1.3 风电场电气系统

风电场电气系统按其作用的不同可分为一次系统和二次系统。担负电能输送和分配任务的系统称为一次系统。一次系统中的所有电气设备称为一次设备。对一次系统进行监视、控制、测量和保护的系统称为二次系统。二次系统中的所有电气设备称为二次设备。

1.3.1 风电场一次系统

风电场电气一次系统的基本构成如图1-5所示。

一次系统指担负电能的输送和分配任务的系统。根据在电能生产中的整体功能，风电场电气一次系统可分为4个主要部分，即风电机组、集电系统、升压变电站及厂用电系统。

1.3.1.1 风电机组

一般所说的风电机组，除了风力机和发电机以外，还包括电力电子换流器（有时也称为变频器）和对应的机组升压变压器（箱式变电站、集电变压器）。目前，风电场的主流风力发电机本身输出电压为690V，经过机组升压变压器将电压升高到10kV或35kV。

按学科领域分，风电机组可分为机械结构和电气结构两部分。风电机组的机械结构是指机组在各种允许的状态下，始终不带电的零部件。相应地，风电机组中，在各种允许的状态下，有可能带电的零部件称为电气结构。

1．机械结构

所有的机械件构成整个风电机组的机械结构。从外观结构上，可以将风电机组划分为以下部分：

（1）转子。转子又称为叶轮、风轮，包括3个叶片和轮毂，以及相应的附件。

（2）传动系统。传动系统包括主轴、齿轮箱、联轴器3个部分。主轴是指叶轮与发电机或者齿轮箱之间的连接部分，起支撑叶轮和传动风转矩的作用；风电机组中的齿轮箱是增速齿轮箱，起到增速作用；联轴器是连接传动轴和非传动轴的弹性部件。对于直驱型机组，其传动系统有较大区别。以金风1.5MW系列机组为例，传动系统比较特殊，没有齿轮箱、联轴器、主轴等部件，叶轮直接与发电机外转子（永磁体）相连接。

（3）发电机。发电机是风电机组最重要的设备之一，是机电一体化的产物。从机械角度看，发电机的安装、对中、减振等都很重要。

（4）液压系统。在风电机组中，液压系统是机组重要的执行系统，主要由动力元件——液压泵、执行元件——液压缸和液压马达、控制元件——各种控制阀、辅助元件——蓄能器和油箱等组成，其作用主要包括高速轴（或低速轴）机械刹车、液压变桨、叶尖扰流器控制、偏航阻尼控制等4个方面。

（5）偏航系统。偏航系统的机械部件主要包括偏航电机、偏航减速器、偏航驱动齿轮、偏航轴承、偏航卡钳。其中偏航卡钳分为机械式偏航卡钳和液压式偏航卡钳两种，偏航轴承分为滑动轴承和滚动轴承两种。

（6）支撑系统。机组的主要支撑件构成机组的支撑系统，主要包括机舱架（机架）、塔架与基础3个部分。

（7）电气柜体。电气柜体主要包含机组的电气控制部件。从机械角度来看，电气柜体的布置、固定也非常重要。

总之，主要机械件包括叶片、轮毂、变桨机构与变桨轴承、主轴与主轴承、齿轮箱、联轴器、机械刹车、偏航机构与偏航轴承、液压站结构、机组润滑装置、机舱架、机舱罩、塔架、基础等14个部分。

2．电气结构

风电机组的电气件分散于机组的各个位置，主要包括：①塔底，即塔内的底部，一般设置有支撑架，称为塔底支架，用于放置各种电气柜和设备；②机舱，即塔桶顶部机舱罩包围的部分；③轮毂，即连接三个叶片和主轴的部件，电动变桨型机组的轮毂中包含用于变桨控制的各种电气件。

用于控制风电机组各处执行机构的接触器、断路器、熔断器、避雷器、继电器、电源模块以及各个地方的供配电设备一般都集中安装在电气柜内，风电机组的电气柜主要包括顶部控制柜、底部控制柜、变频柜、同步开关柜、各种配电柜、变桨内电气柜等，但是并非所有机组都含有以上全部柜体。

尽管各种机组的电控系统设计差别很大，但是根据功能的不同，可以将当前主流机型的整个电控系统划分为变桨系统、变速变频系统、主控系统、接地系统与防雷保护四个部分。

1.3.1.2 集电系统

风电场电气部分一般由若干台风力发电机、机组升压变压器、低压集电电缆、变电站、高压输电电缆等设备组成，通过变电站并入电网。上述的风力发电机、电缆、变电站共同组成了风电场集电系统，即将众多风电机组发出的电能按组收集并送入电网的电气系统。分组采用位置就近原则，每组包含的风电机组数目大体相同。每一组的多台机组输出（经过机组升压变压器升压后）一般采用架空线路或电缆线路直接并联，汇集为多条10kV或35kV架空线路输送到升压变电站。当然，采用地下电缆还是架空线，还要看风电场的具体情况。

风电机组之间的拓扑连接方式以及风电机组串与升压变电站之间的拓扑连接方式均需要经过计算比较之后才能确定。计算时需要考虑的因素有单台风电机组的容量、风电机组的布置位置、不同截面电缆的特性（额定载流量、经济电流密度等）、电缆的造价和敷设价格、升压变电站方式和造价（集中布置还是多座分散式布置，或是多级升压模式），另外还需要考虑到风电场区域内有无不可敷设区域。图1-6所示为风电场典型集电系统的电气接线图。

1.3.1.3 升压变电站

升压变电站的主变压器将集电系统汇集的电能的电压再次升高，达到一定规模的风电场一般可将电压升高到110kV或220kV接入电力系统。对于规模更大的风电场，如百万千瓦级的特大型风电场，还可能需要进一步升高到500kV或更高。

1.3.1.4 厂用电系统

风电机组发出的电能并不是全部送入电网，有一部分在风电场内部消耗掉。风电场的厂用电包括维持风电机组正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场变电站设备用电、运行维护人员在风电场内的生活用电等，也就是风电场场内用电部分。

厂用电系统的接线是否合理，对保证场用负荷的连续供电和发电厂安全经济运行至关重要。由于厂用电负荷多、分布广和操作频繁等原因，厂用电事故在电厂事故中占有很大的比例。此外，由于厂用电接线的过渡和设备的异动比主系统频繁，如果考虑不周、忽略大意，也常常会埋下事故的隐患。统计表明，不少全厂停电事故是由厂用电事故引起的。因此，必须高度重视厂用电系统的合理性及安全运行。

1.3.2 风电场一次设备

一次系统中涉及的设备称为一次设备。风电场内主要的一次设备如下：

（1）进行电能生产和变换的设备，如发电机、升压变压器、电动机等。

（2）接通、断开电路的开关类设备，如断路器、隔离开关、自动空气断路器、接触器、熔断器等。

（3）限制过电流或过电压的设备，如限流电抗器、避雷器等。

（4）用于变换高电压、大电流供测量保护装置使用的设备，如电流互感器、电压互感器等。

（5）载流导体及其绝缘设备，如母线、架空线、电力电缆、绝缘子、套管等。

（6）保证运行人员及设备安全的装置，如接地装置等。

1.3.3 风电场二次系统

对一次设备进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备称为二次设备。

风电场的二次设备主要包括继电器、接触器、控制开关、小母线、成套保护设备等。

由二次设备相互连接，构成对一次设备监测、控制、调节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统，简称二次系统。风电场二次系统，按功能可分为保护回路、控制回路、测量回路、信号回路、操作电源系统等；按设备类型可分为风电机组二次系统、箱式变电站二次系统、控制室二次系统、遥测和遥信系统及升压变电站的计算机监控系统。

1．风电机组二次系统

风电场的监控系统分为现地单机控制、保护、测量和信号以及中控室对各台风电机组进行集中监控，也可在远处（业主营地或调度机构）对风电机组进行监视。

风电机组的控制器系统包括：①计算机单元，主要功能是控制风电机组；②电源单元，主要功能是使风电机组与电网同期。

（1）每台风电机组的现地控制系统是一个基于微处理器的控制单元，该控制单元可独立调整和控制机组运行。控制柜上运行人员可通过操作键盘对风力发电机进行现地监控和控制，如手动开机、停机，电动机启动，风电机组向顺时针方向或逆时针方向旋转。风电机组在运行过程中，控制器能持续监视其转速，控制制动系统使其安全运行，还可调节功率因数。

在风电机组塔架发电机机舱里有手动操作控制箱，在控制箱上配有开关和按钮，如自动操作/锁定的切换开关、偏航切换开关、叶片变桨控制按钮、风速计投入/切除转换开关、启动按钮，电动机启动按钮、制动器卡盘按钮和复位按钮等。

（2）为保证电力系统正常运行，确保供电质量，风电机组配置的保护装置包括温度保护、过负荷保护、电网故障保护、低电压保护、振动超限保护和传感器故障保护等。

（3）风电机组配备各种检测装置和变送器，能自动连续对各风电机组进行监视，在中控室计算机屏幕上可反映风力发电机实时状态，如当前日期和时间、叶轮转速、发电机转速、风速、环境温度、风电机组温度、当前功率、当前偏航、总电量等。

2．箱式变电站二次系统

箱式变电站中的变压器的控制、保护、测量和信号按照GB/T50062—2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》和GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》的规定，变压器配置高压熔断器保护、避雷器保护和负荷开关，高压熔断器作为短路保护，避雷器用于防御过电压，负荷开关用于正常分合电路，不装设专用的继电保护装置。

3．控制室二次系统

风电场控制室布置在110kV变电站内，与110kV变电站中控室在同一房间。在中控室内采用微机对风电场厂区中的风电机组进行集中监控和管理。中控室内的值班人员或运行人员可通过人机对话完成监视和控制任务。

4．遥测和遥信系统

远程监控人员可通过人机对话完成远程监控任务。操作方法与在升压变电站控制室的值班人员的操作方法相同。

遥测、遥信、遥控、遥调称为变电站综合自动化中的“四遥”。

“测”指测量，电流、电压等模拟量数据的本地搜集及远程传输与监视。

“信”指信号，指发生在发电厂和变电站中的某一设备或系统状态的变化，如电压越线、断路器弹簧未储能，它是现场监控设备对于具体和某一设备的状态变化的判别，是逻辑判定后的结果，因此一般用二进制开关量表示。

“控”指控制，其控制对象为断路器、隔离开关等控制设备。

“调”指调整，调整不同于控制，控制最终实现了状态的变化，而调整是在某一状态范围的调整，如变压器分接头的调整。

遥测和遥信用于远程监控，由现场数据采集设备将搜集的数据送给监控单元，而遥控和遥调由监控单元下发控制和调整命令到远方具体的被控被调设备。

目前，遥视系统也开始在系统内得到应用，不同于“四遥”的电气变量的监控，它使用视频监控设备监视发电厂、变电站内的场景和设备的视频信息，因此可以用于安防、事故后设备之间观测、异常事件观测等情况。

5．升压变电站的计算机监控系统

升压变电站是风电场电气系统的重要组成部分。按照“无人值班”（少人值守）原则进行设计，采用全计算机监控方式，通过计算机监控系统进行机组的启停及并网操作、主变断路器和线路断路器的操作、站用电切换、辅助设备控制等。

计算机监控系统主干网采用分层分布开放式结构的双星形以太网，通信规约采用标准的TCP/IP，设置中央控制单元和现地控制单元，中央控制单元和现地控制单元通过冗余10高速以太网连接，网络介质为光纤。中央控制单元设备置于变电站的中央控制室，现地控制单元按被控对象分布。

升压变电站计算机监控系统中央控制配置包括：两台工业级操作员工作站（各配置一台监视器）、一台工程师/培训工作站（配置一台监视器）、一个语音报警及报表管理打印工作站、两台互为热备用的以太网交换机、GPS时钟系统及外围设备等。其主要功能为数据采集与处理、控制操作、运行监控、事件处理、报警打印、自检功能等。

6．升压变电站的继电保护

升压变电站主变压器、110kV线路、35kV线路及箱式变压器的继电保护参照GB/T 50062—2008选用微机型保护装置。