Разработка схемы подключения ВЭС к энергосистеме

Много различных факторов влияют на характеристику, структуру, на комплектующие схемы ветровой электростанции, это может быть единичная мощность ветроэлектрических установок и их количество, на какой местности они установлены, какого типа генераторов электроэнергии они применяют, наличие в них статических приборов. Зависимо от всех этих параметров соединение ветроэлектрических установок возможна по магистральной схеме, радиальной схеме и смешанной. Роза ветров рассматриваемой площадки, единичная мощность ветроэлектрических установок влияют на расположение ветровых турбин и дистанцию между ними.

Магистральная схема применяется при установке ветровых турбин в одну линию, например, это характерно для побережья озер и морей, а также для горных перевалов, искусственных ландшафтов. Обычно в таких районах роза ветров имеет устойчивую вытянутую форму с направлением, а линия расположения ВЭУ располагается перпендикулярно к этим ограниченным направлениям. В этом случае расстояния между ветровыми турбинами может составлять 3-4 диаметра ветроколеса, потому что турбулентные следы исходящие от ветроэлектрических установок не будут влиять на работу расположенных по соседству установок. Современные трехлопастные ветровые турбины мегаваттного типа имеют диаметры от 60 метров до 120. К примеру, если ВП будет состоять из 10 установок и будет расположен на побережье моря, то магистральный кабель иметь протяженность от 1800 метров до 2400 метров.

Если ВП расположен в степной местности, где обычно роза ветров бывает равномерной, можно применить радиальную схему соединения с главной повышающей подстанцией расположенным в геометрическом центре ВП. При этом присоединение к ближайшей электрической сети обычно выполняется кабельно-воздушным путем, потому что на территории ветропарка воздушные линии электропередачи не применяются. При равномерной розе ветров расстояния между ветровыми агрегатами должно быть одинаковыми во всех направлениях. Расстояния между ветровыми турбинами должно составлять не меньше 6-9 диаметров ветроколеса. При рабочих скоростях от 10 до 25 м/с современные ветроэлектрические установки оставляют за собой турбулентный след именно на такое же расстояние. При попадании ветровой турбины в турбулентный поток воздуха снижается ее аэродинамический коэффициент полезного действия. Ветропарки с диаметрами ветровых турбин от 60 до 120 метров будут иметь расположение ветровых агрегатов на дистанции до 600-1200 метров друг от друга.

В настоящее время частое использование получили ветроэлектрические установки с единичными мощностями от 1,5 до 3,5 МВт, с номинальным напряжением 660-690 В на выходе генератора и с диаметрами ветроколеса от 60 до 90 метров.

Из простого расчета можно увидеть, что при указанных выше мощностях генераторов и длин кабельных линий экономичная работа сетей ветропарка возможна когда в них применяются повышенные рабочие напряжения.

Современные ветровые электрические установки имеют собственную повышающий трансформатор, соединение между установок выполняется на стороне СН от 6 до 30 кВ.[2]

Рассмотрим возможные схемы расположения ветроэнергетических установок в составе ветропарка. ВЭУ можно расположить в одном или в двух рядах. Схема соединения ветровых турбин, расположенные в одном ряду показано на рисунке 9.

Рисунок 9 – Схема расположения ВЭУ в один ряд

На рисунке изображена ветровая турбина мощностью 1,5 МВт, диаметром ветроколеса 115 метров с тремя лопастями, марки Е-115 изготовленная компанией Enercon (Германия) [1]. Минимальное расстояние принято в 3 диаметра ветроколеса, то есть 115 х 3 = 345 метров. Ветровая турбина марки Е-115 представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Ветровая турбина Enercon E-115/1,5 МВт

В случае соединения ветровых турбин в два ряда они расположены в шахматном порядке. Расстояния между ветровыми турбинами, находящихся в одном ряду, приняты в 3 диаметра ветроколеса, а между ветровыми турбинами, находящихся в первом ряду и во втором, расстояния приняты в 6 диаметров ветроколеса. Схемы расстановки ветровых турбин в два ряда показаны на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11 – Рекомендуемые минимальные расстояния между ветровыми установками при расположении ВЭУ в два ряда

Рисунок 12 – Схема расположения ВЭУ в два ряда

Используя два возможных способа расстановки ветровых турбин, исследуем ряд вариантов соединения ветроэлектрических установок между собой и подключения к энергосистеме. Рассмотрим варианты при условиях расположении ветровых установок в один ряд с повышающей подстанцией в геометрическом центре ветропарка и с расположением в начале ветропарка, при условии расстановки ветровых турбин в два ряда, когда повышающая подстанция будет находиться в начале ветропарка. Для каждой выбранной схемы подключения посчитаем потери мощности и падение напряжения в кабельной линии при кабелях с алюминиевой жилой и кабелях с медной жилой.

Вариант 1

Выдаваемая мощность одной ветровой установки Р = 1,5 МВт. Коэффициент мощности cos φ = 0,8. Ветровая турбина имеет собственный повышающий трансформатор 0,4/10 кВ, расположенный на земле возле башни ВЭУ. Расстояния между турбинами равно 350 метров. Номинальное напряжение линии U_н = 10 кВ. Для КЛ 10 кВ между ВЭУ1 – ВЭУ2 произведем расчет проходящей по ней полной мощности S (кВА), реактивной мощности Q (квар), рассчитаем ток I (А), подберем марку и сечение кабеля S (мм²), рассчитаем активные ΔP (кВт) и реактивные ΔQ (квар) потери мощности в линии, определим потерю напряжения в линии ΔU (кВ).

В первом варианте рассмотрим расстановку ветровых турбин в один ряд, повышающая подстанция находится в геометрическом центре ветропарка. Ветровые турбины подключаются к РУ 10 кВ кабельной линией 10 кВ магистрально в две группы, по пять установок на одну магистральную линию, выполняемую из трехжильного кабеля. Полная мощность определяется по уравнению:

(1)

Реактивная мощность определяется по уравнению:

(2)

Определим ток

(3)

Выбор сечения кабеля был выполнен с учетом загрузки КЛ по экономической плотности тока. Экономически целесообразное сечение провода S, мм² определяется из соотношения

S=I_p/J_н, (4)

где I_p– расчетный ток,

J_н– нормированное значение плотности тока, А/мм².

Для кабелей с медными жилами нормированное значение плотности тока равно 2,7 А/мм², для кабелей с алюминиевыми жилами 1,6 А/мм² [3].

Для того чтобы произвести сравнительный анализ по надежности и капитальным вложениям кабелей, возьмем в расчет, что магистральная кабельная линия будет проложена из трехжильных кабелей с алюминиевыми жилами и из трехжильных кабелей с медными жилами.

Определяем сечение кабеля с алюминиевой жилой

Определяем сечение кабеля с медной жилой

Расчетное сечение кабеля с алюминиевой жилой составило 67,7 мм², сечение кабеля с медной жилой 40,1 мм². Выберем фактическое сечение трехжильного кабеля равную 3х95 мм² для кабеля с алюминиевой жилой и 3х50 мм² для кабеля с медной жилой. Активные сопротивления кабелей для сечения 3х95 мм² равно r₀=0,34 Ом/км, для кабелей сечением 3х50 мм² r₀=0,39 Ом/км. Индуктивные сопротивления кабелей для сечения 3х95 мм² равно

х₀ = 0,083 Ом/км, для кабелей сечением 3х50 мм² х₀ = 0,09 Ом/км [3].

Потери активной мощности в линии трехфазного тока

(5)

где I – ток нагрузки линии;

R_л – активное сопротивление линии;

S – полная мощность;

U – напряжение.

Активное сопротивление линии, обусловливающее тепловые потери определяется по формуле

(6)

где r₀ – расчетное активное сопротивление 1 км проводника

линии Ом/км;

l – длина линии, км.

Аналогично считаем потери реактивной мощности

(7)

где Х_л – реактивное (индуктивное или емкостное) сопротивление кабельной линии.

Индуктивное сопротивление линии, создаваемое магнитным полем, образующимся вокруг проводников линии при прохождении тока, Ом:

(8)

где х₀ – расчетное индуктивное сопротивление 1 км проводника линии, Ом/км.

Для трехфазной линии линейные потери напряжения

(10)

где Р – активная мощность, кВт;

l – длина линии, км;

r₀ - активное сопротивление 1 км проводника линии, Ом/км;

U_ном – номинальное напряжение сети.

В кабельной линии между ВЭУ2 – ВЭУ3 возрастает активная мощность, так как в магистральной линии мощности выдаваемые от присоединенных к этой линии ВТ суммируются. Однако надо учесть, что между ВЭУ1 и ВЭУ2 на линии были потери мощности, и значение этой мощности нужно отнять от просуммированной величины активной мощности. Активная мощность на линии ВЭУ2 – ВЭУ3 Р = Р_ВЭУ1+Р_ВЭУ2 – ΔР. Для остальных участков магистральной линии расчеты производились аналогично, и полученные данные были введены и представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчет магистральной линии. Кабели с алюминиевой жилой

Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 13.

Рисунок 13 – Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет магистральной линии проложенной из кабелей с медными жилами показан в таблице 2.

Таблица 2 – Расчет магистральной линии. Кабели с медной жилой

Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой показана на рисунке 14.

Рисунок 14 – Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

При расположении ветровых установок в одном ряду и при расположении повышающей подстанции в геометрическом центре ветропарка, рассмотрим вариант радиального подключения всех ветровых турбин к ЭС. Ветровые установки расположены в одной линии и соединены к РУ 10 кВ при помощи кабелей с алюминиевой жилой. Расчеты велись по тем же формулам, однако тут учитывалось то что каждая ветровая установка подключалась радиально, вследствие чего активные мощности не суммировались. Расчеты введены в таблицу 3.

Таблица 3 – Расчет радиальной линии. Кабели с алюминиевой жилой

Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 15.

Рисунок 15 – Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчеты приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Расчет радиальной линии. Кабели с медной жилой

Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой показана на рисунке 16.

Рисунок 16 – Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

В рассматриваемом нами варианте расположении ветровых установок в один ряд, расположении повышающей подстанции в геометрическом центре ветропарка, соединения возможны по магистральной схеме и радиальной. Отдаленные ветровые турбины выгоднее всего будет подключать магистральной кабельной линией друг с другом и подвести кабель к РУ 10 кВ, а близлежащие ветровые установки подключать к РУ 10 кВ радиально. Исходя из этого, рассмотрим вариант смешанного подключения ветровых установок кабелями с алюминиевой жилой. Расчеты велись аналогично расчетам, произведенным выше, и все данные введены в таблицу 5.

Таблица 5 – Расчет линии смешанного соединения. Кабели с алюминиевой жилой

Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 17.

Рисунок 17 – Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет смешанной схемы подключения ветровых установок кабелями с медной жилой представлен в таблице 6.

Таблица 6 – Расчет линии смешанного соединения. Кабели с медной жилой

Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой показана на рисунке 18.

Рисунок 18 – Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

При соединении ветровых установок с РУ 10 кВ, использовались различные сечения кабелей. Определяем длины кабелей различных сечений для отдельной схемы соединения. Суммарные длины кабелей для Варианта 1 при различных схемах подключения представлены в таблице 7.

Таблица 7 – Суммарные длины кабелей различного сечения

Вариант 2

Во втором варианте рассмотрим расстановку ветровых турбин в один ряд, повышающая подстанция находится в начале ветропарка. Ветровые турбины подключаются к РУ 10 кВ магистрально в две группы, по пять установок на одну магистральную линию, выполняемую из трехжильного кабеля.

Для того чтобы произвести сравнительный анализ по надежности и капитальным вложениям кабелей, так же как и в первом варианте возьмем в расчет, что магистральная кабельная линия будет проложена из трехжильных кабелей с алюминиевыми жилами и из трехжильных кабелей с медными жилами.

При расположении ветровых установок в одном ряду и при расположении повышающей подстанции в начале ветропарка, рассмотрим вариант магистрального подключения всех ветровых турбин к энергосистеме. Ветровые установки расположены в одной линии и соединены к РУ 10 кВ при помощи кабелей с алюминиевой жилой. Расчеты велись по тем же формулам, как и в расчетах первого варианта. Расчеты введены в таблицу 8.

Таблица 8 – Расчет магистральной линии. Кабели с алюминиевой жилой

Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 19.

Рисунок 19 – Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет магистральной линии проложенной из кабелей с медными жилами показан в таблице 9.

Таблица 9 – Расчет магистральной линии. Кабели с медной жилой

Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой показана на рисунке 20.

Рисунок 20 – Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

При расположении ветровых установок в одном ряду и при расположении повышающей подстанции в начале ветропарка, рассмотрим вариант радиального подключения всех ветровых турбин к энергосистеме. Ветровые установки расположены в одной линии и соединены к РУ 10 кВ при помощи кабелей с алюминиевой жилой. Расчеты введены в таблицу10.

Таблица 10 – Расчет радиальной линии. Кабели с алюминиевой жилой

Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 21.

Рисунок 21 – Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет радиальной линии проложенной из кабелей с медными жилами показан в таблице 11.

Таблица 11 – Расчет радиальной линии. Кабели с медной жилой

Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой показана на рисунке 22.

.

Рисунок 22 – Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

В варианте расположении ветровых установок в один ряд, расположении повышающей подстанции в начале ветропарка, соединения возможны по магистральной схеме и радиальной. Отдаленные 5 ветровых турбин выгоднее всего будет подключить магистральной кабельной линией друг с другом и подвести кабель к РУ 10 кВ, а близлежащие 5 ветровых установок подключить к РУ 10 кВ радиально. Исходя из этого, рассмотрим вариант смешанного подключения ветровых установок кабелями с алюминиевой жилой. Расчеты велись аналогично расчетам, произведенным выше, и все данные введены в таблицу 12.

Таблица 12 – Расчет линии смешанного соединения. Кабели с алюминиевой жилой

Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 23.

Рисунок 23 – Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет смешанной схемы подключения ветровых установок кабелями с медной жилой представлен в таблице 13.

Таблица 13 – Расчет линии смешанного соединения. Кабели с медной жилой

Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 24.

Рисунок 24 – Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

При соединении ветровых установок с РУ 10 кВ, использовались различные сечения кабелей. Определяем длины кабелей различных сечений для отдельной схемы соединения. Суммарные длины кабелей для Варианта 2 при различных схемах подключения представлены в таблице 14.

Таблица 14 – Суммарные длины кабелей различного сечения

Вариант 3

В третьем варианте рассмотрим расстановку ветровых турбин в два ряда, повышающая подстанция находится в начале ветропарка. Ветровые турбины подключаются к РУ 10 кВ магистрально в две группы, по пять установок на одну магистральную линию, выполняемую из трехжильного кабеля.

Для того чтобы произвести сравнительный анализ по надежности и капитальным вложениям кабелей, так же как и в первых двух вариантах возьмем в расчет, что магистральная кабельная линия будет проложена из трехжильных кабелей с алюминиевыми жилами и из трехжильных кабелей с медными жилами.

При расположении ветровых установок в два ряда и при расположении повышающей подстанции в начале ветропарка, рассмотрим вариант магистрального подключения всех ветровых турбин к энергосистеме. Ветровые установки разбиты на две группы, по пять ветровых турбин на одной линии и соединены к РУ 10 кВ при помощи кабелей с алюминиевой жилой. Расчеты велись по тем же формулам, как и в расчетах первых двух вариантов. Расчеты введены в таблицу 15.

Таблица 15 – Расчет магистральной линии. Кабели с алюминиевой жилой

Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 25.

Рисунок 25 – Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет магистральной схемы подключения ветровых установок кабелями с медной жилой представлен в таблице 16.

Таблица 16 – Расчет магистральной линии. Кабели с медной жилой

Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой показана на рисунке 26.

Рисунок 26 – Магистральная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

При расположении ветровых установок в двух рядах и при расположении повышающей подстанции в начале ветропарка, рассмотрим вариант радиального подключения всех ветровых турбин к энергосистеме. Ветровые установки расположены в одной линии и соединены к РУ 10 кВ при помощи кабелей с алюминиевой жилой. Расчеты введены в таблицу 17.

Таблица 17 – Расчет радиальной линии. Кабели с алюминиевой жилой

Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 27.

Рисунок 27 – Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет радиальной линии проложенной из кабелей с медными жилами показан в таблице 18.

Таблица 18 – Расчет радиальной линии. Кабели с медной жилой

Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой показана на рисунке 28.

Рисунок 28 – Радиальная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с медной жилой

В варианте расположении ветровых установок в два ряда, расположении повышающей подстанции в начале ветропарка, соединения возможны по магистральной схеме и радиальной. Отдаленные 3 ветровых турбин выгоднее всего будет подключить магистральной кабельной линией друг с другом и подвести кабель к РУ 10 кВ, а близлежащие 2 ветровых установок подключить к РУ 10 кВ радиально. Исходя из этого, рассмотрим вариант смешанного подключения ветровых установок кабелями с алюминиевой жилой. Расчеты велись аналогично расчетам, произведенным выше, и все данные введены в таблицу 19.

Таблица 19 – Расчет линии смешанного соединения. Кабели с алюминиевой жилой

Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой показана на рисунке 29

Рисунок 29 – Смешанная схема подключения ВЭУ трехжильными кабелями с алюминиевой жилой

Для сравнения к этой схеме подключения, примем аналогичный вариант, только ветровые установки подключаются к РУ 10 кВ кабелями с медной жилой. Расчет смешанной схемы подключения ветровых установок кабелями с медной жилой представлен в таблице 20.

Таблица 20 – Расчет линии смешанного соединения. Кабели с медной жилой