风电场的电气系统课件

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1、第二讲第二讲 风电场的电气系统风电场的电气系统概述概述2.1 集电系统集电系统2.2风电场的接地的系统风电场的接地的系统 2.3风电场的防雷保护风电场的防雷保护2.4电气保护电气保护 2.4.1 风电场和发电机保护风电场和发电机保护 2.4.2 异步发电机的孤立运行和自励磁异步发电机的孤立运行和自励磁 2.4.3 分界面保护分界面保护 1概述概述n中型或大型风力发电机(几百千瓦到几兆瓦)主要是采用并网运行方式，好处：与公共电网互补、充分发挥风电的效益、电能质量更好、n电气系统要求可靠、灵活、经济地把电能送入系统n风电场内的电气系统和常规电厂内的电气系统比较简单，辅助设施少n风电场内的电气接线特

2、殊点 容量、设备、分布性、厂用负荷及地区负荷、2电缆与架空线电缆与架空线n在风场内，风机与变电所之间的连接有两种方式：场地布置相对集中时用电缆直埋；场地布置相对分散时用架空10kV线路。考虑：经济性、景观n架空线（绝缘架空线）n电缆（直流电缆、交流电缆）3海上风电场电气接线一例4电缆特性：电阻与面积、距离；充电电流与面积、距离5海上风电用电缆传输的比较：HVDC、VSC、交流6风电场电压等级风电场电压等级n从发电机到塔基的主电路的电压等级一般低于从发电机到塔基的主电路的电压等级一般低于1000 V，国际上选的一，国际上选的一种标准电压是线电压种标准电压是线电压690 V。好处：方便和有成本好处

3、：方便和有成本-效益，发电机成本低；效益，发电机成本低；低电压的开关设备低电压的开关设备和下垂的柔软电缆可以广泛选择；和下垂的柔软电缆可以广泛选择；低电压导致大的电流。例如低电压导致大的电流。例如600 kW的风力机组工作在的风力机组工作在690 V需需要超过要超过500A的电流。的电流。联网送电需要升压变压器（位于塔中或邻近塔）联网送电需要升压变压器（位于塔中或邻近塔）n风电场集电系统的中压（风电场集电系统的中压（MV）电平的选择通常由当地配电公司的经验）电平的选择通常由当地配电公司的经验确定。这样电缆和开关设备都比较容易获得。确定。这样电缆和开关设备都比较容易获得。一般选择在一般选择在10

4、 kV至至35 kV之间，可以是之间，可以是10 kV,20 kV和和35 kV 等。等。72.1 集电系统集电系统固定转速风力发电机电气系统简图固定转速风力发电机电气系统简图8风电机风电机9主要电气设备n发电机发电机，定子输出经三条柔软下垂电缆到塔下断路器n铠装断路器铠装断路器（moulded case circuit breaker-MCCB），MCCB 装备有防备故障的瞬时过流保护，有延滞（热）功能的过电流保护n双向晶闸管软起动单元双向晶闸管软起动单元，通常具有一个旁路电流接触器，被用来减小在发电机接通时的浪涌电流n功率因数校正电容器功率因数校正电容器(PFC)电路电路，分级投切，+小的

5、电感器限制容性合闸电流（浪涌电流）n辅助交流电源辅助交流电源，直流电源（风轮机控制器、保护等用）n保护保险丝保护保险丝额定电流较小。n浪涌分流器（避雷器）浪涌分流器（避雷器），避免内部电气系统遭受站内电气网络传递过来的过电压10风电机与变压器的连接风电机与变压器的连接 风电机大小风电机大小电流引起的损电流引起的损耗大小耗大小额外的电压变额外的电压变化化风电机位置靠风电机位置靠得远近得远近11多台风机的连接多台风机的连接n风电场内部接线形式之一 12大型风电场风机布局（海上、海岸）大型风电场风机布局（海上、海岸）风电场风机布局图(5MW风机)n风13海上风电场一例141152.1 风电场的接地的

6、系统风电场的接地的系统 n2.2.1接地的基本概念接地的基本概念n2.2.2配电网接地方式选择配电网接地方式选择n2.2.3 风电场的接地的系统风电场的接地的系统162.2.1接地的基本概念接地的基本概念n(1)地的概念地的概念 电力系统中的“地”不是普遍意义上的“地理地”，而是电力概念中的“电气地”。以下几类在广义下都可被称作地：1）导电性的土壤，具有等电位，且任意点的电位可以看成零电位 2）导电体，如土壤或钢船的外壳，作为电路的返回通道，或作为零电位的参考点 3）电路中相对于地具有零电位的位置或部分 4）电路与地或其他起导电作用的导电体的有意的或偶然的连接n(2)接地的概念接地的概念 接地

7、是指将有关系统、电路或设备与地连接。通过接地可以使连接到地的导体具有等于或者近似于大地的电位并引导入地电流流入和流出大地。17(3)接地的分类接地的分类n保护性接地保护性接地和功能性接地功能性接地n保护性接地保护性接地 为了系统与设备运行安全而采取的接地措施，有以下几类：1)防电击接地：防电击接地：为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电流时，使平时不带电的外露导电部分带电而导致电击而将设备的外露导电部分接地。这种接地还可以限制线路涌流或低压线路及设备由于高压窜入引起的高电压；当产生电气故障时，有利于电流保护装置动作而切断电源。2)防雷接地防雷接地：将雷电导入大地，防止雷电流使人身受到电击或设备受到

8、破坏3)防静电接地防静电接地：将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和设备造成危害。4)防电蚀接地防电蚀接地：地下埋设金属体作为牺牲阳极或阴极，防止电缆、金属管道等受到电蚀。n功能性接地功能性接地 为了设备正常运行或者提供电流回路而采取的接地措施，有以下几类：1)工作接地工作接地：为了保证电力系统运行，防止系统震荡。保证继电保护的可靠性，在交直流电力系统的适当地方进行接地，交流一般为中性点，直流一般为中点。2)逻辑接地逻辑接地：为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为“逻辑地”。常将逻辑接地及其他模拟信号接地统称为直流地3)屏蔽接地屏蔽接地：将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰

9、，减少电子设备产生的干扰影响其它电子设备4)信号接地信号接地：为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地18(4)(4)接地的作用接地的作用n1)1)防止人和动物遭受电击防止人和动物遭受电击 电击所产生的电击电流会对人体造成伤害甚至导致死亡，所以必须采取防护措施。接地中避免危害人和设备的大的电位差。电气设备在正常情况下不带电的金属部分与接地机制件作良好的金属连接，可以保护人体的安全。n2)2)保障电气系统的正常运行保障电气系统的正常运行 采用中性点接地的方式，中性点与地间的电位接近于零。如果中性点不接地，那么当相线与外壳或者地接触时，其他两相对地电压会升高为相电压的 倍，绝缘水平要求更高。采用中

10、性点接地可以降低设备的制造成本和建设费用，提高继电保护的可靠性。n3)3)防止雷击和静电的危害防止雷击和静电的危害n采取适当的接地方式,，使对人和动物的雷击危害最小化；n4 4）为接地故障电流的建立低阻抗通路，从而满足保护动作要求为接地故障电流的建立低阻抗通路，从而满足保护动作要求。n5 5）改善雷电保护）改善雷电保护，使电压保持在可接受的范围内 192.2.2 配电网接地方式选择配电网接地方式选择n配电网中性点接地方式的选择涉及到配电网的绝缘水平、安全性、经济性、供电的可靠性。20配电网接地方式配电网接地方式(1)中性点直接接地方式中性点直接接地方式 单相接地时，通过接地中性点形成单相短路，

11、很大的零序电流，根据零序分量的特点可构成保护，保护动作后跳闸。不对称短路引起的工频电压升高较小，操作过电压较低，对系统绝缘水平的要求相对较低。(2)中性点不接地方式中性点不接地方式 当系统对称运行时，电源中性点与负载中性点电压为零。单相接地故障时，故障点相对于地的电压为零，非故障相的相电压升高到 倍，等于线电压，此时线电压仍保持对称不变，对用户供电无影响。当各相对地电容不相等时，即使在正常运行状态，系统的中性点的对地电位将发生偏移。中性点不接地系统要求的绝缘水平较高，各种操作过电压较高。中性点不接地系统当电网发生单相接地时，可能造成电磁式电压互感器激磁电流激增而损坏，甚至可能产生谐振过电压。这

12、种接地方式存在电弧接地过电压的危险。21配电网接地方式配电网接地方式n(3)(3)中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地消弧线圈是一个具有铁心的可调电感线圈，安装在变压器的中性点。单相接地时，消弧线圈产生电感电流，补偿接地点的电容电流，使较大的接地电流容易熄灭。自动跟踪补偿式的消弧线圈装置，由接地变压器、可调式消弧线圈和消弧线圈自动跟踪调节控制器、阻尼电阻和氧化锌避雷器组成。当系统发生单相接地时，接地点电容电流的变化会传到消弧线圈自动跟踪调节控制器上，调节控制器可测量出电网的脱谐度，并控制调节消弧线圈的直流励磁，从而改变消弧线圈的电感量进而改变消弧线圈中的电流。n(4)(4)电阻接地方式电阻

13、接地方式 中性点经电阻接地的系统，相当于在零序阻抗上并联一个电阻R，该电阻与系统对地电容构成并联回路，可起到抑制谐振过电压的作用。当发生接地故障时，中性点出现电压，能迅速切除故障，可降低设备绝缘水平。继电保护可方便地监测接地的故障线路。222.2.3 风电场的接地的系统风电场的接地的系统n风电场接地系统特点风电场接地系统特点:风电场延伸至几公里范围 现代风力机的高度使它们易遭受雷击 它们有的位于山顶的高阻性地基上23风电场接地系统方案风电场接地系统方案Rturbine风力机接地电阻；Rshunt风力机就地接地网（环）；R series风力机之间接地线串联电阻；Lseries串联电感；对于雷击在

14、风力机上的高频分量，串联电感（阻抗大）的作用有效地把接地网络简化为仅仅当地风力接地系统n 24接地系统设备n接地体接地体：水平接地体水平接地体，环形导体，围绕着地基，深度1 m（有时称为平衡接地）；垂直接地体垂直接地体是杆，埋入地下。n接地网接地网：连接一个接一个风轮机的水平电极n接地电阻（阻抗）：接地电阻（阻抗）：风电场一般要求小于10 25两个风电场接地阻抗实测结果两个风电场接地阻抗实测结果即使在50 Hz下，接地阻抗的电阻和电抗几乎是相等的（X=R），对系统的设计和检验有重要意义。水平接地导体长，不可能用常规的计算方法（用于小的，纯纯电阻电阻的接地网络），有必要考虑长接地导体的阻抗阻抗作

15、用。土壤条件不同，接地阻抗值不同262.3 风电场的防雷保护风电场的防雷保护n雷击是非常复杂的自然现象，包含一系列的气体放电电流。术语“闪电”用来描述放电序列，它利用相同的电离通道，可以持续达1s。闪光的各个部分叫雷“击”。n雷闪通常分成4种主要类型：起初向下，负的和正的极性；起初向上，负的和正的极性。n通常由带电雷云引起，负电荷雷云传递负电荷到地(起初向下负极性)是最普遍的。向下的负闪电典型的是由高幅值的电流脉冲组成的，持续时间几个ms，持续流过的电流几百A。然后，随着雷云和地之间初始传递电流的熄灭，可能有多次再击雷。27雷闪形成雷闪形成n雷闪是自然界中的大气火花放电现象。当带电的雷云之间或

16、雷云与大地之间出现很高的电位差时，就会发生放电，电荷迅速中和。放电会产生强烈的光和热，通道温度高达15 00020 000度，使空气急剧膨胀、震动，发出隆隆声响，形成雷闪n雷云带电和放电过程可解释如下:潮湿的热气流不断上升，进入稀薄的大气层时冷凝成云。当强烈的上升气流穿过云层时，水滴因碰撞而电离。微细的水末带负电，上升形成带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中形成带正电的局部雷云区。大多数雷云带负电大多数雷云带负电，并在地面感应出大量正电荷并在地面感应出大量正电荷。在带有大量异号电荷或不等数量电荷的雷云间或雷云与大地间，会出现高达数十至数百兆伏的电位差。随着雷云的发展，一旦空

17、间电场强度超过大气电离的临界电场强度(空气中约30千伏每厘米，有水滴时约10千伏每厘米)时，强烈的大气放电就发生了。28雷电特性雷电特性n对雷云生成和气体放电来说，有各种各样的影响因素，所以雷闪放电是一种随机现象，表征其特性的参数具有随机性。雷暴日数平均每年有雷闪的天数来表示雷闪放电的频繁程度，地面落雷密度每一雷暴日每平方公里地面的落雷次数，用雷电流峰值雷电的强烈程度，用雷电流脉冲的波前时间、半峰值时间脉冲从零开始升到峰值再降至半峰值的时间雷电流的变化快慢。n在我国，雷暴日数差别较大，西北地区少于20日，长江以北、华北、东北2040日，长江以南4080日，华南80日以上，海南岛达100130日

18、。我国的地面落雷密度为0.015。雷闪放电中，75 90%为负极性为负极性。雷闪脉冲电流的峰值高，12%的雷电流超过100千安，最高可达二三百千安。雷电流的变化时间快，脉冲波前时间为15微秒，半峰值时间为20100微秒。29 风电场的防雷保护（续）风电场的防雷保护（续）n雷击对风轮机是一个重要的潜在的危害，n多年前认为，风轮机叶片采用不导电的玻璃钢（塑料）或环氧树脂等制成，因而不需要提供直接的保护。n现在大量的现场经验表明，雷击会加到由这种材料做的叶片上，如果没有安装合适的保护系统，可能造成灾难性的损害。当然如果碳纤维（它是导电的）被用来增强叶片，则需要另外的防范。30雷电过电压雷电过电压n雷

19、电过电压是因雷闪而使设备承受的电压升高的现象。根据形成机理的不同，可将雷电过电压分为直击雷过电压直击雷过电压和感应雷过电压感应雷过电压。n直击雷过电压直击雷过电压雷闪直接击中设备的带电导体或接地金属部分时产生的过电压 雷闪击中带电导体(如架空输电线)的称为直接雷击，它可能使带电导体对接地部分产生放电。雷闪击中接地部分(如输电线路铁塔)时，强大的雷电流流经接地部分的电阻、电感，使其由地电位升至很高的电位，有可能反过来对设备的带电部分放电，这种雷击称为反击。n感应雷过电压感应雷过电压雷闪击中设备附近地面，雷云中电荷与大地中积聚的电荷中和放电时，由于空间电磁场急剧变化而使设备感应出的过电压称为感应雷

20、过电压。主要发生在架空输电线路上，其峰值一般不超过300400 千伏。31雷闪的危害雷闪的危害n雷闪危害来自两个方面雷闪危害来自两个方面：雷直击于电气设备；雷击输电线路产生的雷击过电压波沿线路侵入电气设备。n雷闪对电力系统的危害雷闪对电力系统的危害：造成停电事故；电气设备的内绝缘损坏；n雷电对人、畜的危害雷电对人、畜的危害来自雷电直击或“跨步电压跨步电压”。当雷击中地面物体时，强大的雷电流使地面不同位置的电位有明显差别，人行走时两腿间将会有电压作用，这就是跨步电压。n雷电危害高建筑物、通信线路、天线、飞机、船舶、油库等的安全雷电危害高建筑物、通信线路、天线、飞机、船舶、油库等的安全。雷电击中建

21、筑物时，会因强大的冲击电动力和局部的剧烈温升，使建筑物破坏或引起火灾。因雷电电磁感应而引起的金属部件之间的火花放电，会使储存易燃、易爆物品的建筑物燃烧或爆炸。32雷击过电压防护雷击过电压防护避雷针避雷针 由接闪器、引下线和接地体组成，可保护建筑物或电力设备免遭直接雷击。避雷器避雷器 (一)管式避雷器管式避雷器包括外间隙和灭弧管。灭弧管由产气材料制成，装有内间隙；外间隙将灭弧管与电网隔开。雷电过电压使内外间隙放电，灭弧管电弧的高温使产气材料产生气体，高压气体从喷口喷出灭弧。(二)碳化硅避雷器 碳化硅避雷器的基本元件是碳化硅阀片和火花间隙，这些元件串联叠装于密封瓷套内。(三)氧化锌避雷器 氧化锌避

22、雷器的基本元件是氧化锌阀片，串联密封在瓷套内。其他限制措施其他限制措施 并联电抗器、静止无功补偿器限制工频电压升高的数值；快速继电保护减小工频电压的升高及其持续时间；输电线采用良导体架空地线，降低接地故障引起的工频电压升高。33雷闪对风力机的危害雷闪对风力机的危害电动力、电动力、发热、发热、耐压（绝耐压（绝缘）缘）34风力发电机组防雷保护风力发电机组防雷保护n风力发电机组防雷保护主要考虑2个方面:机舱机舱和叶片叶片。n 机舱防雷保护机舱防雷保护是在机舱外壳后端设1个避雷针，并通过钢质外壳及塔筒接地。35叶片雷击保护叶片雷击保护叶片的防雷保护叶片的防雷保护，主要是在叶尖两侧安装雷电接闪器，通过叶

23、片上的分布传导系统，与轮毂和机体相连，机体和塔身以专用2252铜电缆相连，塔筒与接地网连接。36发电机防雷保护发电机防雷保护n发电机本身发电机本身、控制器控制器和传感器传感器的防雷保护是通过机组和设备装有的压敏电阻分别行进保护。为防止线路入侵雷电流，电气设备在10母线上装设避雷器。为满足风力发电机组防雷的要求，在风力发电机组周围应设置以垂直接地极为主的环行接地网，要求接地网的接地电阻不大于10。372.3.3 2.3.3 内部防雷内部防雷(过电压过电压)保护保护n对于雷击引起的内部过电压，可以采取如下措施：等电位汇接等电位汇接。风速计和风标与避雷针一起接地等电位；机舱的所有组件如主轴承、发电机

24、、齿轮箱、液压站等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主柜作为等电位；地面开关盘柜由一个封闭金属盒，连接到地等电位。隔离。隔离。在机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光纤电缆连接；对处理器和传感器，分开供电的直流电源。安装过电压保护设备安装过电压保护设备。在发电机、开关盘、控制器模块电子组件、信号电缆终端等，采用避雷器或压敏块电阻的过电压保护。382.3.4防雷标准及接地电阻要求防雷标准及接地电阻要求n雷电保护分为外部雷电保护和内部的雷电保护。按照1024 1标准，以雷电5个重要参数，确定保护水平分级(表2.5)。n风机叶片(如叶片)的防雷，按照1024 1的级保护水平设计，并通过有关型式试验，叶片

25、避免直击雷的破坏大有改善。外部直击雷打到叶片，将雷电引导入大地不难。n风力发电机组在离地4050机舱内的设备，和地面控制柜设备都与雷电引下系统有某种相连，雷电流引起过电压，造成这些设备的损坏是面广而棘手问题 表2.5雷电保护水平等级闪电参数39对接地电阻要求对接地电阻要求n雷电流引起过电压，取决引下系统和接地网。目前，国际风机厂家对接地电阻值的要求很不一样:丹麦(、)允许较大，美国()和西班牙()次之，德国(、)要求地电阻值最小。n我国尚没有风力发电机组防雷和过电压保护(包括接地电阻值)的行业标准表2.6 国外厂家对风电机地电阻的要求402.4 电气保护电气保护电气保护的概念电气系统相互影响；

26、电气系统故障不可避免；正常与非正常；电量分析与故障识别大电流的危害：(1)由于大电流流入接地阻抗引起的过电压对生命的危害(2)大电流破坏性发热和电磁影响对设备的危害；(3)对电力系统稳定性的危害。41网络保护概念：可靠性、选择性、快速性、灵敏性网络保护概念：可靠性、选择性、快速性、灵敏性42风电场典型的保护配置风电场典型的保护配置43保护分区保护分区n区域区域D：在风轮机塔的底部，690 V断路器(铠装断路器)用来保护下垂电缆和发电机，n区域区域C：从风力机变压器到塔基柜的690 V连接电缆。保险丝或断路器做变压器690 V侧电缆保护。裸导体问题。n区域区域B：11kV/690V变压器，包括它

27、周围的690 V端部区域。变压器激磁浪涌电流问题。检测690 V端故障要充分灵敏。采用11 kV负荷开关（组合的保险丝-分断器），11 kV侧故障大的故障电流由11 kV保险丝切除。低压端的故障电流较小，保险丝不能有效地切除，由分断开关切断。有限接地故障保护有限接地故障保护，检测从低压绕组和端部区域到地的漏电流，n区域区域A：11 kV电缆电路，这是常规方式保护，有动作于11 kV 断路器的过电流保护过电流保护和接地故障保护接地故障保护。44风电场与33（35）kV电网相连的保护 风电场与33 kV电网相连时没有主变压器；33/11 kV 变压器的保护类似变压器的保护类似于公用电网同容量变压器

28、的保护于公用电网同容量变压器的保护方式；方式；33 kV 开关保险丝不容易获得，开关保险丝不容易获得，对于预期故障电流的整个范围，对于预期故障电流的整个范围，难以提供难以提供33 kV/690 V变压器的变压器的全面的保护；对于低电压端的单全面的保护；对于低电压端的单机相接地故障，有效的保护是特机相接地故障，有效的保护是特别困难的；别困难的；综合保护？综合保护？45风电场配电网配置风电场配电网配置n母线n主变n互感器n断路器n避雷器n电缆n接地46风电场线路继电保护风电场线路继电保护风电提供的短路电流小，衰减快；风电提供的短路电流小，衰减快；保护动作快速（保护动作快速（10），计及风电提供的短

29、路电流；），计及风电提供的短路电流；保护动作快速（保护动作快速（10），不计风电提供的短路电流；），不计风电提供的短路电流；考虑加方向逻辑元件；考虑加方向逻辑元件；472.4.2 异步发电机孤立运行和自励磁异步发电机孤立运行和自励磁n固定速度的风力机采用异步发电机发电时，没有直接可用的励磁系统。异步发电机的激磁电流来自发电机的定子，也就是需要从系统吸取无功功率。为了减少从电网提供的无功功率，通常采用机端就地配置功率因数校正电容器（power factor correctionPFC）。只要异步发电机连接于配电网，它的端电压就被固定，PFC的作用只是减少从网络中吸取无功功率。一旦异步发电机与系统

30、解列后孤立运行，则有可能引起异步发电机自励磁（self-excitation），导致高的过电压。n异步发电机从电网解列后，失去了负荷，就要加速。发电机旋转速度的增加，因此频率升高，增加了自励磁的可能性。有许多关于连接于配电网的风力机变成孤岛和过电压对用户设备危害的报告。48异步发电机与功率因数校正电容器等效电路异步发电机和功率因数校正电容器的等效电路，但没有连接到网络（与网络解列，成为孤岛）。在正常运行速度和频率时，异步发电机滑差(s)是很小的，因此转子支路的电阻是很大的，作为最初的近似，可以认为开路。因为定子阻抗(Rs+jXs)比激磁电抗jXm小得多，所以等效电路简化成PFC和激磁电抗的简单

31、并联，这是LC并联电路，但在这种情况下，由于激磁饱和，Xm是电压的非线性函数。49图2-11 两个频率下自励磁的说明 IC-电容器中电流，Im-异步发电机激磁电抗中电流n能量从风力机加到这个电路中，一种因为风力机转子加速可能发生的电压的指示可以通过考虑电容器和电感器电压相交来获得，因为在这个简化模型中的每个元件的电流是相等的。如图2-11所示，点X表示频率f1，譬如说50 Hz下的自励磁电压，而点Y为频率增加到f2，譬如说55 Hz 的自励磁电压。n自励磁可以通过限制PFC的电容(包括任何配电网的电容)到在任何可信的频率范围（在过速期间可能会遇到的）都不会导致谐振条件。n另外，这种谐振条件的可

32、能性必须认识到，如果发生孤岛，就安排快速动作的过电压和过频率保护来停止风力机。502.4.3 界面保护界面保护n需要一种保护，能保证风电场不向配电网络故障提供故障电流或不向网络孤立部分供电。n断路器断路器A打开：打开：对于网络上的故障，困难的是风力机不是一个可靠的故障电流源，因此断路器B不能由过电流保护来跳闸，网络的基于电流动作的保护被用来打开断路器A，这样风力机被隔离，n风力机还存在机械输入加速风力机还存在机械输入加速，但不再输出功率到网络。这个加速如故障发生一样快，因为在断路器A跳闸前，因故障降低了网络电压，制约了电功率输出n断路器断路器B打开：打开：由检测风力机旋转速度增加的过频率继电器

33、或由检测与网络连接点的电压的低/过电压继电器失去电压变化的监控而打开。n过/低频率继电器和过/低电压继电器有一个时间延滞，例如500 ms，以减少误动作n在大风中，风力机按机械过速保护而停运。51风力发电机被解风力发电机被解裂成孤岛问题裂成孤岛问题n发电机被隔离后，利用电压和频率灵敏的继电器动作的顺序跳闸，在常规电力系统保护中并不认为是好的习惯。然而由于异步发电机或电压源换流器的应用，选择余地很少，这种安排在风电场通常是公认的。n断路器断路器B不打开：不打开：孤立运行的问题是有可能风力机的输出（就有功和无功功率而言）正好和当地负荷相匹配。在这种情况下，即使断路器A打开，风力机的电压和频率也不改

34、变，因此断路器B不会打开。n许多配电公司对可能的孤立运行很敏感，这有多方面原因：用户可能得到的供电的电压和频率越限；网络部分有可能没有合适的中性点接地运行；与非同相重合有关的危险；工作人员操作配电网络的潜在危险；52非同相重合闸n重合闸概念n配电电路有自动重合闸，使得暂态故障，特别是在架空线路上的故障能切除而不延长对用户的停电。n从风电场运行人员的观点看，风电场成孤岛后，主要的危险是在非同相重合闸方面。n含风电场后，断路器A可安排在打开后几秒钟实行重合。如果断路器B仍在合闸位置，那么因为网络电压加在非同相的风力机上，将发生很大的电流和转矩。53单相接地问题单相接地问题n单相接地故障。单相接地故

35、障。这种类型故障在架空线上是很普通的。n风力机变压器（例如33/0:69 kV）在高压侧有一个三角形绕组接线，没有中性点接地，这样就没有地电流可以流通的路径，不能确定单相接地故障的发生。事实上某些杂散的电容性电流将会流过，但它不足以使常规接地保护动作，而可能导致间歇性电弧。n解决办法：利用中点电压偏移继电器中点电压偏移继电器去检测接地电路一相的电压，因为中性点被移位了。这种方案的缺点是它的费用，因为高压侧电路需要一台复杂的（五铁芯柱）互感器，可用于大的风电场，小风电场不太经济。54界面保护有待进一步研究界面保护有待进一步研究n分界面的保护不同国家有很大变化(CIGRE,1998,CIRED,1

36、999)。有些国家喜欢用转移跳闸，当上游公共断路器打开的时候，这个动作通知到风电场断路器，然后它就立即打开。虽然这提供了一个防备孤立运行的保证，但要实现如需要与许多远方断路器通信通道可能是很昂贵的。n荷兰荷兰所有的配电系统都是在地下的，所以自动重合闸不用来在架空线路瞬时故障后重合电路，对于失去主保护也没有要求。n在德国，正序低电压继电器广泛应用，似乎在检测孤岛运行方面是有效的。n随着时间的推移，实践将会趋于一致，但在目前，许多国家仍将有很大不同。552.5 风电场的储能技术风电场的储能技术n电能生产的一大特点是电能不能大规模储存。大规模储能技术和储能装备是电力和电器行业中备受关注但尚未解决的难

37、题之一。电力系统对用户的电能供应必须时刻处于平衡状态下，用户需要多少电力，电厂和电网就得供给多少电力，既不能多，也不能少，一旦这个平衡遭到破坏，轻则电能质量恶化，造成频率和电压越限，重则引发大规模停电事故，这给电力生产和调度带来很大困难和压力。n大规模储存电能可以解决电力生产中的峰谷差的难题；提高电力系统供电的可靠性，避免突然停电带来的麻烦和损失；储能装置可以提高系统的稳定性，在电力系统遇到大的扰动时，避免系统失稳；储能装置是风力发电、太阳能光伏发电或热发电等可再生不稳定能源发电设备中必不可少的装备，有了储能装置的配合，这些不稳定的发电设备才有可能向用户稳定地供电。56储能原理和在风电中作用储

38、能原理和在风电中作用n储能技术遵循能量转换原理，其主要的能量转换方式有：化学储能化学储能蓄电池、合成燃料、化学蓄热；电磁储能电磁储能超导储磁场能、电容器储电场能；机械（力学）储能机械（力学）储能飞轮、抽水蓄能电站、弹簧、压缩空气；热储能热储能显热蓄热、潜热蓄热。n储能技术在风力发电中的作用有两个方面：对系统起稳定作用。风力发电提供平均负荷，储能装置提供短时峰荷，使风电能平稳输出。是在风电不能正常工作时起过渡作用。n目前应用和研究的储能技术主要是：抽水蓄能；抽水蓄能；飞轮储能；飞轮储能；可充电电池可充电电池储能；储能；电磁场储能；电磁场储能；压缩空气储能和氢储能压缩空气储能和氢储能57抽水蓄能抽

39、水蓄能n抽水储能电站是当前唯一能大规模解决电力系统峰谷困难的一种途径。它需要高低两个水库，并安装能双向运转的电动水泵机组即水轮发电机组。当电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。这种方案的优点是：技术上成熟可靠，其容量可以做得很大，仅受到水库库容的限制。缺点首先是建造受到地理条件的限制，必须有合适的高低两个水库。另外，在抽水和发电两个过程中都有相当数量的能量是损失掉的。还有一个缺点是这种抽水储能电站受地理条件限制，一般都远离负荷中

40、心，不但有输电损耗，而且当系统出现重大事故而不能工作时，它也将失去作用。58飞轮储能飞轮储能n这种大规模储能实际上是一种较为古老的技术。基本思想是，在谷值负荷时，将多余电力输入电机，使其驱动飞轮加速，这大概需要几个小时，例如从午夜到清晨。然后飞轮保持在高速下转动，到出现峰值负荷时，让飞轮驱动电机作为发电机运行，使飞轮的动能变成电能供给电网。在这一过程中飞轮转速下降，直到它的最高转速的一半左右。转换成电能时，采用变速恒频的电力电子技术，输出电能的频率可保持不变。同时，飞轮机组可以制成单元型，根据需要组合成更大功率的装置，并安装在负荷附近，这样既可根据需要扩展规模，又可避免输电损失。n由于磁悬浮轴

41、承和飞轮密封在真空容器内减少了运行损失；高强度材料的出现，可以使飞轮有更高的转速，储存更多的能量；电力电子器件和技术的进步，使得电能转换和频率控制技术能够充分满足电力系统的要求，使飞轮储能日益有希望。59可充电电池储能可充电电池储能n另一种只在小能量规模的方式下应用的储能方式是电化学储能，也就是二次电池或可充电电池储能。这也是一种有悠久历史的储能技术。近年来随着电池技术的不断进步，采用可充电电池的大规模储能已用于生产实际，在独立运行的风力或太阳能电站中，蓄电池储能已成为基本的装备。表2-7 给出了几种蓄电池储能方式的比较。60电磁场储能电磁场储能n电磁场储能则是在真正意义上的储存电能，突破了中

42、间环节的限制。它可分为电场储能和磁场储能两个方面。磁场储能就是在电感线圈中注入电流，根据/2这个经典公式而储存电能。n磁场储能目前看好的是超导线圈储能。由于超导线圈在运行时没有电阻，因此它的储能效率很高。n超导线圈储能的电流密度远高于常规线圈，可以做到很高的储能密度。n它可以用极快的速度吞吐电能（有功和无功），适合于在瞬变状态下，例如电力系统的暂态过程下使用。在美国等已有商用的超导储能储能装置。61电磁场储能（续）电磁场储能（续）n电场储能是利用电容器储存电荷的能力来储存电能。n超级电容器超级电容器：具有超大电容量的电容器，它的电介质具有极高的介电常数，因此可以在较小体积制成以法拉为单位的电容

43、器，比一般电容量大了几个数量级。n电容器储能同样具有快速充放电能的优点，甚至比超导线圈更快。n不需要复杂的深冷设备。n超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般仅有几伏耐压。根据电容储能的能量为 U/2的公式，如果能把电压提高，则储能将以平方的关系增长。这正是目前超级电容的研究方向。62压缩空气储能和氢储能压缩空气储能和氢储能n压缩空气储能很早就用于气动工具，但它的原理和抽水储能基本相同，最关键的难点是找到合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。n氢储能的提出主要是受到燃料电池成功开发的影响。燃料电池（fuel cells，FCs）是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术。它是一种将储存在燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）的化学能，通过电化学反应过程直接转化为电能的电化学发电装置。在能源供应中，燃料电池目前已经达到了可供实际使用的阶段，只是它的发电成本太高，还无法与常规发电技术相比。氢储能是在电网功率有剩余时，用电来制氢，在需要时供燃料电池发电用。63几种储能方式的定性比较几种储能方式的定性比较64END 谢谢！65放映放映结束！结束！无悔无愧于昨天，丰硕殷实无悔无愧于昨天，丰硕殷实的今天，充满希望的明天。的今天，充满希望的明天。66