Een vereenvoudigde configuratie van windturbines uitgerust met Amerikaanse stijl kasttransformatoren

Windenergie, als een hernieuwbare en schone energiebron, heeft een relatief volwassen technologie en heeft in de afgelopen jaren in China een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Het wordt geschat dat in 2010 de totale geïnstalleerde capaciteit 1,8×10⁴ MW zal bereiken. Windenergie wordt gekenmerkt door een korte bouwtijd, snelle resultaten en de meest kosteneffectieve voordelen. Meestal duurt het slechts ongeveer één jaar om een windpark van 50 MW te bouwen. Na voltooiing zijn de exploitatiekosten laag en is het onderhouds- en bedrijfsbelasting relatief klein.

Overzicht van de gekozen stroomopwaartse transformatoren voor windparken

Elke windturbine-eenheid is uitgerust met een stroomopwaartse transformator, die wordt gebruikt om de gegenereerde spanning (0,69 kV) op te voeren en aan te sluiten op de interne verzamelkabels van het windpark. De eenheidsaansluitingswijze "één machine - één transformator" wordt toegepast voor de bedrading. De verzamelkabels worden via de stroomopwaartse substation van het windpark verbonden met het elektriciteitsnet. Momenteel omvatten de geselecteerde transformatoren voornamelijk drie typen: gewone oliegedrenkte transformatoren (minder gebruikt), Europese prefab-substations en Amerikaanse prefab-substations (ook wel Amerikaanse box substations genoemd). Daarvan worden Amerikaanse box substations momenteel vaker gebruikt.

In vergelijking met Europese prefab-substations hebben Amerikaanse box substations de voordelen van een compacte constructie, volledige afsluiting, kleine volume, gebruik van elleboogtype kabelstekkers, afwezigheid van gasbescherming en eenvoudig bediening en onderhoud. Amerikaanse box substations worden voornamelijk gebruikt in stedelijke distributienetten, zoals woonwijken, industriële parken, commerciële centra en andere plaatsen waar elektriciteit wordt geleverd. In de afgelopen jaren zijn ze breed ingezet als stroomopwaartse transformatoren die windturbines ondersteunen. Hun typische elektrische bedradingsschema (bijna hetzelfde als dat in het distributienet wordt toegepast) wordt weergegeven in Figuur 1. Volgens de eisen van het distributienet zijn Amerikaanse box substations uitgerust met de volgende overeenkomstige beschermingen:

• Oliegedrenkte plug-in fuses, die springen bij het optreden van een kortsluitschade aan de lage spanning zijde van de transformator;

• Oliegedrenkte stroombegrenzende fuses, die snel springen om de transformator af te sluiten bij het optreden van een kortsluitschade aan de hoge spanning zijde binnen de transformator, waardoor voorkomen wordt dat de storing zich uitbreidt.

• Een driefase gekoppelde belastingschakelaar, gedrenkt in olie, die de sluitbeweging van de transformator met belasting kan voltooien;

• Een intelligente circuit breaker (of fusesschuifschakelaar), voornamelijk gebruikt om de belastings zijde te beschermen.

Vereenvoudiging van de beschermingsconfiguratie van Amerikaanse box substations

Vereenvoudigingsprincipes

Een Amerikaanse transformator verwijst naar een transformator die de basiskenmerken behoudt van een Amerikaanse box substation, zoals de constructie, geribbelde koelribben, afwezigheid van gasbescherming, drukaflossers en stroombegrenzende fuses. Echter, het vereenvoudigt de beschermingsapparatuur. Op basis van de samenvatting van de windenergie-exploitatie-ervaring, worden sommige componenten van de netwerkbescherming verwijderd, waardoor het een specifieke transformator voor windenergie wordt.

Vereenvoudigde beschermingsconfiguratie

Het is technisch haalbaar om de netwerkbeschermingscomponenten te verwijderen uit Amerikaanse box substations die worden toegepast in windenergie. De verzamelkabels zijn uitgerust met betrouwbare beschermingsapparatuur (geïnstalleerd in de stroomopwaartse substation). De verzamelkabels moeten worden aangesloten op de stroomopwaartse substation, en na de spanning te hebben verhoogd, worden ze aangesloten op het systeem. De stroomopwaartse station stelt lijnbescherming in voor elke verzamelkabel. Het beschermingsbereik dekt niet alleen de verzamelkabels, maar strekt zich ook uit tot de box substation en de windturbines. Zodra er een kortsluiting of andere fouten optreden op een bepaalde lijn, zal de lijnbescherming werken en die lijn afsluiten. De windturbines zijn uitgerust met een complete set netwerkbeschermingsapparatuur (geïnstalleerd in de grondcontrolekast). Zodra er een netwerkfout of anomalie optreedt, zal de windturbinebescherming werken en de windturbine afsnijden (hier verwijst het netwerk naar het verzamellijnsysteem en de box substation). Tabel 1 toont de netwerkbescherming ingesteld door de windturbinefabrikant.

Sommige beschermingsconfiguraties van box substations zijn relatief eenvoudig. Hun beschermingsfuncties zijn verre van die van de verzamellijnbescherming en windturbinebescherming, en vormen redundante kruisbescherming. Daarom is de netwerkbescherming geconfigureerd in box substations overbodig en kan deze worden verwijderd. Het beschermingsbereik en functies van intelligente circuit breakers kunnen volledig worden vervangen door de netwerkbescherming van windturbines. Bovendien draagt het elimineren van sommige overbodige componenten, zoals belastingschakelaars en plug-in fuses, bij aan het verminderen van potentiële ongelukken en verbeteren van de operationele betrouwbaarheid van de apparatuur.

Beschermingsinstellingen van vereenvoudigde Amerikaanse box substations

Om ervoor te zorgen dat de vereenvoudigde Amerikaanse box substations aan de exploitatie-eisen van windparken kunnen voldoen, organiseerde het Elektrisch Onderzoeksinstituut van Jilin Electric Power Co., Ltd. 18 experts van Jilin Electric Power Co., Ltd., Beijing Sifang Micro-Electronic Co., Ltd., Datang Jilin Company en andere eenheden om de configuratie van vereenvoudigde Amerikaanse box substations zorgvuldig te demonstreren en te beoordelen. Het werd erkend dat de vereenvoudigde Amerikaanse box substation een specifieke transformator is voor windenergie, ontwikkeld op basis van de verwerking van Amerikaanse box substation technologie. Technologisch gezien voldoet het volledig aan de eisen voor veilige en betrouwbare operatie van windturbine-eenheden, heeft goede economische voordelen en kan breed worden gepromoot en toegepast in windparken. De configuratie van de vereenvoudigde Amerikaanse box substation wordt getoond in Figuur 2.

Technische en economische analyse

De meeste windparken hanteren momenteel de oorspronkelijk ontworpen Amerikaanse box substations, waarvan de complexe beschermingsfuncties niet geschikt zijn voor windenergiesystemen. Het gebruik van vereenvoudigde Amerikaanse box substations kan de apparatuurkosten aanzienlijk verlagen, wat goede sociale en economische voordelen oplevert. Voorlopige berekeningen laten zien dat de kosten per eenheid ongeveer 30.000 yuan kunnen worden verlaagd.

Na het elimineren van sommige overbodige componenten zoals belastingschakelaars, plug-in fuses en intelligente circuit breakers, wordt het aantal potentiële ongelukspunten verminderd, wat de kans op ongelukken aanzienlijk vermindert. De bediening is eenvoudig, gemakkelijk, veilig en betrouwbaar, met een aanzienlijke reductie van het onderhoudsbelasting. Vereenvoudigde Amerikaanse box substations zijn toegepast in enkele windparken in de provincie Jilin, waar ze duidelijke sociale en economische voordelen hebben opgeleverd.