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风力发电场主变压器选择及优化设计
摘要:近年来,社会进步迅速,我国的风电场建设的发展也有了很大的改善。
随着陆上风电“平价时代”的到来,如何降低风电场投资成本、提高风电场发电
量和整体收益率,成为风电项目投资领域关注的焦点。影响风点项目投资收益的
因素较多,主设备选型、设备集成方案、设计方案、安装工艺及弃风限电等都会
对投资收益产生影响。
关键词:风力发电场;主变压器选择;优化设计
引言
随着“碳达峰”“碳中和”目标的提出,绿色可再生新能源的关注度再次高
涨,随之而来的风力发电在可再生新能源中的占比持续增加。在风力发电过程中,
供电变压器需要将风电机组出口侧690V的电能转换为400V的电能,为风力机组
电控系统提供配电。新能源场址较为偏僻,自然环境恶劣,机组部件故障率高,
会产生高的运维费用,因此,要求风机部件的可靠性高,故障率低,使用长寿命
设计。供电变压器的安全可靠及长寿命的设计,可以满足风电场高温、高湿和盐
雾等恶劣环境的运行要求。
1风电场内部分散式控制模式
传统集中式控制仍是目前风电场采用的主流控制方式,它是由风电场总站控
制器接收每一台风机的状态信息,然后对这些信息进行计算处理,再将按照一定
原则计算得到的功率参考值下发至各个风机。集中式控制下的风电场总站可以看
作是一个受约束的多输入多输出系统,总站控制器的计算相对比较复杂;此外,
风电场总站控制器与风机的远距离通信建设成本较高。随风电场的规模增大,对
总站控制器的计算及通讯可靠性要求也在提高。分散式控制的模式极大地减轻了
风电场总控制器的计算量和通信负担。在分散式控制中,风电场集电网络中的每
个机组节点(控制器)都有自己的局部目标函数和局部约束,每个机组控制器解
决局部优化问题。分散控制是迭代求解的,而所有局部最优最终会收敛到全局最
优值。风电场的控制是分散式的,而控制目标可以达到风电场整体的最优。即各
控制器通过分散式算法进行功率参考值求解,迭代计算结果可以使各风电机组的
运行状态收敛到最优,从而满足风电场整体控制目标。分散式控制下,参与计算
的控制器规模增大,但总体计算量没有增加;当前控制器芯片计算能力的提高及
通讯能力的进步也将满足对各机组控制器的控制性能的要求。假设风电场无功补
偿装置能够协调运行,若风电机组发出的无功功率之和不满足上级电网的无功需
求指令,无功缺额则再由风电场无功补偿装置提供。分散式控制的灵活性和鲁棒
性均强于集中式控制,并且能在降低通信成本的同时保证较好的控制性能。
2考虑实际运行工况供电变压器寿命损失
将风电场风机实际运行工况分为:大风工况-变桨和偏航需要长期动作;小
风工况-变桨和偏航不需要动作;低温工况-散热系统关闭,加热系统开启;高温
工况-加热系统关闭,散热系统开启;最恶劣工况-机组环境温度高,风速大且风
向变化快,变桨、偏航和散热均起动。机组供电变压器容量暂定200kV·A,通过
统计机组在各种工况下的自耗电需求,取额定时间常数为0.5h,设每种变化的供
电变压器初始负载率都为额定负载率,对过载工况进行过程计算,轻载工况时认
为寿命损失是瞬变的。变压器设计为F级绝缘,考虑5℃的裕度,热点温度极限
为175℃(448K),受限于采样频率,认为若设备达到了极限温升,则温升不再
变化,直到下一个工作状态。
3优化措施分析
3.1主变数量确定
主变数量分配应考虑主变的运输情况,分期建设情况,并结合经济技术比较
情况进行。一般情况下,单台主变容量越大,主变数量越少、主变以及与其连接
的35kV设备一次性投资越少。但设备运行的灵活性相应降低。若风电场分期开
发,开发周期较长,可能造成前期一次性投资较大,且前期变压器容量选择较大
会造成空载损耗也较大。因此对于200MW及以下的单体新建项目,无扩建需求时,
宜采用单台或两台主变,采用线变组或单母线的主接线方案。对于单体为200MW
及以下风电基地项目、合建汇集站的方式时,考虑每个对应的风电场设置单台主
变,汇集站主变高压侧宜采用双母线或者3/2接线方案。
3.2主变冷却方式确定
从主变制造能力而言,目前市面上大部分厂家240MVA及以下的电力变压器
可采用自然油循环自冷方式,480MVA及以下电力变压器可采用自然油循环风冷方
式。根据GB/T17468—2019《电力变压器选用导则》规范要求:在满足温升限值
的情况下,180MVA及以下产品采用自然油循环自冷方式,240MVA及以下产品采
用自然油循环
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