1.3 風電場電氣系統

風電場電氣系統按其作用的不同可分為一次系統和二次系統。擔負電能輸送和分配任務的系統稱為一次系統。一次系統中的所有電氣設備稱為一次設備。對一次系統進行監視、控制、測量和保護的系統稱為二次系統。二次系統中的所有電氣設備稱為二次設備。

1.3.1 風電場一次系統

風電場電氣一次系統的基本構成如圖1-5所示。

一次系統指擔負電能的輸送和分配任務的系統。根據在電能生產中的整體功能，風電場電氣一次系統可分為4個主要部分，即風電機組、集電系統、升壓變電站及廠用電系統。

1.3.1.1 風電機組

一般所說的風電機組，除了風力機和發電機以外，還包括電力電子換流器（有時也稱為變頻器）和對應的機組升壓變壓器（箱式變電站、集電變壓器）。目前，風電場的主流風力發電機本身輸出電壓為690V，經過機組升壓變壓器將電壓升高到10kV或35kV。

按學科領域分，風電機組可分為機械結構和電氣結構兩部分。風電機組的機械結構是指機組在各種允許的狀態下，始終不帶電的零部件。相應地，風電機組中，在各種允許的狀態下，有可能帶電的零部件稱為電氣結構。

1．機械結構

所有的機械件構成整個風電機組的機械結構。從外觀結構上，可以將風電機組劃分為以下部分：

（1）轉子。轉子又稱為葉輪、風輪，包括3個葉片和輪轂，以及相應的附件。

（2）傳動系統。傳動系統包括主軸、齒輪箱、聯軸器3個部分。主軸是指葉輪與發電機或者齒輪箱之間的連接部分，起支撐葉輪和傳動風轉矩的作用；風電機組中的齒輪箱是增速齒輪箱，起到增速作用；聯軸器是連接傳動軸和非傳動軸的彈性部件。對于直驅型機組，其傳動系統有較大區別。以金風1.5MW系列機組為例，傳動系統比較特殊，沒有齒輪箱、聯軸器、主軸等部件，葉輪直接與發電機外轉子（永磁體）相連接。

（3）發電機。發電機是風電機組最重要的設備之一，是機電一體化的產物。從機械角度看，發電機的安裝、對中、減振等都很重要。

（4）液壓系統。在風電機組中，液壓系統是機組重要的執行系統，主要由動力元件——液壓泵、執行元件——液壓缸和液壓馬達、控制元件——各種控制閥、輔助元件——蓄能器和油箱等組成，其作用主要包括高速軸（或低速軸）機械剎車、液壓變槳、葉尖擾流器控制、偏航阻尼控制等4個方面。

（5）偏航系統。偏航系統的機械部件主要包括偏航電機、偏航減速器、偏航驅動齒輪、偏航軸承、偏航卡鉗。其中偏航卡鉗分為機械式偏航卡鉗和液壓式偏航卡鉗兩種，偏航軸承分為滑動軸承和滾動軸承兩種。

（6）支撐系統。機組的主要支撐件構成機組的支撐系統，主要包括機艙架（機架）、塔架與基礎3個部分。

（7）電氣柜體。電氣柜體主要包含機組的電氣控制部件。從機械角度來看，電氣柜體的布置、固定也非常重要。

總之，主要機械件包括葉片、輪轂、變槳機構與變槳軸承、主軸與主軸承、齒輪箱、聯軸器、機械剎車、偏航機構與偏航軸承、液壓站結構、機組潤滑裝置、機艙架、機艙罩、塔架、基礎等14個部分。

2．電氣結構

風電機組的電氣件分散于機組的各個位置，主要包括：①塔底，即塔內的底部，一般設置有支撐架，稱為塔底支架，用于放置各種電氣柜和設備；②機艙，即塔桶頂部機艙罩包圍的部分；③輪轂，即連接三個葉片和主軸的部件，電動變槳型機組的輪轂中包含用于變槳控制的各種電氣件。

用于控制風電機組各處執行機構的接觸器、斷路器、熔斷器、避雷器、繼電器、電源模塊以及各個地方的供配電設備一般都集中安裝在電氣柜內，風電機組的電氣柜主要包括頂部控制柜、底部控制柜、變頻柜、同步開關柜、各種配電柜、變槳內電氣柜等，但是并非所有機組都含有以上全部柜體。

盡管各種機組的電控系統設計差別很大，但是根據功能的不同，可以將當前主流機型的整個電控系統劃分為變槳系統、變速變頻系統、主控系統、接地系統與防雷保護四個部分。

1.3.1.2 集電系統

風電場電氣部分一般由若干臺風力發電機、機組升壓變壓器、低壓集電電纜、變電站、高壓輸電電纜等設備組成，通過變電站并入電網。上述的風力發電機、電纜、變電站共同組成了風電場集電系統，即將眾多風電機組發出的電能按組收集并送入電網的電氣系統。分組采用位置就近原則，每組包含的風電機組數目大體相同。每一組的多臺機組輸出（經過機組升壓變壓器升壓后）一般采用架空線路或電纜線路直接并聯，匯集為多條10kV或35kV架空線路輸送到升壓變電站。當然，采用地下電纜還是架空線，還要看風電場的具體情況。

風電機組之間的拓撲連接方式以及風電機組串與升壓變電站之間的拓撲連接方式均需要經過計算比較之后才能確定。計算時需要考慮的因素有單臺風電機組的容量、風電機組的布置位置、不同截面電纜的特性（額定載流量、經濟電流密度等）、電纜的造價和敷設價格、升壓變電站方式和造價（集中布置還是多座分散式布置，或是多級升壓模式），另外還需要考慮到風電場區域內有無不可敷設區域。圖1-6所示為風電場典型集電系統的電氣接線圖。

1.3.1.3 升壓變電站

升壓變電站的主變壓器將集電系統匯集的電能的電壓再次升高，達到一定規模的風電場一般可將電壓升高到110kV或220kV接入電力系統。對于規模更大的風電場，如百萬千瓦級的特大型風電場，還可能需要進一步升高到500kV或更高。

1.3.1.4 廠用電系統

風電機組發出的電能并不是全部送入電網，有一部分在風電場內部消耗掉。風電場的廠用電包括維持風電機組正常運行及安排檢修維護等生產用電和風電場變電站設備用電、運行維護人員在風電場內的生活用電等，也就是風電場場內用電部分。

廠用電系統的接線是否合理，對保證場用負荷的連續供電和發電廠安全經濟運行至關重要。由于廠用電負荷多、分布廣和操作頻繁等原因，廠用電事故在電廠事故中占有很大的比例。此外，由于廠用電接線的過渡和設備的異動比主系統頻繁，如果考慮不周、忽略大意，也常常會埋下事故的隱患。統計表明，不少全廠停電事故是由廠用電事故引起的。因此，必須高度重視廠用電系統的合理性及安全運行。

1.3.2 風電場一次設備

一次系統中涉及的設備稱為一次設備。風電場內主要的一次設備如下：

（1）進行電能生產和變換的設備，如發電機、升壓變壓器、電動機等。

（2）接通、斷開電路的開關類設備，如斷路器、隔離開關、自動空氣斷路器、接觸器、熔斷器等。

（3）限制過電流或過電壓的設備，如限流電抗器、避雷器等。

（4）用于變換高電壓、大電流供測量保護裝置使用的設備，如電流互感器、電壓互感器等。

（5）載流導體及其絕緣設備，如母線、架空線、電力電纜、絕緣子、套管等。

（6）保證運行人員及設備安全的裝置，如接地裝置等。

1.3.3 風電場二次系統

對一次設備進行監測、控制、調節、保護以及為運行、維護人員提供運行工況或生產指揮信號所需的低壓電氣設備稱為二次設備。

風電場的二次設備主要包括繼電器、接觸器、控制開關、小母線、成套保護設備等。

由二次設備相互連接，構成對一次設備監測、控制、調節和保護的電氣回路稱為二次回路或二次接線系統，簡稱二次系統。風電場二次系統，按功能可分為保護回路、控制回路、測量回路、信號回路、操作電源系統等；按設備類型可分為風電機組二次系統、箱式變電站二次系統、控制室二次系統、遙測和遙信系統及升壓變電站的計算機監控系統。

1．風電機組二次系統

風電場的監控系統分為現地單機控制、保護、測量和信號以及中控室對各臺風電機組進行集中監控，也可在遠處（業主營地或調度機構）對風電機組進行監視。

風電機組的控制器系統包括：①計算機單元，主要功能是控制風電機組；②電源單元，主要功能是使風電機組與電網同期。

（1）每臺風電機組的現地控制系統是一個基于微處理器的控制單元，該控制單元可獨立調整和控制機組運行。控制柜上運行人員可通過操作鍵盤對風力發電機進行現地監控和控制，如手動開機、停機，電動機啟動，風電機組向順時針方向或逆時針方向旋轉。風電機組在運行過程中，控制器能持續監視其轉速，控制制動系統使其安全運行，還可調節功率因數。

在風電機組塔架發電機機艙里有手動操作控制箱，在控制箱上配有開關和按鈕，如自動操作/鎖定的切換開關、偏航切換開關、葉片變槳控制按鈕、風速計投入/切除轉換開關、啟動按鈕，電動機啟動按鈕、制動器卡盤按鈕和復位按鈕等。

（2）為保證電力系統正常運行，確保供電質量，風電機組配置的保護裝置包括溫度保護、過負荷保護、電網故障保護、低電壓保護、振動超限保護和傳感器故障保護等。

（3）風電機組配備各種檢測裝置和變送器，能自動連續對各風電機組進行監視，在中控室計算機屏幕上可反映風力發電機實時狀態，如當前日期和時間、葉輪轉速、發電機轉速、風速、環境溫度、風電機組溫度、當前功率、當前偏航、總電量等。

2．箱式變電站二次系統

箱式變電站中的變壓器的控制、保護、測量和信號按照GB/T50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》和GB/T14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》的規定，變壓器配置高壓熔斷器保護、避雷器保護和負荷開關，高壓熔斷器作為短路保護，避雷器用于防御過電壓，負荷開關用于正常分合電路，不裝設專用的繼電保護裝置。

3．控制室二次系統

風電場控制室布置在110kV變電站內，與110kV變電站中控室在同一房間。在中控室內采用微機對風電場廠區中的風電機組進行集中監控和管理。中控室內的值班人員或運行人員可通過人機對話完成監視和控制任務。

4．遙測和遙信系統

遠程監控人員可通過人機對話完成遠程監控任務。操作方法與在升壓變電站控制室的值班人員的操作方法相同。

遙測、遙信、遙控、遙調稱為變電站綜合自動化中的“四遙”。

“測”指測量，電流、電壓等模擬量數據的本地搜集及遠程傳輸與監視。

“信”指信號，指發生在發電廠和變電站中的某一設備或系統狀態的變化，如電壓越線、斷路器彈簧未儲能，它是現場監控設備對于具體和某一設備的狀態變化的判別，是邏輯判定后的結果，因此一般用二進制開關量表示。

“控”指控制，其控制對象為斷路器、隔離開關等控制設備。

“調”指調整，調整不同于控制，控制最終實現了狀態的變化，而調整是在某一狀態范圍的調整，如變壓器分接頭的調整。

遙測和遙信用于遠程監控，由現場數據采集設備將搜集的數據送給監控單元，而遙控和遙調由監控單元下發控制和調整命令到遠方具體的被控被調設備。

目前，遙視系統也開始在系統內得到應用，不同于“四遙”的電氣變量的監控，它使用視頻監控設備監視發電廠、變電站內的場景和設備的視頻信息，因此可以用于安防、事故后設備之間觀測、異常事件觀測等情況。

5．升壓變電站的計算機監控系統

升壓變電站是風電場電氣系統的重要組成部分。按照“無人值班”（少人值守）原則進行設計，采用全計算機監控方式，通過計算機監控系統進行機組的啟停及并網操作、主變斷路器和線路斷路器的操作、站用電切換、輔助設備控制等。

計算機監控系統主干網采用分層分布開放式結構的雙星形以太網，通信規約采用標準的TCP/IP，設置中央控制單元和現地控制單元，中央控制單元和現地控制單元通過冗余10高速以太網連接，網絡介質為光纖。中央控制單元設備置于變電站的中央控制室，現地控制單元按被控對象分布。

升壓變電站計算機監控系統中央控制配置包括：兩臺工業級操作員工作站（各配置一臺監視器）、一臺工程師/培訓工作站（配置一臺監視器）、一個語音報警及報表管理打印工作站、兩臺互為熱備用的以太網交換機、GPS時鐘系統及外圍設備等。其主要功能為數據采集與處理、控制操作、運行監控、事件處理、報警打印、自檢功能等。

6．升壓變電站的繼電保護

升壓變電站主變壓器、110kV線路、35kV線路及箱式變壓器的繼電保護參照GB/T 50062—2008選用微機型保護裝置。