某压缩空气储能电站的电气可行性研究

某压缩空气储能电站的电气可行性研究

王兴华

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司510663)

摘要：由于风电具有与常规电源完全不同的特性，且风资源丰富的地区通常都位于电网的末端，电网网架结构相对薄弱，电网对接纳风电和消除风电不稳定性对电网影响方法单一，风电快速、大规模的发展使得电网消纳风电的困难更加凸显，严重阻碍了风电的健康快速发展，也使得风电开发建设遇到了前所未有的发展瓶颈。压缩空气储能发电技术的研究成为了必要。

关键词：电站；风电；电气设备；

随着风电在“十二五”期间的持续发展，风电的并网安全问题将越来越严峻。既要满足风电的上网需求，同时又要保证电网的安全稳定运行，成为电力工作者面对的一个难题。电网的调峰能力在某种程度上决定了风电的上网负荷。目前，我国主要采用火电来平衡风电大规模并网。但大规模频繁采用并不可行。原因在于频繁增减火电厂出力，将破坏燃煤电厂发电系统，降低发电效率，缩短设备使用寿命。特别是“十二五”期间风电快速发展，仅仅采用火电平衡风电的方式已经难以满足风电的发展需求。

事实上，欧美各国已采用多种手段来实现风电的大规模并网，包括：（1）增大电力系统备用容量或与相邻电网负荷交换；（2）利用水电、柴油机发电、燃气轮机发电等来平衡风电；（3）将风电场大规模互连；（4）与太阳能发电互补；（5）采用差别电价或资金补偿机制；（6）储能等。其中，储能技术被公认为是根本解决风电大规模并网问题的主要途径。风能/储能系统既可以作为电网的调节装置，又可以直接与风电场相匹配，从而改善电能质量，提高发电和书店设备利用率，提供电压和频率调节服务，以及旋转备用和能量管理等。风能/储能系统在全球多个国家已开始有工程应用。

目前储能可以分为两种类型，一种是大容量储能，是以机械能的形式储存大量电能的技术，以供日后需要时使用。其特点是强大的存储容量，存储电力单位为兆瓦-小时，并可以实现可再生能源的长时间存储。另一种是分布式存储，其缺点是较小的单元存储容量，存储电力较小。持续时间短，电力质量差。现有的两种大规模储能技术是抽水蓄能（PSH）和压缩空气储能（CAES）。

基于上述因素，随着风电装机比例逐渐提高，为了解决电网稳定运行与风电场大规模弃风两大难题，决定研究压缩空气储能技术（CompressedAirEnergyStorage）。CAES是一种适合电力系统的大规模电力储能技术。

以下基于内蒙古某风电场，研究采用压缩空气储能技术方案，电气方面的可行性。

1.工程概述

本项目为新建项目，暂按照1台×1MW“燃气-空气膨胀机”联合循环机组考虑。

初步考虑“燃气-空气膨胀机”联合循环机组以35kV电压等级接入风电场系统。

2.电气主接线

与本项目配套的风电场49.5MW项目工程现状如下：

1）工程总装机容量为49.5MW，机型为单台容量为1500kW风力发电机，功率因数为+0.95～-0.95可调，机组台数为33台。机组经箱式变压器升压至35kV，通过35kV集电线路至110kV升压站，二次升压至110kV后接入当地固北变。

2）33台风机-箱式组变共分4组35kV进线进入110kV升压站，35kV母线采用单母线接线，35kV系统尚有备用间隔。

结合风电场的现状，考虑本项目电气接线方案如下。

A)“燃气-空气膨胀机”联合循环发电机组与箱式变电站的组合方式

发电机-箱式变压器组合选用一机一变单元接线，该接线具有电能损耗少、接线简单、操作方便、各单元机组之间互不影响等优点。

压缩空气发电机组出口电压为0.69kV，采用低压电缆接至箱式变压器，低压侧流过的电流较大(约881A)，为了减少损耗，低压电缆不宜太长，箱式变压器宜就近布置在风机旁。经计算，压缩空气发电机组出口拟采用12根并联敷设的YJV32-0.6/1-1×150低压电力电缆(其中每相四根，电缆带非磁性铠装)和2根YJV32-0.6/1-1×150低压电力电缆(中性点)接至箱式变压器低压侧。

B)集电系统

根据附近风电场装机规模及接入系统电压等级，风电场输变电系统采取二级升压方式，风力发电机组集电线路采用35kV电压等级，每回路电能汇总后通过一回汇总电缆线路直接接入升压站内35kV配电段，再由一台115±8X1.25%/36.75kV/10.5KV（带平衡线圈）分裂主变压器升压至110kV送到固北变。因此，本项目压缩空气发电机可以采用35kV电压等级接至风电场的35kV配电段的备用间隔，再由风电场的主变压器送出至电网。

3.站用电源

本项目站用电采用380/220V，设两面380/220V开关柜。站用电源从固阳怀朔风电场的低压母线的备用回路引接，低压站用电采用抽屉式开关柜，为本项目的照明、通风、检修及阀门等低压电负荷提供电源。

本项目空气压缩机1台，电源为380V，功率约为45kW，直接从固阳怀朔风电场的低压母线的备用回路引接。

4.无功补偿

风电场的无功电源包括风电机组和风电场的无功补偿装置。在计算升压站所需无功补偿装置的容量时，考虑风力发电机组之间发出无功功率和吸收无功功率平衡。计算补偿容量时考虑主变压器、风电场箱式变压器及本项目箱式变压器的无功损耗。

满发时风机出口箱式变压器的无功损耗为：

33台×(0.7%+6.5%)×1.6MVA=3.8(Mvar)

满载时风电场变电站110/35kV升压变压器的绕组损耗为：

1台×(0.58%+10.5%)×63MVA=6.98Mvar

本项目满发时的发电机出口箱式变压器的无功损耗为：

1台×(0.7%+6.5%)×1.25MVA=0.09(Mvar)

合计约为10.87Mvar。（变压器空载电流百分数需制造厂提供，本计算暂按参考产品样本，待查实现场设备数据后再进行复核。）

考虑到场内35kV电力电缆还可提供部分无功，原风电场在升压站35kV母线上装设容量为12.5Mvar的无功补偿装置，新增本项目后，仍可满足要求。

5.主要电气设备选择

选择主要电气设备时，按照设备的额定电流、短路开断容量、最大关合电流峰值、额定峰值耐受电流、3秒额定短时耐受电流和持续时间等参数值进行选择。

变电站

为了使箱式变压器安全可靠地运行和安装施工的简便，选用具有运行灵活、操作方便、免维修、性价比较优的美式箱式变压器，数量为1台。

本项目箱式变压器容量选用1250kVA，三相、双绕组、油浸、自冷、低损耗、全密封、免维护电力变压器。箱式变电站内主要设备如下：

燃气-空气膨胀机”联合循环发电机组本身已对各种故障采取了相应的保护措施，发电机组与升压变压器之间采用低压电力电缆直埋敷设联接。为了节省投资，箱式变压器35kV高压侧装设负荷开关和熔断器。高压室在线路不停电情况下，可分接负荷开关，调整变压器分接头。高压负荷开关与熔断器有联锁装置，它以变压器油为绝缘和灭弧介质，弹簧储能、三相连动，能准确快速地开断或关合额定负荷电流。

6.结论

基于以上的分析论证，该依托于该风电场的压缩空气储能技术方案，在电气方面是可行性的。