福建省风电汇流变35 kV侧限制短路电流措施

陈增华，刘 莹，李宁凯，王致珍

(1.福建省电力勘测设计院，福建 福州 350001；2.福建永福工程顾问有限公司，福建 福州 350001)

福建省风电汇流变35 kV侧限制短路电流措施

陈增华1，刘 莹2，李宁凯1，王致珍1

(1.福建省电力勘测设计院，福建 福州 350001；2.福建永福工程顾问有限公司，福建 福州 350001)

本文通过对福建省风电场汇流升压变电站35 kV接线方案的对比分析，得出35 kV限流电抗器在风电场汇流升压变电站工程中的应用前景。

高阻抗变压器；限流电抗器；风电场汇流升压变电站；短路电流；热稳定截面。

1 概述

1.1 福建省风电概况

近年来，福建省陆上风电项目发展迅速，截至2012年底福建全省陆上风电核准规模已超过150万 kW，并网规模超过110万 kW。受资源秉赋条件限制，目前福建省在建和规划在近期启动的陆上风电项目主要集中在资源相对丰富的长乐、福清、莆田、龙海等地的沿海区域，这些区域原有的单个风电场项目大多以1回110 kV出线送至附近的变电站。近年由于风电项目的集中建设和投产，风电送出问题逐步显现：一是风电场所在区域大都在远离重负荷区，而110 kV线路输送距离有限，风电场所在地110 kV配电网已无法消纳风电所发电量；二是附近110 kV变电站现有的变电容量和间隔数量也无法满足风电建设的需要；三是在土地资源紧张而风能资源相对丰富的长乐、福清、莆田、龙海等地区，风电场送出的输电线路对当地的土地切割严重，影响地方政府对风电项目建设的积极性。

基于以上原因，为了充分消纳当地风能所发电量、提高土地资源整体利用率、实现区域风电快速发展，福建省发展改革委员会、福建电网公司等单位要求在陆上风能资源丰富区域取消单个风电场项目以一回110 kV线路送出的方案，统一建设220 kV区域汇流升压变电站，让附近多个风电场集中汇流升压后以一回220 kV电压集中送出。

1.2 汇流变设计概述

风电场汇流升压变电站的设计思路与常规变电站有很多相似之处，但由于常规变电站35 kV侧为负荷侧、短路电流仅为系统侧提供，因此短路电流小，都不需要采取限制短路电流的措施，而风电场汇流升压变电站35 kV侧短路电流由系统侧和风机共同提供，每台2 MW风机提供至35 kV侧的短路电流约为0.145 kA，若有90台2 MW风机接于35 kV侧时，35 kV短路电流将大于25 kA；而35 kV集电线路环网柜的短路电流水平一般为20 kA～25 kA，特别对于某些需要将环网柜放置于风机塔筒内的风电场，当短路电流水平超过25 kA时，环网柜将难以放入风机塔筒内；另外，短路电流的增加也会增加35 kV集电线路电缆的热稳定截面，因此，为便于选择设备及减少35 kV集电线路电缆截面，需要对风电场汇流升压变电站35 kV侧采取限制短路电流的措施。为限制35 kV短路电流，可采用高阻抗主变、装设限流电抗器、风机采用直驱型风力发电机、采用多台主变压器35 kV分段接入各主变等方案。风机的型式(直驱或双馈)需根据招标结果确定，电气专业不能强制要求风机采用直驱型式，本文后续也将不对该种降低短路电流措施进行详细论述。装设限流电抗器又可分为在每个风电场接入主变35 kV之前加装以及在每台风机升压至35 kV后加装，在每台风机升压至35 kV后加装虽然每台电抗器的容量小，但是数量多，安装地点分散，不利于运行维护，因此一般考虑在每个风电场接入主变35 kV之前加装限流电抗器。现以福建省某风电汇流升压变电站为例，论述高阻抗主变压器、限流电抗器在汇流升压变电站中限制短路电流的作用。

2 福建省某风电场汇流升压变电站概况

根据系统规划，福建省某汇流升压变电站(以下简称汇流变)共建设1台主变，容量为180 MVA，电压等级比为220/37 kV，推荐变压器阻抗为16%，远景共有4个风电场通过35 kV接入该汇流变，另有两个风电场升压站通过220 kV接入该汇流变，汇流变通过1回220 kV线路送至电网侧220 kV变电站，220 kV侧母线短路电流为16 kA。4个35 kV接入的风电场中，A风电场已投产，B风电场可研已审查，C、D风电场尚未开展。A风电场装机容量为17×2 MW，B、C、D风电场装机容量均为24×2 MW。A风电场35 kV配电装置及35 kV环网柜短路电流水平为25 kA，已投产A风电场35 kV电缆集电线路截面及长度分别见表1。

表1 A风电场35 kV电缆集电线路截面及长度

3 三种接线方案介绍

3.1 常规接线方案

常规接线方案，主变压器选择常规阻抗为16%，4个风电场均以35 kV电压等级直接接入新建汇流变主变35 kV侧，该方案接线示意图见图1，等效阻抗图见图2。经过计算，35 kV侧短路电流计算值约为29.1 kA，对应的35 kV最小热稳定截面为184 mm2，即最小需选择3×185 mm2电缆，由于A风电场35 kV设备短路电流水平为25 kA，表一中已投产A风电场的35 kV集电线路中截面为3×70 mm2与3×150 mm2的电缆不满足热稳定截面要求，因此需将A风电场中截面为3×70 mm2与3×150 mm2的集电线路电缆更换成截面为3×185 mm2电缆，35 kV配电装置、35 kV环网柜需更换成短路电流水平为31.5 kA的设备；由于集电线路电缆截面增加，电缆电容也随之增加，集电线路单相接地电容电流相应增加，接地成套装置容量也需要增大。在常规接线方案下，为能满足短路电流水平及35 kV集电线路电缆最小热稳定截面的要求，B、C、D风电场的35 kV配电装置短路水平应为31.5 kA，35 kV集电线路的电缆截面不应小于3×185 mm2。

图1 常规方案接线示意图

图2 常规方案等效阻抗图(Sj＝1000 MVA)

3.2 采用高阻抗主变压器接线方案

该方案将主变压器的短路阻抗提高做成高阻抗变压器以此来限制低压侧短路电流，经咨询主变压器厂家，目前220 kV双绕组变压器的短路阻抗一般可做到23%，也有运行业绩，至于短路阻抗值更高(＞23%)的220 kV主变压器，技术上是可行的，但考虑到缺少运行业绩和运行经验，因此一般不予考虑，暂考虑采用短路阻抗为23%的高阻抗主变压器。该方案接线示意图见图3，等效阻抗图见图4，经过计算，35 kV侧短路电流计算值降为约23.53 kA，对应的35 kV最小热稳定截面为148 mm2，即最小需选择3×150 mm2电缆，由于A风电场35 kV设备短路电流水平为25 kA，可以满足要求，表一中已投产A风电场的35 kV集电线路中截面为3×70 mm2的电缆不满足热稳定截面要求，因此需将A风电场中截面为3×70 mm2的集电线路电缆更换成截面为3×150 mm2电缆，35 kV配电装置、35 kV环网柜无需更换，由于集电线路电缆截面增加，电缆电容也随之增加，接地成套装置容量也需要增大。在高阻抗主变压器接线方案下，为能满足短路电流水平及35 kV集电线路电缆最小热稳定截面的要求，B、C、D风电场的35 kV配电装置短路水平可为25 kA，35 kV集电线路的电缆截面不应小于3×150 mm2。

图3 高阻抗主变压器方案接线示意图

图4 高阻抗主变压器方案等效阻抗图(Sj＝1000 MVA)

3.3 经限流电抗器接入汇流变35 kV侧的接线方案

该方案为A、B、C、D风电场分别经过1台35 kV限流电抗器接入220 kV汇流变的35 kV侧，该方案接线示意图见图5，等效阻抗图见图6，经过计算，37 kV侧d1点短路电流计算值降为约24.1 kA，d2点短路电流计算值降为约7.77 kA，d3点短路电流计算值降为约9.67 kA，即A风电场集电线路的短路电流为7.77 kA，对应的35 kV电缆的最小热稳定截面降为49.1 mm2，即最小可选择3×50 mm2电缆，B、C、D风电场集电线路的短路电流为9.67 kA，对应的35 kV电缆的最小热稳定截面为61.1 mm2，即最小可选择3×70 mm2电缆。由于A风电场35 kV设备短路电流水平为25 kA，35 kV集电线路的最小电缆截面为3×70 mm2，因此，已投产A风电场的35 kV设备及电缆均可满足改接入汇流变后的要求，无需更换，且在限流电抗器方案下，B、C、D风电场的35 kV配电装置短路水平可降为25 kA，35 kV集电线路的电缆截面不小于3×70 mm2。

另外，为将本工程35 kV侧短路电流限制在一定水平，还有两种接线方案：一种接线方案为每个风电场经一台专用的220 kV主变压接至本工程220 kV配电装置，由于主变压器在等效阻抗图上即等效为电抗，可将本工程35 kV分为4段，其限制35 kV短路电流的原理与35 kV限流电抗器方案一致，但本方案采用的220 kV主变数量多，由于220 kV主变较35 kV限流电抗器成本高，且需增加相应数量的220 kV间隔，因此本方案较35 kV限流电抗器方案在限流作用一致的情况下，增加了大量的投入，因此不考虑每个风电场单独设置220 kV主变压器的方案，本文后续也将不对该方案进行详细论述；另一种接线方案为主变采用分裂变的方式，目前双分裂方案在风力发电场已有较广泛应用，但由于该项目容量较大，为降低35 kV侧短路电流水平，需采用四分裂的主变方案，但四分裂主变在风电场目前还没有业绩，因此不考虑设置220 kV分裂主变压器的方案，本文后续也将不对该方案进行详细论述。

图5 经限流电抗器方案接线示意图

图6 经限流电抗器方案等效阻抗图(Sj＝1000 MVA)

4 三种方案技术经济对比分析

常规接线方案：接线布置均可采用常规的方案，建设运行经验丰富，但需更换已投产A风电场的35 kV配电装置、35 kV接地成套装置、35 kV环网柜及大部分的35 kV集电线路电缆，需A风电场长时间停运改造。B、C、D风电场的35 kV集电线路最小电缆截面为3×185 mm2，要求的电缆截面大，投资多。

高短路阻抗主变压器接线方案：该方案主变压器其造价高，损耗大，但可不更换A风电场的35 kV配电装置、35 kV环网柜，不过需更换A风电场的35 kV接地成套装置及大部分的35 kV集电线路电缆，需A风电场长时间停运改造。B、C、D风电场的35 kV集电线路最小电缆截面为3×155 mm2，要求的电缆截面较大，投资较多。

经限流电抗器接入的接线方案：需增设4组限流电抗器，增加汇流变无功补偿装置容量，增加了投资，增加限流电抗器损耗，但对已投运的A风电场影响小，无需更换已投运的设备或电缆，对B、C、D风电场的设备短路电流参数要求较低，35 kV电缆要求热稳定截面小。

风电场汇流变三种接线方案的经济比较见表1。

根据以上分析，常规接线方案虽然建设运行经验丰富，但常规接线方案投入总费用高，普通接线方案需比经35 kV限流电抗器接线方案增加费用约2142万元(折现后)，高阻抗主变压器接线方案35 kV限流电抗器接线方案增加费用约1432.3万元(折现后)，增加费用数值大，因此，为节省工程投资，该汇流变工程应采用经限流电抗器接线方案。

表1 三种接线方案经济比较

5 结语

综上对比分析，在风电场汇流升压变电站工程中，为限制35 kV侧短路电流，节省投资，特别是当接入汇流升压变电站的风电场中存在已投运的风电场时，为避免更换已投运的设备与电缆，减少已投运风电场的停运改造时间，在经过技术经济比较后，可采用风电场经35 kV限流电抗器接入汇流升压变电站35 kV 配电装置的方案。

对于新建的大容量风电场汇流站，可适当提高35 kV集电线路的电气设备参数和导线面积，主变采用双分裂主变压器的方案，以降低综合造价及简化接线方式。

[1] 水利电力西北电力设计院．电力工程电气设计手册(电气一次部分)[M]．北京：中国电力出版社，1989．

Short Circuit Current Limiting Measure of 35 kV Systemin Wind Farm Confuent Step-up Substation Fujian

CHEN Zeng-hua1, LIU Ying2, LI Ning- Kai1, WANG Zhi-zhen1
(1. Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350001, China; 2. Fujian YongFu Project Consultant Co. Ltd., Fuzhou 350001, China)

In this paragraph, we make a meticulous comparison about various 35 kV electrical connection of one actual project and we will get the role 35 kV current limiting reactor will play in wind farm.

high impendence transformer; current limiting reactor; wind farm confuent step-up substation; shortcircuit current; thermal stable section area.

TM614

：B

：1671-9913(2017)01-0073-05

2014-08-20

陈增华(1984- )，男，湖南攸县人，主要从事电力设计工作。