采用动态无功补偿技术的事故备用电源系统在风电场的应用技术研究.doc
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1、采用动态无功补偿技术的事故备用电源系统在风电场应用技术研究1项目背景1.1 项目介绍 莆田萩芦、白鹤风电场位于莆田市涵江区萩芦镇与新县镇交界处的西北东南走向的大山山脉上,涉及萩芦镇的利东、新县镇的外坑等村庄。场址东与福清市交界,西南距涵江城区直线距离约17km。场址中心地理坐标为东经1190825、北纬253548。 莆田萩芦风电场布置24台Vestas V90 2MW和1台Vestas V90 1.8MW风机,总的年发电量12443.1万kWh,平均年发电利用小时数为2498.62h,上网电量12044.9万kWh,等效满负荷小时数2418.66h,容量系数0.276。 莆田白鹤风电场布置2
2、4台Vestas V90 2MW风机,风电场年上网电量11327万kWh,等效满负荷小时数2360h,容量系数为0.269。1.1-1 莆田萩芦风电场地理位置示意图1.2 极端天气对风电场的影响 本工程风场地处东南沿海,东临台湾海峡,其地理位置刚好位于台湾海峡气流狭管效应影响范围,靠近海边的年平均风速大都在8.0m/s左右,局部风速超过9.0m/s,风能资源丰富。此地区距离电力负荷比较近,电网也比较发达,适宜风电场项目开发,但也属于台风频繁光顾的地区。如何有效地利用沿海地区丰富的风资源,预防极端条件下给设备带来的致命性危害,如何更好地使风电场趋利避害,对风电场设计、场址、机位、设备的选择提出较
3、高要求,选择优劣与否对风电场以后的运行效益至关重要。 由于台风这种强对流天气的特性,台风中心通过时,其风向会发生剧烈变化,一般可在12小时内发生90-180的突变。台风影响过程中,极大风速、湍流和风向突变是造成风电机组破坏的三大主要因素。因此风力发电机组需配置自动偏航系统,此系统可以使风力发电机组在风速超过切出速度时,自动停机、顺浆并不断跟踪风向,避免叶片和机舱受到损坏。 图1.2-1 历年正面登陆福建省的热带气旋路径示意图 据统计,19592010年的52年间,在福建沿海登陆的热带气旋共有134个,平均每年2.58个。最多的年份有5个,为1980年、1990和2010年;无台风的年份为196
4、4年。从不同年代登陆台风可看出(见图5-2-2),20世纪60年代、90年代与21世纪初期登陆台风最多。图1.2-2 福建省不同年代登陆热带气旋频次分布图(2)登陆福建沿海的热带气旋强度 福建省靠近台风源地,是受台风正面袭击或者影响最为严重的省份之一。据统计,19612009年49年间登陆和影响福建省的热带气旋多达321个,平均每年6.55个。 以登陆前六小时内的最大风速表示登陆热带气旋强度,统计正面登陆福建沿海热带气旋出现的频率,成果见表5-2-3。从表中可以看出强热带风暴及以上强度的热带气旋占68.66%,其中以台风和强热带风暴居多,强台风和超强台风仅占总数的9.70%。超强台风和强台风场
5、次发生时间及登陆风速见表5-2-4。2006第8号超强台风“桑美”于8月17日凌晨在闽浙交界的浙江省苍南县马站镇沿海登陆。“桑美”超强台风是1956年以来登陆我国大陆的最强台风。登陆时中心气压920hPa,近中心最大风速60m/s,风力17级。福鼎合岩掌站实测极大风速75.8m/s,超过17级;福鼎台山站风速达56.3m/s,达17级,福鼎市城区连续4小时风速超过40m/s。 正面登陆福建各级别热带气旋出现的频数(19592009年)表1.2-1强度超强台风强台风台风强热带风暴热带风暴热带低压合计总数7644352319134年平均0.130.120.850.670.440.372.58频率(
6、%)5.224.4832.8426.1217.1614.18100正面登陆福建的超强台风和强台风情况(19592010年)表1.2-2气旋类别年台风号登陆时间登陆地点登陆风速月日NE(m/s)超强台风1959483024.7119.9561966149326.3119.8661966159727.3120.5661991771923117.45319931591322.7117511994671024.4120.1512006881027.2120.570强台风19661181626.8120.1461983472523.5118.24519941782127.5121.34619968812
7、5.41204819991410924118.14620071391927.1120.645 莆田萩芦、白鹤风电场测风塔测风期内受影响较大的台风就高达7场,分别为201010号台风“莫兰蒂”、201011号台风“凡亚比”、 201013号台风“鲶鱼”、201111号热带风暴“南玛都”、 201119号热带风暴“尼格”、201209号热带风暴“苏拉”、201214号热带风暴“天秤”。其中“鲶鱼”台风期间测风塔实测极大风速高达40.5m/s。1.3 风力发电机组的选型 依据现场设置的测风塔观测的数据并经过换算,本工程风电场离地80m高度50年一遇最大风速43.0m/s,50年一遇极大风速60.2m
8、/s,根据IEC61400-1 风力发电机组设计必须条件(2005版),本工程风场属于-类风场之间。 由于风力的大小是随机变化的,风力发电机不可能全部利用完,只能利用一个范围的风速,利用风速的上限称为切出风速,这个风速下的风能装置的输出功率就是风力发电机的最大功率,利用风速下限称切入风速,即风能装置能驱动发电机发电的最低风速,一般取发电机最大功率的10%以上。一般切出风速越高,可利用的风速范围越大,但发电机的利用率越低,造价越高,因为高风速几率总是比较小的,而且对低风速的利用就比较差了。选择合适的切入切出风速是设计风力发电机或风电场最基本、最难以选择的参数。如过没有弄清楚切入切出风速很难确定合
9、适的发电机功率。 为了最大限度的利用风场的风能资源,合理优化投资及控制生产成本,经过经济技术比较,本工程采用Vestas的V90 2MW风力发电机组。 根据风力发电机组安全要求,V90风机属于风机,与类风机相比,叶片直径更长,风能利用率更高,但抗台风能力稍弱。本风场加装了备用电源系统,以确保在台风情况下风电场与110kV电网失去联系时,备用电源能向风机提供偏航所需电源,确保风力发电机组的安全。 根据IEC61400-1 风力发电机组设计必须条件(2005版),风电机组按设计风速分类如下:表1.3-1 风机等级及轮毂高度允许风速S/厂家设定年平均风速(米/s)108.57.5由厂家设定并提供计算
10、说明50年一遇10分钟平均风速(米/s)5042.537.550年一遇3秒阵风风速(米/s)7059.552.52本课题研究内容2.1备用电源容量选择研究 萩芦白鹤风电场共装设49台风力发电机组,备用电源应具备足够容量来提供风力发电机组进行偏航,如何在保证机组安全的前提下选择备用电源容量,合理控制造价和运行成本,是本次研究的一个方向。2.2 采用动态无功补偿技术的事故备用电源系统应用技术研究 风电场内采用35kV电缆进线汇流,35kV电缆总长度接近60km。由于导体间电容的存在,线路中的电容电流产生了充电功率,以及各台风力发电机组的升压变压器励磁电流产生的无功损耗,均会影响备用电源的运行。如何
11、采用动态无功补偿技术平衡系统中的无功功率,提高备用电源的功率因数,是本次研究的重点。2.3 备用电源启动方式研究 在启用备用电源的情况下,供用电系统有柴油发电机、柴油发电机升压变压器、35kV电缆线路、风力发电机组升压变压器等各种元件,如何确定各个回路投入顺序,确保整个系统的可靠运行,是本次研究的课题。3 备用电源容量选择研究 萩芦白鹤风电场总装机容量为97.8MW,共装设48台2MW和1台1.8MW风力发电机组。根据机组厂家提供的资料,单台Vestas V80/V90 2MW 风机的有功功率自损耗为:P=40.08kW,其无功功率自损耗为:Q=44.77kVar。1. 风机的自损耗电量 根据
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