風(fēng)電場的電氣系統(tǒng)課件

1、第二講 風(fēng)電場的電氣系統(tǒng)概述2.1 集電系統(tǒng)2.2風(fēng)電場的接地的系統(tǒng) 2.3風(fēng)電場的防雷保護2.4電氣保護 2.4.1 風(fēng)電場和發(fā)電機保護 2.4.2 異步發(fā)電機的孤立運行和自勵磁 2.4.3 分界面保護 1概述中型或大型風(fēng)力發(fā)電機(幾百千瓦到幾兆瓦)主要是采用并網(wǎng)運行方式，好處：與公共電網(wǎng)互補、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)濟地把電能送入系統(tǒng)風(fēng)電場內(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)電場內(nèi)的電氣接線特殊點 容量、設(shè)備、分布性、廠用負荷及地區(qū)負荷、2電纜與架空線在風(fēng)場內(nèi)，風(fēng)機與變電所之間的連接有兩種方式：場地布置相對集中時用電纜直埋；場地布置相

2、對分散時用架空10kV線路。 考慮：經(jīng)濟性、景觀架空線（絕緣架空線）電纜（直流電纜、交流電纜）3海上風(fēng)電場電氣接線一例4電纜特性：電阻與面積、距離；充電電流與面積、距離5海上風(fēng)電用電纜傳輸?shù)谋容^：HVDC、VSC、交流6風(fēng)電場電壓等級從發(fā)電機到塔基的主電路的電壓等級一般低于1000 V，國際上選的一種標(biāo)準(zhǔn)電壓是線電壓690 V。 好處：方便和有成本-效益，發(fā)電機成本低； 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)力機組工作在690 V需要超過500A的電流。 聯(lián)網(wǎng)送電需要升壓變壓器（位于塔中或鄰近塔）風(fēng)電場集電系統(tǒng)的中壓（MV）電平的選擇通常由當(dāng)?shù)?/p>

3、配電公司的經(jīng)驗確定。這樣電纜和開關(guān)設(shè)備都比較容易獲得。 一般選擇在10 kV至35 kV之間，可以是10 kV, 20 kV和35 kV 等。72.1 集電系統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機電氣系統(tǒng)簡圖8風(fēng)電機9主要電氣設(shè)備發(fā)電機，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過流保護，有延滯（熱）功能的過電流保護雙向晶閘管軟起動單元，通常具有一個旁路電流接觸器，被用來減小在發(fā)電機接通時的浪涌電流功率因數(shù)校正電容器(PFC)電路，分級投切，+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（

4、風(fēng)輪機控制器、保護等用）保護保險絲額定電流較小。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10風(fēng)電機與變壓器的連接 風(fēng)電機大小電流引起的損耗大小額外的電壓變化風(fēng)電機位置靠得遠近11多臺風(fēng)機的連接風(fēng)電場內(nèi)部接線形式之一 12大型風(fēng)電場風(fēng)機布局（海上、海岸）風(fēng)電場風(fēng)機布局圖(5MW風(fēng)機)風(fēng)13海上風(fēng)電場一例141152.1 風(fēng)電場的接地的系統(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)電場的接地的系統(tǒng)162.2.1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：

5、 1）導(dǎo)電性的土壤，具有等電位，且任意點的電位可以看成零電位 2）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 3）電路中相對于地具有零電位的位置或部分 4）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。17(3)接地的分類保護性接地和功能性接地保護性接地 為了系統(tǒng)與設(shè)備運行安全而采取的接地措施，有以下幾類：1)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，使平時不帶電的外露導(dǎo)電部分帶電而導(dǎo)致電擊而將設(shè)備的外露導(dǎo)電部

6、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，有利于電流保護裝置動作而切斷電源。2)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3)防靜電接地：將靜電荷引入大地，防止由于靜電積聚對人體和設(shè)備造成危害。4)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)備正常運行或者提供電流回路而采取的接地措施，有以下幾類：1)工作接地：為了保證電力系統(tǒng)運行，防止系統(tǒng)震蕩。保證繼電保護的可靠性，在交直流電力系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)胤竭M行接地，交流一般為中性點，直流一般為中點。2)邏輯接地：為了確保穩(wěn)定的參考電位

7、，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接地統(tǒng)稱為直流地3)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4)信號接地：為保證信號具有穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位而設(shè)置的接地18(4)接地的作用1)防止人和動物遭受電擊 電擊所產(chǎn)生的電擊電流會對人體造成傷害甚至導(dǎo)致死亡，所以必須采取防護措施。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制件作良好的金屬連接，可以保護人體的安全。2)保障電氣系統(tǒng)的正常運行 采用中性點接地的方式，中性點與地間的電位接近于零。如果中性點不接地，那么當(dāng)相線與外殼或者地接觸時，其他

8、兩相對地電壓會升高為相電壓的 倍，絕緣水平要求更高。采用中性點接地可以降低設(shè)備的制造成本和建設(shè)費用，提高繼電保護的可靠性。3)防止雷擊和靜電的危害采取適當(dāng)?shù)慕拥胤绞?，使對人和動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，從而滿足保護動作要求。5）改善雷電保護，使電壓保持在可接受的范圍內(nèi) 192.2.2 配電網(wǎng)接地方式選擇配電網(wǎng)中性點接地方式的選擇涉及到配電網(wǎng)的絕緣水平、安全性、經(jīng)濟性、供電的可靠性。 20配電網(wǎng)接地方式(1)中性點直接接地方式 單相接地時，通過接地中性點形成單相短路，很大的零序電流，根據(jù)零序分量的特點可構(gòu)成保護，保護動作后跳閘。 不對稱短路引起的工頻電壓升高較小，

9、操作過電壓較低，對系統(tǒng)絕緣水平的要求相對較低。(2)中性點不接地方式 當(dāng)系統(tǒng)對稱運行時，電源中性點與負載中性點電壓為零。 單相接地故障時，故障點相對于地的電壓為零，非故障相的相電壓升高到 倍，等于線電壓，此時線電壓仍保持對稱不變，對用戶供電無影響。 當(dāng)各相對地電容不相等時，即使在正常運行狀態(tài)，系統(tǒng)的中性點的對地電位將發(fā)生偏移。中性點不接地系統(tǒng)要求的絕緣水平較高，各種操作過電壓較高。中性點不接地系統(tǒng)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，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。21配電網(wǎng)接地方式(3)中性點經(jīng)消弧線圈接地消弧線圈是一個具有鐵心的可調(diào)

10、電感線圈，安裝在變壓器的中性點。單相接地時，消弧線圈產(chǎn)生電感電流，補償接地點的電容電流，使較大的接地電流容易熄滅。自動跟蹤補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，接地點電容電流的變化會傳到消弧線圈自動跟蹤調(diào)節(jié)控制器上，調(diào)節(jié)控制器可測量出電網(wǎng)的脫諧度，并控制調(diào)節(jié)消弧線圈的直流勵磁，從而改變消弧線圈的電感量進而改變消弧線圈中的電流。(4)電阻接地方式 中性點經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)，相當(dāng)于在零序阻抗上并聯(lián)一個電阻R，該電阻與系統(tǒng)對地電容構(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，中性點出現(xiàn)電壓，能迅速

11、切除故障，可降低設(shè)備絕緣水平。繼電保護可方便地監(jiān)測接地的故障線路。222.2.3 風(fēng)電場的接地的系統(tǒng)風(fēng)電場接地系統(tǒng)特點: 風(fēng)電場延伸至幾公里范圍 現(xiàn)代風(fēng)力機的高度使它們易遭受雷擊 它們有的位于山頂?shù)母咦栊缘鼗?3風(fēng)電場接地系統(tǒng)方案Rturbine風(fēng)力機接地電阻；Rshunt風(fēng)力機就地接地網(wǎng)（環(huán)）；R series風(fēng)力機之間接地線串聯(lián)電阻；Lseries串聯(lián)電感；對于雷擊在風(fēng)力機上的高頻分量，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) 24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)：連接一個接

12、一個風(fēng)輪機的水平電極接地電阻（阻抗）：風(fēng)電場一般要求小于10 25兩個風(fēng)電場接地阻抗實測結(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），對系統(tǒng)的設(shè)計和檢驗有重要意義。水平接地導(dǎo)體長，不可能用常規(guī)的計算方法（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262.3 風(fēng)電場的防雷保護雷擊是非常復(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1s。閃光的各個部分叫雷“擊”。雷閃通常分成4種主要類型： 起初向下，負的和正的極性； 起初向上，負的和正的極性。通常由帶電雷云引起，負電荷雷

13、云傳遞負電荷到地(起初向下負極性) 是最普遍的。向下的負閃電典型的是由高幅值的電流脈沖組成的，持續(xù)時間幾個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。27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，就會發(fā)生放電，電荷迅速中和。放電會產(chǎn)生強烈的光和熱，通道溫度高達15 00020 000度，使空氣急劇膨脹、震動，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，進入稀薄的大氣層時冷凝成云。當(dāng)強烈的上升氣流穿過云層時，水滴因碰撞而電離。微細的水末帶負電，上升形成帶負電的雷云；大滴水

14、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)雷云帶負電，并在地面感應(yīng)出大量正電荷。在帶有大量異號電荷或不等數(shù)量電荷的雷云間或雷云與大地間，會出現(xiàn)高達數(shù)十至數(shù)百兆伏的電位差。隨著雷云的發(fā)展，一旦空間電場強度超過大氣電離的臨界電場強度(空氣中約30千伏每厘米，有水滴時約10千伏每厘米)時，強烈的大氣放電就發(fā)生了。28雷電特性對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現(xiàn)象，表征其特性的參數(shù)具有隨機性。 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烈程度， 用雷電流脈沖的

15、波前時間、半峰值時間脈沖從零開始升到峰值再降至半峰值的時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2040日，長江以南4080日，華南80日以上，海南島達100130日。我國的地面落雷密度為0.015。雷閃放電中，7590%為負極性。雷閃脈沖電流的峰值高，12%的雷電流超過100千安，最高可達二三百千安。雷電流的變化時間快，脈沖波前時間為15微秒，半峰值時間為20100微秒。29 風(fēng)電場的防雷保護（續(xù)）雷擊對風(fēng)輪機是一個重要的潛在的危害，多年前認為，風(fēng)輪機葉片采用不導(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?，F(xiàn)在大量的現(xiàn)場經(jīng)驗表明

16、，雷擊會加到由這種材料做的葉片上，如果沒有安裝合適的保護系統(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）被用來增強葉片，則需要另外的防范。30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，強大的雷電流流經(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

17、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，由于空間電磁場急劇變化而使設(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300400 千伏。31雷閃的危害雷閃危害來自兩個方面：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，強大的雷電流使地面不同位置的電位有明顯差別，人行走時兩腿間將會有電壓作用，這就是跨步電壓。雷電危害高建筑物、通信線路、天線、飛機、船舶、油庫等的安全。雷電擊中建筑物時，會因強大的沖擊電動力和

18、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，會使儲存易燃、易爆物品的建筑物燃燒或爆炸。32雷擊過電壓防護避雷針 由接閃器、引下線和接地體組成，可保護建筑物或電力設(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

19、制措施 并聯(lián)電抗器、靜止無功補償器限制工頻電壓升高的數(shù)值；快速繼電保護減小工頻電壓的升高及其持續(xù)時間；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。33雷閃對風(fēng)力機的危害電動力、發(fā)熱、耐壓（絕緣）34風(fēng)力發(fā)電機組防雷保護風(fēng)力發(fā)電機組防雷保護主要考慮2個方面:機艙和葉片。 機艙防雷保護是在機艙外殼后端設(shè)1個避雷針，并通過鋼質(zhì)外殼及塔筒接地。35葉片雷擊保護葉片的防雷保護，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)，與輪轂和機體相連，機體和塔身以專用2252銅電纜相連，塔筒與接地網(wǎng)連接。36發(fā)電機防雷保護發(fā)電機本身、控制器和傳感器的防雷保護是通過機組和設(shè)備裝有的壓敏電阻分

20、別行進保護。為防止線路入侵雷電流，電氣設(shè)備在10母線上裝設(shè)避雷器。為滿足風(fēng)力發(fā)電機組防雷的要求，在風(fēng)力發(fā)電機組周圍應(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10。372.3.3 內(nèi)部防雷(過電壓)保護對于雷擊引起的內(nèi)部過電壓，可以采取如下措施：等電位匯接。風(fēng)速計和風(fēng)標(biāo)與避雷針一起接地等電位；機艙的所有組件如主軸承、發(fā)電機、齒輪箱、液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機艙主柜作為等電位；地面開關(guān)盤柜由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。隔離。在機艙上的處理器和地面控制器通信，采用光纖電纜連接；對處理器和傳感器，分開供電的直流電源。安裝過電壓保護設(shè)備。在發(fā)電機、開關(guān)盤、控制器模塊電子

21、組件、信號電纜終端等，采用避雷器或壓敏塊電阻的過電壓保護。382.3.4防雷標(biāo)準(zhǔn)及接地電阻要求雷電保護分為外部雷電保護和內(nèi)部的雷電保護。按照1024 1標(biāo)準(zhǔn)，以雷電5個重要參數(shù)，確定保護水平分級(表2.5)。風(fēng)機葉片(如葉片)的防雷，按照1024 1的級保護水平設(shè)計，并通過有關(guān)型式試驗，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)電機組在離地4050機艙內(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雷電保護水平等級閃電參數(shù)39對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)

22、機廠家對接地電阻值的要求很不一樣:丹麥(、)允許較大，美國()和西班牙()次之，德國(、 )要求地電阻值最小。我國尚沒有風(fēng)力發(fā)電機組防雷和過電壓保護(包括接地電阻值)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表2.6 國外廠家對風(fēng)電機地電阻的要求402.4 電氣保護電氣保護的概念電氣系統(tǒng)相互影響；電氣系統(tǒng)故障不可避免；正常與非正常；電量分析與故障識別大電流的危害：(1)由于大電流流入接地阻抗引起的過電壓對生命的危害(2) 大電流破壞性發(fā)熱和電磁影響對設(shè)備的危害；(3)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的危害。41網(wǎng)絡(luò)保護概念：可靠性、選擇性、快速性、靈敏性42風(fēng)電場典型的保護配置43保護分區(qū)區(qū)域D：在風(fēng)輪機塔的底部，690 V斷路器(鎧裝斷路

23、器)用來保護下垂電纜和發(fā)電機，區(qū)域C：從風(fēng)力機變壓器到塔基柜的690 V連接電纜。保險絲或斷路器做變壓器690 V側(cè)電纜保護。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690 V端故障要充分靈敏。采用11 kV負荷開關(guān)（組合的保險絲-分斷器）， 11 kV側(cè)故障大的故障電流由11 kV保險絲切除。低壓端的故障電流較小，保險絲不能有效地切除，由分斷開關(guān)切斷。 有限接地故障保護，檢測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，有動作于11 kV 斷路器的過電流保護和接地故障保護。44風(fēng)電場與33（3

24、5） kV電網(wǎng)相連的保護 風(fēng)電場與33 kV電網(wǎng)相連時沒有主變壓器；33/11 kV 變壓器的保護類似于公用電網(wǎng)同容量變壓器的保護方式；33 kV 開關(guān)保險絲不容易獲得，對于預(yù)期故障電流的整個范圍，難以提供33 kV/690 V變壓器的全面的保護；對于低電壓端的單機相接地故障，有效的保護是特別困難的；綜合保護？45風(fēng)電場配電網(wǎng)配置母線主變互感器斷路器避雷器電纜接地46風(fēng)電場線路繼電保護風(fēng)電提供的短路電流小，衰減快；保護動作快速（10），計及風(fēng)電提供的短路電流；保護動作快速（10），不計風(fēng)電提供的短路電流；考慮加方向邏輯元件；472.4.2 異步發(fā)電機孤立運行和自勵磁固定速度的風(fēng)力機采用異步發(fā)電

25、機發(fā)電時，沒有直接可用的勵磁系統(tǒng)。異步發(fā)電機的激磁電流來自發(fā)電機的定子，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，通常采用機端就地配置功率因數(shù)校正電容器（power factor correctionPFC）。只要異步發(fā)電機連接于配電網(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)電機與系統(tǒng)解列后孤立運行，則有可能引起異步發(fā)電機自勵磁（self-excitation），導(dǎo)致高的過電壓。異步發(fā)電機從電網(wǎng)解列后，失去了負荷，就要加速。發(fā)電機旋轉(zhuǎn)速度的增加，因此頻率升高，增加了自勵磁的可能性。有許多關(guān)于連接于配電網(wǎng)的風(fēng)力機變成孤島和過電壓對用戶設(shè)備危害的

26、報告。48異步發(fā)電機與功率因數(shù)校正電容器等效電路異步發(fā)電機和功率因數(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）。在正常運行速度和頻率時，異步發(fā)電機滑差(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，可以認為開路。因為定子阻抗(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)。49圖2-11 兩個頻率下自勵磁的說明 IC-電容器中電流，Im-異步發(fā)電機激磁電抗中電流能量從風(fēng)力機加到這個電路中，一種因為風(fēng)力機轉(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

27、電壓相交來獲得，因為在這個簡化模型中的每個元件的電流是相等的。如圖2-11所示，點X表示頻率f1，譬如說50 Hz下的自勵磁電壓，而點Y為頻率增加到f2，譬如說55 Hz 的自勵磁電壓。自勵磁可以通過限制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（在過速期間可能會遇到的）都不會導(dǎo)致諧振條件。另外，這種諧振條件的可能性必須認識到，如果發(fā)生孤島，就安排快速動作的過電壓和過頻率保護來停止風(fēng)力機。502.4.3 界面保護需要一種保護，能保證風(fēng)電場不向配電網(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：對于網(wǎng)絡(luò)上的故障，困難的是風(fēng)力機不是一個可靠的故障電流源，因此斷路器B不能由

28、過電流保護來跳閘，網(wǎng)絡(luò)的基于電流動作的保護被用來打開斷路器A，這樣風(fēng)力機被隔離，風(fēng)力機還存在機械輸入加速，但不再輸出功率到網(wǎng)絡(luò)。這個加速如故障發(fā)生一樣快，因為在斷路器A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：由檢測風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)速度增加的過頻率繼電器或由檢測與網(wǎng)絡(luò)連接點的電壓的低/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時間延滯，例如500 ms，以減少誤動作在大風(fēng)中，風(fēng)力機按機械過速保護而停運。51風(fēng)力發(fā)電機被解裂成孤島問題發(fā)電機被隔離后，利用電壓和頻率靈敏的繼電器動作的順序跳閘，在常規(guī)電力系統(tǒng)保護中并不認為是好的習(xí)慣。然而由于異步發(fā)電機

29、或電壓源換流器的應(yīng)用，選擇余地很少，這種安排在風(fēng)電場通常是公認的。斷路器B不打開：孤立運行的問題是有可能風(fēng)力機的輸出（就有功和無功功率而言）正好和當(dāng)?shù)刎摵上嗥ヅ洹Ｔ谶@種情況下，即使斷路器A打開，風(fēng)力機的電壓和頻率也不改變，因此斷路器B不會打開。許多配電公司對可能的孤立運行很敏感，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接地運行； 與非同相重合有關(guān)的危險； 工作人員操作配電網(wǎng)絡(luò)的潛在危險；52非同相重合閘重合閘概念配電電路有自動重合閘，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用戶的停電。從風(fēng)電場運行人員的觀點看，風(fēng)電場成孤島后，主要的危

30、險是在非同相重合閘方面。含風(fēng)電場后，斷路器A可安排在打開后幾秒鐘實行重合。如果斷路器B仍在合閘位置，那么因為網(wǎng)絡(luò)電壓加在非同相的風(fēng)力機上，將發(fā)生很大的電流和轉(zhuǎn)矩。 53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)力機變壓器（例如33/0:69 kV）在高壓側(cè)有一個三角形繞組接線，沒有中性點接地，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。事實上某些雜散的電容性電流將會流過，但它不足以使常規(guī)接地保護動作，而可能導(dǎo)致間歇性電弧。解決辦法：利用中點電壓偏移繼電器去檢測接地電路一相的電壓，因為中性點被移位了。這種方案的缺點是它的費用，因為高壓側(cè)電路需要一臺復(fù)雜的（五鐵

31、芯柱）互感器，可用于大的風(fēng)電場，小風(fēng)電場不太經(jīng)濟。54界面保護有待進一步研究分界面的保護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候，這個動作通知到風(fēng)電場斷路器，然后它就立即打開。雖然這提供了一個防備孤立運行的保證，但要實現(xiàn)如需要與許多遠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，所以自動重合閘不用來在架空線路瞬時故障后重合電路，對于失去主保護也沒有要求。在德國，正序低電壓繼電器廣泛應(yīng)用，似乎在檢測孤島運行方面是有效的。隨著時間的推移，實踐將會趨于一致，但在目前，許多國家仍將有很大不同。 552.

32、5 風(fēng)電場的儲能技術(shù)電能生產(chǎn)的一大特點是電能不能大規(guī)模儲存。大規(guī)模儲能技術(shù)和儲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)對用戶的電能供應(yīng)必須時刻處于平衡狀態(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)遇到大的擾動時，避免系統(tǒng)失穩(wěn)；儲能裝置是風(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

33、源發(fā)電設(shè)備中必不可少的裝備，有了儲能裝置的配合，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。 56儲能原理和在風(fēng)電中作用儲能技術(shù)遵循能量轉(zhuǎn)換原理，其主要的能量轉(zhuǎn)換方式有：化學(xué)儲能蓄電池、合成燃料、化學(xué)蓄熱；電磁儲能超導(dǎo)儲磁場能、電容器儲電場能；機械（力學(xué)）儲能飛輪、抽水蓄能電站、彈簧、壓縮空氣；熱儲能顯熱蓄熱、潛熱蓄熱。儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的作用有兩個方面：對系統(tǒng)起穩(wěn)定作用。風(fēng)力發(fā)電提供平均負荷，儲能裝置提供短時峰荷，使風(fēng)電能平穩(wěn)輸出。是在風(fēng)電不能正常工作時起過渡作用。目前應(yīng)用和研究的儲能技術(shù)主要是：抽水蓄能；飛輪儲能；可充電電池儲能；電磁場儲能；壓縮空氣儲能和氫儲能57抽水蓄能抽水儲能電站

34、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。它需要高低兩個水庫，并安裝能雙向運轉(zhuǎn)的電動水泵機組即水輪發(fā)電機組。當(dāng)電力系統(tǒng)處于谷值負荷時讓電動機帶動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)峰值負荷來臨時，高水庫的水通過管道使水泵和電動機逆向運轉(zhuǎn)而變成水輪機和發(fā)電機發(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。缺點首先是建造受到地理條件的限制，必須有合適的高低兩個水庫。另外，在抽水和發(fā)電兩個過程中都有相當(dāng)數(shù)量的能量是損失掉的。還有一個缺點是這種抽水儲能電站受地理條件限制，一般都遠離負荷中心，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，它也將失去作用。58飛輪儲能這種大規(guī)模儲能實際上是一種較為古老的技術(shù)?；舅枷胧牵诠戎地摵蓵r，將多余電力輸入電機，使其驅(qū)動飛輪加速，這大概需要幾個小時，例如從午夜到清晨。然后飛輪保持在高速下轉(zhuǎn)動，到出現(xiàn)峰值負荷時，讓飛輪驅(qū)動電機作為發(fā)電機運行，使飛輪的動能變成電能供給電網(wǎng)。在這一過程中飛輪轉(zhuǎn)速下降，直到它的最高轉(zhuǎn)速