(gè)動(dòng)作通知到風(fēng)電場(chǎng)斷路器，然后它就立即打開。雖然這提供了一個(gè)防備孤立運(yùn)行的保證，但要實(shí)現(xiàn)如需要與許多遠(yuǎn)方斷路器通信通道可能是很昂貴的。荷蘭所有的配電系統(tǒng)都是在地下的，所以自動(dòng)重合閘不用來在架空線路瞬時(shí)故障后重合電路，對(duì)于失去主保護(hù)也沒有要求。在德國，正序低電壓繼電器廣泛應(yīng)用，似乎在檢測(cè)孤島運(yùn)行方面是有效的。隨著時(shí)間的推移，實(shí)踐將會(huì)趨于一致，但在目前，許多國家仍將有很大不同。2.5

風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)電能生產(chǎn)的一大特點(diǎn)是電能不能大規(guī)模儲(chǔ)存。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能裝備是電力和電器行業(yè)中備受關(guān)注但尚未解決的難題之一。電力系統(tǒng)對(duì)用戶的電能供應(yīng)必須時(shí)刻處于平衡狀態(tài)下，用戶需要多少電力，電廠和電網(wǎng)就得供給多少電力，既不能多，也不能少，一旦這個(gè)平衡遭到破壞，輕則電能質(zhì)量惡化，造成頻率和電壓越限，重則引發(fā)大規(guī)模停電事故，這給電力生產(chǎn)和調(diào)度帶來很大困難和壓力。大規(guī)模儲(chǔ)存電能可以解決電力生產(chǎn)中的峰谷差的難題；提高電力系統(tǒng)供電的可靠性，避免突然停電帶來的麻煩和損失；儲(chǔ)能裝置可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在電力系統(tǒng)遇到大的擾動(dòng)時(shí)，避免系統(tǒng)失穩(wěn)；儲(chǔ)能裝置是風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電或熱發(fā)電等可再生不穩(wěn)定能源發(fā)電設(shè)備中必不可少的裝備，有了儲(chǔ)能裝置的配合，這些不穩(wěn)定的發(fā)電設(shè)備才有可能向用戶穩(wěn)定地供電。儲(chǔ)能原理和在風(fēng)電中作用儲(chǔ)能技術(shù)遵循能量轉(zhuǎn)換原理，其主要的能量轉(zhuǎn)換方式有：①化學(xué)儲(chǔ)能—蓄電池、合成燃料、化學(xué)蓄熱；②電磁儲(chǔ)能—超導(dǎo)儲(chǔ)磁場(chǎng)能、電容器儲(chǔ)電場(chǎng)能；③機(jī)械（力學(xué)）儲(chǔ)能—飛輪、抽水蓄能電站、彈簧、壓縮空氣；④熱儲(chǔ)能—顯熱蓄熱、潛熱蓄熱。儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的作用有兩個(gè)方面：——對(duì)系統(tǒng)起穩(wěn)定作用。風(fēng)力發(fā)電提供平均負(fù)荷，儲(chǔ)能裝置提供短時(shí)峰荷，使風(fēng)電能平穩(wěn)輸出。——是在風(fēng)電不能正常工作時(shí)起過渡作用。目前應(yīng)用和研究的儲(chǔ)能技術(shù)主要是：①抽水蓄能；②飛輪儲(chǔ)能；③可充電電池儲(chǔ)能；④電磁場(chǎng)儲(chǔ)能；⑤壓縮空氣儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能①抽水蓄能抽水儲(chǔ)能電站是當(dāng)前唯一能大規(guī)模解決電力系統(tǒng)峰谷困難的一種途徑。它需要高低兩個(gè)水庫，并安裝能雙向運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)水泵機(jī)組即水輪發(fā)電機(jī)組。當(dāng)電力系統(tǒng)處于谷值負(fù)荷時(shí)讓電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵把低水庫的水通過管道抽到高水庫以消耗一部分電能。當(dāng)峰值負(fù)荷來臨時(shí)，高水庫的水通過管道使水泵和電動(dòng)機(jī)逆向運(yùn)轉(zhuǎn)而變成水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)出電能供給用戶，由此起到削峰填谷的作用。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)上成熟可靠，其容量可以做得很大，僅受到水庫庫容的限制。缺點(diǎn)首先是建造受到地理?xiàng)l件的限制，必須有合適的高低兩個(gè)水庫。另外，在抽水和發(fā)電兩個(gè)過程中都有相當(dāng)數(shù)量的能量是損失掉的。還有一個(gè)缺點(diǎn)是這種抽水儲(chǔ)能電站受地理?xiàng)l件限制，一般都遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，不但有輸電損耗，而且當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)重大事故而不能工作時(shí)，它也將失去作用。②飛輪儲(chǔ)能這種大規(guī)模儲(chǔ)能實(shí)際上是一種較為古老的技術(shù)?；舅枷胧牵诠戎地?fù)荷時(shí)，將多余電力輸入電機(jī)，使其