風電場電氣系統(tǒng)基礎知識一本課程主要內(nèi)容本課程第1章介紹風電場與電氣部分的基本概念和表示方法，使大家了解風電場電氣部分的含義。

第2章介紹風電場電氣部分的特點和基本構成，在介紹電氣主接線的基本概念和設計原則的基礎上，列舉電氣主接線的常見形式，并重點說明風電場電氣主接線的基本形式，使大家了解風電場電氣部分的整體布局和組成部分，掌握風電場電氣接線設計的基本思想和依據(jù)。

本課程主要內(nèi)容第3章詳細介紹風電場中的各主要一次電氣設備的結構和工作原理，包括風電機組、變壓器、斷路器和隔離開關、母線和輸電線路、電抗器和電容器、電壓互感器和電流互感器等，以及變壓器、斷路器等重要一次設備的型式、參數(shù)，使大家對風電場電氣設備的原理、功能、結構、外觀等有具體認知。第4章介紹風電場一次電氣設備選擇的一般條件和技術條件，以及熱穩(wěn)定校驗、動穩(wěn)定校驗和環(huán)境校驗方法，使大家了解和掌握電氣設備的型式、參數(shù)與其在風電場中運行環(huán)境的關系，并且能對風電一次設備的選擇進行初步分析和簡單計算。本課程主要內(nèi)容

第5章介紹電氣二次部分的含義和功能，以及電氣二次系統(tǒng)的主要設備及其原理，使大家了解風電場和升壓變電站電氣二次系統(tǒng)的構成及電氣二次系統(tǒng)的圖形表示方法，并對我國目前已普遍采用的變電站綜合自動化技術有一定的認知。

第6章介紹風電場中配電裝置的概念和表示方法，描述各種常見配電裝置的結構和作用，說明配電裝置的設計要求及選型和布置方法，介紹風電場發(fā)電機組的排列布置和升壓變電站電工建筑物的布置。本課程主要內(nèi)容

第7章介紹風電場的防雷和接地問題，首先說明雷電的形成機理和雷電的危害，介紹雷電防護的一般方法；然后對接地的意義和作用，尤其是對接觸電壓和跨步電壓等重要概念進行具體的說明，給出接地設計的一般要求；并全面介紹風電場發(fā)電機組、集電線路和升壓站的防雷保護措施，有助于大家了解風電場電氣設備安全方面的知識和解決辦法，提高安全生產(chǎn)的意識。

第8章介紹風電場中的電力電子設備，在簡述電力電子技術應用和常見電力電子器件的基礎上，闡述變流技術和PWM技術的基本原理；重點介紹主流大型風電機組的并網(wǎng)換流器，包括其電路結構和基本工作原理；最后簡單介紹風電場的無功補償與電壓控制需求，以及SVC和STATCOM等無功補償設備。第1章風電場和電氣部分的基本概念關注的問題風電場的基本概念，電氣和電氣部分的概念；電氣部分的一般組成有哪些？各部分的作用是什么？電氣部分的圖形表示法教學目標了解風電場的基本概念和風電場電氣部分的含義，初步理解和掌握電氣部分的大致構成及表示方法，尤其是重要電氣設備及其圖形符號?！?.1風力發(fā)電概述

風是人類最常見的自然現(xiàn)象之一，風能資源的儲量非常巨大，一年之中風所產(chǎn)生的能量大約相當于20世紀90年代初全世界每年所消耗的燃料的3000倍。

十九世紀末，風能開始被用于發(fā)電，據(jù)稱始于丹麥，并且迅速成為其最主要的應用領域之一。風電技術是可再生能源技術中最成熟的一種能源技術。風力發(fā)電由于環(huán)保清潔，無廢棄物排放，施工周期短，利用歷史悠久，受到了各國的廣泛重視和大力推廣。如今風力發(fā)電在世界范圍內(nèi)都獲得了快速的發(fā)展，風力發(fā)電規(guī)模及其在電力能源結構中的份額都增長很快?！?.1風力發(fā)電概述風力發(fā)電就是利用風力機獲取風能并轉化為機械能，再利用發(fā)電機將風力機輸出的機械能轉化為電能輸出的生產(chǎn)過程。

風力機有很多種類型，用于風力發(fā)電的發(fā)電機也呈現(xiàn)出多樣性，但是其基本能量轉換過程都是一樣的，如圖：

用于實現(xiàn)該能量轉換過程的成套設備稱為風力發(fā)電機組。風機+發(fā)電機+調速器§1.1風力發(fā)電概述

單臺風力發(fā)電機組的發(fā)電能力是有限的，目前在內(nèi)陸地區(qū)應用的主流“大型”機組的額定功率不過1.5MW，海上風電機組的平均單機容量在3MW左右，最大已達6MW。風力發(fā)電機組輸出的電能經(jīng)由特定電力線路送給用戶或接入電網(wǎng)。

風力發(fā)電機組與電力用戶或電網(wǎng)的聯(lián)系是通過風電場中的電氣部分得以實現(xiàn)的?！?.2風電場的概念

風電場是在一定的地域范圍內(nèi)由同一單位經(jīng)營管理的所有風力發(fā)電機組及配套的輸變電設備、建筑設施、運行維護人員等共同組成的集合體。選擇風力資源良好的場地，根據(jù)地形條件和主風向，將多臺風力發(fā)電機組按照一定的規(guī)則排成陣列，組成風力發(fā)電機群，并對電能進行收集和管理，統(tǒng)一送入電網(wǎng)，是建設風電場的基本思想?！?.2風電場的概念應根據(jù)風向玫瑰圖和風能玫瑰圖確定風電場的主導風向，在平坦、開闊的場址，要求主導向上機組間相隔5~9倍風輪直徑，在垂直于主導風向上要求機組間相隔3~5倍風輪直徑。按照這個規(guī)則，風電機組可以單排或多排布置。多排布置時應成梅花形排列。

風電場是大規(guī)模利用風能的有效方式，二十世紀80年代初興起于美國加利福尼亞。目前，風電場的分布幾乎是遍布全球，風電場的數(shù)目已成千上萬，最大規(guī)模的風電場可上百萬千瓦級?！?.2風電場的概念

按照風電場的規(guī)模，風電場大致可以分為：小型、中型和大型（特大型）風電場風能資源場地說

明小型較好較小可建幾兆瓦容量的風電場，接入35~66kV及以下電壓等級的電網(wǎng)。中型較好合適可建幾十兆瓦容量以下風電場，接入110kV及以下電網(wǎng)。大型（特大型）豐富開闊可建容量在100~600MW或更大的風電場，例如我國的特許權風電項目?！?.3電氣和電氣部分

電氣的本意即為電，也就是：帶電的、生產(chǎn)和使用電能相關的。

對于電氣部分可以泛泛地理解為：由所有帶電設備及其附屬設備所組成的全部?！?.3.1電氣的基本概念

§1.3電氣和電氣部分§1.3.1電氣的基本概念

發(fā)電廠中的發(fā)電機是一般意義上的電源，它將其他能源轉化為電能，如：煤炭、石油、水能、風能、太陽能、地熱、潮汐等。電能無法由自然界直接獲取，是一種二次能源，那些存在于自然界可以直接利用的能源被稱為一次能源。發(fā)電廠中發(fā)電機生產(chǎn)的電能一般需要經(jīng)過變壓器升高電壓后送入其所在電網(wǎng)中。

電能由電網(wǎng)輸送到用戶所在地，經(jīng)降壓后分配給最終的用戶。

在電能生產(chǎn)到消費之間需要由電能可以傳導的路徑，由于一定區(qū)域內(nèi)發(fā)電廠和用戶的分布非常復雜，因此這一路徑自然形成了網(wǎng)狀結構，即所謂的電網(wǎng)，電能由發(fā)電廠生產(chǎn)出來以后在電網(wǎng)中根據(jù)其結構按照物理規(guī)律自然分配?！?.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

包括風電場在內(nèi)的各類發(fā)電廠站、實現(xiàn)電壓等級變換和能量輸送的電網(wǎng)、消耗電能的各類設備（用戶或負荷）共同構成了電力系統(tǒng)，即用于生產(chǎn)、傳輸、變換、分配和消耗電能的系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的帶電部分統(tǒng)稱為其各自的電氣部分。

發(fā)電廠和變電站是整個電力系統(tǒng)的基本生產(chǎn)單位。電氣部分不僅僅包括電能生產(chǎn)、變換的部分,還包括其自身消耗電能的部分。以上用于能量生產(chǎn)、變換、分配、傳輸和消耗的部分稱為電氣一次部分。

為了實現(xiàn)對廠站內(nèi)設備的監(jiān)測與控制，電氣部分還包括所謂的二次部分，即用于對本廠站內(nèi)一次部分進行測量、監(jiān)視、控制和保護的部分。原動機發(fā)電機升壓變降壓變用戶電力網(wǎng)電力系統(tǒng)動力系統(tǒng)升壓站20kV220kV降壓變電站110kV變電站110kV電纜桿上變壓器至其它路燈用配電站10kV路燈牽引變電站高速列車27.5kV380/220V開閉所10kV10kV10kV居民小區(qū)箱式變電所箱式變電所批發(fā)市場化工廠電纜10kV10kV配電箱380/220V380/220V電燈電動機風機泵空壓機380/220V發(fā)電廠110kV380/220V電動葫蘆電焊機加熱器變電站110kV風電場10kV10kV10kV開閉所箱式變電所某商場學校10kV常見負荷類型開閉所10kV10kV380/220V10kV高壓開關柜變壓器低壓開關柜箱式變電所內(nèi)部示意圖應急照明水泵房電梯某商場用電示意圖1層配電柜101室配電箱子...…125室配電箱子...…至其它配電站10kV10kV圖為發(fā)電、輸電、變電、供配電及用電的簡單示意一次部分最為重要的是發(fā)電機、變壓器、電動機等實現(xiàn)電能生產(chǎn)和變換的設備，發(fā)電機用于電能生產(chǎn)、變壓器用于電能變換、電動機和其他用電設備用于電能的消耗、母線用于電能的匯集和分配、線路則用于能量的輸送。一般我們習慣上稱將3千伏～35千伏稱為中壓110千伏、220千伏稱為高壓330千伏、500千伏稱為超高壓700千伏、1000千伏稱為特高壓220/380伏為低壓發(fā)電廠和變電所類型

一、發(fā)電廠類型

■火力發(fā)電廠■水力發(fā)電廠■風力發(fā)電廠■核電廠■太陽能發(fā)電

二、變電所類型

■樞紐變電所■中間變電所■地區(qū)變電所■終端變電所1.能量轉換過程

燃料的化學能→熱能→機械能→電能2.火力發(fā)電廠三大主機

鍋爐汽輪機發(fā)電機3.火力發(fā)電廠分類

凝氣式火力發(fā)電廠，生產(chǎn)過程示意圖見1-1

熱電廠

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火力發(fā)電廠▉

火力發(fā)電廠—凝汽式火電廠生產(chǎn)過程示意圖▉

水力發(fā)電廠1.能量轉換過程水能（勢能）→機械能（動能）→電能2.水力發(fā)電廠分類（1）根據(jù)集中落差的方式：堤壩式（如圖1-2河床式水電廠）引水式混合式（2）根據(jù)運行的方式：有調節(jié)水電廠無調節(jié)水電廠抽水蓄能水電廠▉

水力發(fā)電廠—河床式水力發(fā)電廠▉

核電廠核電廠是利用核能發(fā)電的電廠，這是一種大有發(fā)展前途的新能源，一般建在自然資源匱乏的缺電地區(qū)。核電機組與普通火力發(fā)電機組不同的是以核反應堆和蒸汽發(fā)生器替代了鍋爐設備，而汽輪機和發(fā)電機部分則基本相同。

圖1-3是核電廠發(fā)電方式示意圖。原子核反應堆是核電廠的核心部分，它是一個可以被控制的核裂變裝置，以鈾—235或鈾—238（或鈾—239）為燃料。核反應堆又分為壓水堆、重水堆、石墨堆等類型。我國已建成發(fā)電的核電廠有大亞灣和秦山核電廠。▉

核電廠—核電廠生產(chǎn)過程示意圖▉

變電所類型

電力系統(tǒng)的組成結構：電力系統(tǒng)由發(fā)電廠、變電所、線路和用戶組成。變電所是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，起著變換和分配電能的作用。圖1-4是一個電力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)示意圖。▉

變電所類型—電力系統(tǒng)與電力網(wǎng)示意圖世界電力工業(yè)之最

世界最大容量的火力發(fā)電廠:日本鹿島電廠，容量440萬千瓦。

世界最大的三相變壓器:容量為130萬KVA。

世界最大的燒煤鍋爐:蒸發(fā)量是4420噸／小時，裝在美國阿摩斯電廠。

世界最大的雙軸汽輪發(fā)電機組單機容量:130萬KW。

世界最大的單軸汽輪發(fā)電機組單機容量:84.8萬KW。

世界最高的電廠煙囪:高368米，在美國密契爾電廠

最大互連電力系統(tǒng)：前蘇聯(lián)統(tǒng)一電力系統(tǒng)，與多個歐亞國家互聯(lián)，橫跨歐亞大陸，東西7000km，南北3000km

最高交流電壓等級：前蘇聯(lián)哈薩克埃基巴斯圖茲火電廠到烏拉爾的1150kv特高壓輸電線路，全長1300km

最高直流電壓等級：前蘇聯(lián)?；退箞D茲至中部±750kv直流線路，全長2400km

最大水輪發(fā)電機組：700MW，安裝在美國大古力水電三廠

最大汽輪發(fā)電機組：1300MW,安裝在瑞士BBC，由美國制造

最大火力發(fā)電廠：8*800MW，前蘇聯(lián)別列佐夫-1火電廠

最大核電發(fā)電機組：1500MW,前蘇聯(lián)石墨沸水堆機組

最大核電廠：4546MW，日本福島第一沸水堆核電廠

我國電力工業(yè)之最

我國（世界）容量最大的水電站：三峽水電站(26×700MW)

我國單機容量最大的核電機組：

田灣核電站＃1、＃2機組（單機1060MW,俄羅斯AES-91型壓水堆核電機組）。

我國最大的燃氣發(fā)電機組：

北京京豐350MW燃氣蒸汽聯(lián)合發(fā)電工程１號機組。

單機容量最大的機組：上海外高橋二期2×900MW

超臨界燃煤發(fā)電機組。

單機容量最大風力發(fā)電機組:

1.5MW雙饋異步低溫型風電機組

我國輸送距離最長、輸送功率最大的直流輸電工程：三峽至上海輸電工程輸送功率300萬千瓦，線路全長1100公里。

我國首條750千伏超高壓輸電線路：西北750千伏輸變電示范工程。

我國首條1000千伏超高壓輸電線路：晉東南經(jīng)南陽至荊門特高壓交流試驗示范工程§1.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

在電力系統(tǒng)中，為了保證人員和設備的運行安全以及電力系統(tǒng)本身中性點接地的要求，還需要有相應的接地裝置。在發(fā)電廠和變電站中常采用埋于地下的人工接地體構成接地網(wǎng)。接地網(wǎng)要求可以基本覆蓋廠站內(nèi)電氣設備的全部，以保證設備的可靠接地。此外，為應對電力系統(tǒng)中可能的故障或異常，在電氣設備中還需要加裝一些防御過電壓和短路電流的裝置，包括避雷器和串聯(lián)電抗器。§1.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

二次系統(tǒng)是傳遞信號的電路，通過電壓互感器和電流互感器將被測的一次設備和系統(tǒng)的高電壓和大電流變換為低電壓和小電流傳遞給測量和保護裝置，測量和保護裝置對所測得的電壓和電流進行判別以監(jiān)視一次設備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)并記錄。

電壓互感器和電流互感器按作用來分可以認為是二次設備，但其直接并聯(lián)和串聯(lián)于一次電路中，實際上是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的連接設備?！?.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

繼電保護及自動裝置可以認為是電力系統(tǒng)的衛(wèi)兵。當電氣設備發(fā)生故障時，對應的繼電保護裝置會根據(jù)采集到的電流和電壓進行分析，判定發(fā)生故障后便動作觸發(fā)與故障設備相連的斷路器。

重合閘及備用電源自投裝置是電力系統(tǒng)中常見的自動裝置，它用故障后斷路器的合閘來縮小故障對于系統(tǒng)的影響。

常見的控制電器有斷路器的控制開關。裝設于變電站主控制實內(nèi)的控制屏，常常見于常規(guī)控制變電站。

控制屏上裝設有用于監(jiān)視的表計（電流表、電壓表、有功功率表、無功功率表）；用于燈光告警的光子牌、用于操作斷路器的控制開關和指示斷路器位置的紅綠指示燈?！?.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成上述設備運行的時候需要消耗電能，是作為耗電設備存在的，因此還需要裝設相應的直流電源設備。采用直流的好處是可以利用蓄電池進行電能存儲。在發(fā)電廠和變電站內(nèi)二次設備由控制電纜連接構成了功能不同的二次回路