風力タービンの設置は、場所においてただ一つのことです。風力タービンで電力が生成された後、電力は少なくとも2つの昇圧変圧器と、その後ほとんど誰も見ない変電所を通過します。この隠れた経路は、風力タービンの計画、建設、または購入に関与する人々のためにさまざまな種類のエンジニアリング決定が行われる場所です。.
この 風力タービンを探る エネルギー省による情報ペーパーは、風力を利用した電力生成の概要を示しています。それは、風力発電所の各タービンが必ず電力を生成し、それをグリッドに到達する前に変電所に送ることを述べています。隠されているのは、このシステムを生産するために何が行われているかです。風力タービンで使用される変圧器の種類、主変電所で使用される変圧器の種類、なぜある国では33kVでエネルギーが集められ、他の国では34.5kVであるのか、EPC請負業者が考慮すべき要件は何かを理解する必要があります。.
このペーパーは、発電機端子から始まり、すべての必要な計算とリストを提供する接続ポイントで終わる風力発電所の完全な電気システムを説明することで、上記の情報のギャップを埋めます。.
A 風力タービン変電所 は、風力タービンから電力網に電力を運ぶ電圧変換および切り替え装置です。通常、2つの段階で機能します。最初に、 昇圧変圧器 各タービンの横または内部に設置され、発電機の電圧（通常0.69 kV）を中間収集電圧の33 kV、34.5 kV、または35 kVに引き上げます。次に、 風力発電所変電所 多くのタービンの出力を集め、再び110 kV、132 kV、または230 kVのような送電電圧に引き上げます。両方の段階がなければ、ライン電流とケーブル損失は風力を経済的に供給するにはあまりにも高くなります。.
風力タービン変電所とは？
普通の言葉では、2つの異なる装置が単一の用語で呼ばれるため、混同しやすくなります。風力プロジェクトを正しく説明するための最初のステップは、区別をつけることです。.
風力タービンからグリッドへの電力の流れ
ローターは風によって動作し、その後発電機から電力が生成されます。発電機からの電力は、ほとんどの場合、電力コンバータを通過し、三相交流が放出されます。この低電圧では距離をカバーすることはできず、その後、風力タービンを介して昇圧され、地下ケーブルまたはアスファルトの上部ラインを通じて送られます。.
タービン昇圧ユニットと風力発電所集電変電所
一つのタービンはタービンレベルユニットによってサービスされます。これは風力タービンの昇圧トランスとして言及されることがあり、通常は中圧スイッチングと保護が一つのエンクロージャに収められたパッケージトランスとして提供されます（時には複合ステーションまたはボックス型ステーションと呼ばれます）。コレクター変電所は全体の風力発電所に対応しています。これは一つ以上の重いトランス、遮断器、バスバー、制御建物、保護リレーを備えた完全機能の高圧ステーションです。.
| 特徴 | タービン昇圧ユニット | 風力発電所コレクター変電所 |
| サービスする | 一つのタービン | プロジェクト内のすべてのタービン |
| 典型的な電圧比 | 69 kVから33、34.5または35 kV | 33–35 kVから66–230 kVまたはそれ以上 |
| 一般的な定格 | 一つのタービンにマッチし、通常は数MVA | 数十から数百MVA |
| 場所 | ナセル、タワーベースまたはタワーの横のパッド | 風力発電所の端にあるフェンスで囲まれたサイト |
| スイッチングデバイス | ヒューズ付き負荷開閉スイッチ、または遮断器 | HV遮断器と切断器 |
| 主な基準 | IEC/IEEE 60076-16、IEC 62271-202 | IEC 60076シリーズ、IEC 62271シリーズ、IEC 61936-1 |
すべての風力タービンは独自の変電所が必要ですか？
各グリッド接続されたユーティリティスケールのタービンは独自の変圧器を必要とします。しかし、完全な変電所は必要ありません。タービン特有のデバイスは、バス保護と制御を備えた完全な変電所の代わりにローカルスイッチングを持つ変圧器と見なされます。コレクター駅は通常、複数のタービンに接続されています。ローカル低圧ラインに接続された分散タービンは例外であり、中圧への変換なしに接続できます。.
風力発電所の電気システムの動作
簡略化された 風力発電所変電所の図, 、典型的な陸上プロジェクトのための単線図として描かれ、次の経路に従います：
- 風力タービン発電機とコンバータ：三相AC電圧、通常は0.69 kV
タービンブースティング用の変圧器：0.69 kVから33、34.5または35 kV
中圧収集電力線：各ケーブル内のいくつかの設置が直列に接続されています
電力を収集するための変電所：MVフィーダー遮断器と主変圧器（34.5/230 kVまたは33/132 kV）
送電回路とユーティリティグリッドへの接続点。.これらの電圧レベルは代表的なものであり、実際の数値はタービン設計、設置場所近くの送電電圧、およびグリッド基準に依存します。.
風力タービン発電機とコンバータ出力
今日の世界で使用されるさまざまなタービンは可変速タービンと呼ばれます。発電機からの電流はDCに変換される必要があり、これはタービン内で行われます。その後、この電流は完全コンバータタービンのグリッド電圧の周波数を持つACに再度変換されます。最終的な結果はタービンの端子でのACですが、タービンが供給する電流の種類は、このタービンの下流にあるさまざまな機器の性能に影響を与えます。.
タービンレベル昇圧変圧器
風力タービンで使用される変圧器は、端子電圧を収集レベルに引き上げ、その定格はタービンの実際の出力ではなく、タービンの総見かけ電力を収容できる必要があります。4 MWの容量と0.95の力率を持つタービンは4.2 MVAを生成するため、変圧器はそのMW容量よりも高い定格で、リアクティブパワーとハーモニクスによる加熱を考慮する必要があります。.
中圧収集フィーダー
この 風力発電所の収集システム タービンをつなげます。NRELの大規模風力発電所の研究では、タービンを34.5 kVバスに接続するフィーダ回路、地下ケーブルまたは架空線について説明しています（NREL、大規模風力発電所のコレクターシステムの同等性）。タービンは通常、ストリングに接続され、蓄積された電流が増加するにつれて、ケーブルの断面積が変電所に向かって増加します。.
コレクター変電所とグリッド接続
フィーダはコレクター変電所内のそれぞれの遮断器に接続されます。コレクター電圧は、メイン変圧器によって送電電圧に引き上げられます。北米の典型的な提出発表では、コレクター電圧は34.5 kVで、メイン変圧器の比率は230/34.5 kVですが、IEC地域では、プロジェクトのコレクターは33 kVで、メイン変圧器の比率は132/33 kVまたは110/35 kVのいずれかです。設置時の追加機器には、収益メーターシステム、コントローラー、ユーティリティインターフェースが含まれます。.
風力タービン昇圧変圧器の位置と設計
タービン変圧器がどこに配置され、どのように絶縁され、冷却されるかは、ケーブルの配線、メンテナンスアクセス、およびプロジェクトに必要なエンクロージャのタイプを形作ります。.
ナセル、タワーベースおよびパッドマウント配置
標準の位置は3つあります。ナセル変圧器はタービンローターの上部に配置され、低電圧ケーブルを短く保ちます。しかし、ナセル変圧器は、運転中の振動に耐えるために効率的でコンパクトな設計が必要です。変圧器はタワーの基部内に配置されています。パッド変圧器はタワー基部の外側のパッドに配置され、冷却を維持し、変圧器のサービスを容易にします。.
油浸型変圧器と乾式変圧器
地上設置では、液体浸漬型の変圧器が非常に人気があります。なぜなら、冷却機構が優れており、過負荷に耐えることができ、通常の電力電圧レベルでの価格も手頃だからです。しかし、屋内では、乾式またはキャストレジン型の変圧器が使用されます。これらは、液体を使用しないため、火災安全性の問題において高い評価を得ています。IEC/IEEE標準60076-16は、風力タービンアプリケーションで使用される両方のタイプの変圧器に関するものです。.
コンパクトな複合変電所が使用される理由
複合変電所は、変圧器、MV切替装置、ヒューズ、およびLV接続を1つの工場製ロックユニットに統合しています。現場で必要な接続が少ないため、組み立てが迅速になり、設置中のテストが減少します。テスト済みの形で供給されるため、設置の品質は大幅に向上します。.
風力発電所における33 kV、34.5 kVおよび35 kVの理由
詳細な説明：690V対35K
三相電流はI=P/(√3*V*PF)として表されます。例えば、P=4 MWを供給できる風力タービンを考えてみましょう。力率は0.95です。.
690 Vで動作する場合、I=(4,000,000/(√3*690*0.95))=3,523 A
33 kVで動作する場合、I=73.7 A
5 kVで動作する場合、I=70.5 A
35 kVで動作する場合、I=69.5 A
電圧が690 Vから35 kVに変わると、電流は約51倍に減少します。抵抗損失と電流の二乗との間には一定の関係があり、I²R損失は実際のイベントで約2,500倍減少します。結局、減少は小さなケーブル、長い可能なフィーダーラン、または同じケーブルからの電圧降下の減少として現れるかもしれませんが、損失は低くなります。.
フィーダー電流と電圧降下
同じ式はフィーダー全体に適用できます。例えば、各4 MWの風力タービン6台（合計24 MW）は、ラインの変電所側で約423 Aの34.5 kV回路を使用します。これは中圧ケーブルが供給できるものに似ています。690 Vで電力を範囲指定する場合、数千アンペアに直面することになります。フィーダーの各セクションは、その電力に応じてサイズを決定し、タービンメーカーの要件に合うように電圧降下の計算を行う必要があります。.
33 kV対34.5 kV対35 kV：購入者が確認すべきこと
| 名目収集電圧 | 一般的な場所 | 典型的な機器電圧クラス | 周波数 |
| 33 kV | IEC市場：英国、インド、中東、アフリカ、オーストラリア | 36 kV機器 | 50 Hz（主に） |
| 5 kV | 北アメリカ | 38 kVクラス機器 | 60 Hz |
| 35 kV | 中国および中国の慣行に基づいて構築されたプロジェクト | 5 kV機器 | 50 Hz |
これらの用語は互換性がありません。35 kV用に設計された変圧器が、同じ信頼性で33 kVネットワークで使用できるわけではなく、50 Hzの変圧器が60 Hzの定格で必ずしも動作するわけではありません。設置される機器の許容電圧、最大電圧、タップ位置の数、絶縁定格、周波数は、プロジェクトの単線図に従って明確に記載されなければなりません。購入者は 33kV風力発電所変電所, 、わずかな 5kV風力発電用変圧器 または 35kV風力発電変電所 これらすべてを問い合わせで明示する必要があります。.
風力タービン変電所の主要コンポーネント
機器リストは、どの段階を見ているかによって異なります。以下の表のすべてのコンポーネントがコンパクトタービンユニット内に設置されるわけではありません。.
| コンポーネント | タービン昇圧ユニット | コレクター変電所 |
| ステップアップトランス | 一つ、タービンにマッチ | 一つ以上の主電力トランス、しばしば負荷切替器付き |
| MVスイッチング | ヒューズ付き負荷開閉スイッチ、または遮断器 | MVスイッチギア内のフィーダー遮断器 |
| 高圧スイッチング | 存在しない | HV遮断器、切断器、接地スイッチ |
| 計器用変圧器 | 限定的またはなし | 保護、制御、収益メーター用のCTおよびVT |
| サージアレスタ | MV側、指定された通り | HVおよびMV側 |
| 接地 | タービン接地システムに接続されたローカルアース | 変電所接地グリッド |
| モニタリング | 油位、温度、ドアおよびスイッチの状態 | SCADA、保護リレー、電力品質メーター |
コレクター変電所に設置されたMVフィーダー遮断器は主に真空遮断器を使用し、主トランスは両端に配置された電流変圧器から供給される差動および過電流リレーによって保護されています。.
風力発電所変電所の保護およびグリッド要件
保護は単一の故障が全体のプラントをオフラインにするのを防ぎ、グリッドコードはネットワークが乱れたときにプラントがどのように振る舞うべきかを決定します。これらは関連していますが、異なる機器によって処理されます。.
トランスおよびフィーダー保護
タービンレベルでは、MVヒューズまたは遮断器がトランスの故障をクリアし、タービンをフィーダーから切り離す役割を果たします。コレクター変電所は各フィーダーのために過電流保護および接地故障を備えています。主トランスは差動保護およびバックアップ過電流保護で配線されています。ケーブル故障が一つのストリングのみを作動させ、残りの発電所を稼働させることができるように設定を調整することが重要です。.
故障乗り越えおよび電圧制御
グリッドコードは風力発電所が電圧低下中にグリッドに留まり、リアクティブパワーを通じて電圧サポートを提供することを要求します。これは全体のプラントレベルで存在すべき能力であり、トランスには依存しません。むしろ、タービンコンバータ、そのソフトウェア、およびプラントコントローラの機能です。トランスは単独で故障乗り越えを提供することはできませんが、そのインピーダンスおよびタップ設定範囲はそのような用途に適しているべきです。.
ハーモニクス、リアクティブパワーおよび電力品質
コンバータは、トランスのコイルに損失を引き起こす高調波電流を生成し、長いケーブルは共振を引き起こす可能性のある静電容量に寄与します。これら二つの問題を分けて考える必要があります。接続点での電力品質は、IEC 61400-21シリーズに従って定義されるプラントの問題です。高調波負荷とトランスの熱設計の問題は主に機器の問題であり、IEC 60076シリーズおよび風力特有の部分16に記載されています。.
SCADAおよびリモートモニタリング
風力発電所は通常、遠隔地に位置し、スタッフが常駐していません。したがって、トランスの保護、温度、アラート、および計測データはSCADAシステムに送信され、オペレーターは中央の場所から風力発電所を監視することができます。.
風力タービン変電所のIEC規格
- IEC 60076シリーズ：この規格は、定格、温度上昇、絶縁、および試験などの基礎を定めています。この規格は、コレクター変電所の主トランスに関連しています。.
IEC/IEEE 60076-16:2018：これらは風力タービンの昇圧用途に使用され、乾式または液体浸漬型のいずれかで、機器の最高電圧は72.5 kVまでです。この規格は、タービンをコレクションシステムに接続するトランスに適用されますが、全体のプラントをグリッドに接続するトランスには適用されません。.
IEC 62271-202:2022：1 kVを超え52 kVまでのACプレファブリケート変電所、高電圧/低電圧の昇圧および降圧設計を含みます。これはコンパクトなタービンユニットに有効ですが、設計および型式試験を通じて遵守を示す必要があり、仮定によっては示されません。.
IEC 61400-21-1:2019：個々のグリッド接続風力タービンの電気特性の測定および評価、電力品質およびライドスルーテストを含みます。.
IEC 61400-21-2:2023：全体の風力発電所に対して同様のことを行い、発電所のコントローラーを含みます。これは、スイッチギア、ケーブル、およびトランスのコンポーネントに関するテストをそれぞれのIEC規格に委ねています。.調達のために各ユニットの定期試験結果を要求してください（変圧比、抵抗、損失、インピーダンス、およびトランスの絶縁試験）に加え、提供される設計および定格に対応する型式試験結果も必要です。異なる電圧クラスまたは定格の型式試験は、あなたのユニットの検証にはなりません。.
陸上と洋上の風力変電所
陸上コンパクト昇圧ユニット
陸上プロジェクトに使用される昇圧ユニットは、地面に固定されるか、構造物に取り付けられ、エネルギーを固定されたコレクター変電所に供給します。陸上プロジェクトではアクセスとメンテナンスが容易です。.
洋上コレクションおよび輸出システム
洋上プロジェクトでは、昇圧トランスがタービン内にあり、アレイケーブルが各タービンを洋上変電所プラットフォームに接続し、その後エネルギーが高電圧輸出ケーブルを介して岸に送られます。洋上プロジェクトは、ますます66 kVアレイシステムを利用しており、非常に遠隔地の海域ではHVDC技術を利用することがあります。.
環境およびメンテナンス要件
海上設計は極端な圧力を要求します。塩水噴霧、湿度、アクセスの問題に対処しなければならないためです。一方、陸上ユニットの要件はそれほど厳しくありませんが、砂漠の熱、極端な寒さ、ほこりの多い条件、高高度などの条件には依然として対処する必要があります。.
風力タービン変電所の選定方法
変圧器の容量と電圧比
タービンによって生成される最大見かけ電力および無効電力に基づいてタービン変圧器のサイズを選定します。選定プロセスでは、コンバータから発生する高調波の影響を考慮することが重要です。最後に、低電圧レベルが端子電圧に対応していること、および高電圧レベルが集電システムの要件を満たしていることを確認してください。.
集電ネットワークおよびスイッチギアの定格
スイッチギアは、システムで予想される最高定格電圧と互換性があり、標準的な短絡レベルおよび接地システムに耐える能力を持っている必要があります。タービンユニット用のヒューズ付き負荷開閉スイッチと遮断器の選択は早期に行うべきであり、これはフィーダー全体の保護調整に影響を与えます。.
EPC請負業者向けRFQチェックリスト
| アイテム | 仕様する内容 |
| タービンデータ | 定格MW、最大MVA、端子電圧、コンバータタイプ |
| 集電システム | 定格電圧（33、34.5または35 kV）、機器の最高電圧、周波数 |
| ネットワークデータ | 短絡レベル、接地方法、フィーダートポロジー |
| 変圧器 | 定格出力、ベクトルグループ、インピーダンス、タップ範囲、冷却、損失目標 |
| スイッチングと保護 | 負荷開閉スイッチとヒューズ、または遮断器；リレー要件 |
| 環境 | 環境範囲、高度、汚染レベル、腐食カテゴリ、エンクロージャー定格 |
| 標準および試験 | 適用されるIECまたはIEEE規格、型式試験証拠、定常試験、立会試験 |
| ドキュメントと供給 | 図面、単線図、マニュアル、スペア、納入条件 |
Subian Electricの風力発電複合変電所
Subian Electricは、上記のタービンレベル段階のための機器を製造しています。 ZGS-35/0.8風力発電複合変電所 6–0.69 kVのタービン出力を35 kVに引き上げ、集電ネットワークに供給します。変圧器、高電圧負荷開閉スイッチ、ヒューズを密閉エンクロージャーに統合し、変圧器絶縁液が絶縁と冷却を提供します。容量、電圧比、保護配置、エンクロージャーは各プロジェクトの単線図に合わせて構成され、見積もり図面で確認されます。.
集電変電所および広範なネットワークのために、Subianはまた、 5 kVスイッチギア用のZN85-40.5屋内真空遮断器 を供給しています。, 油浸式電力変圧器 および 33 kV変電所. のソリューションを提供しています。再生可能な昇圧機器の全範囲は以下にリストされています。 新エネルギーボックスの変更.
再生可能エネルギー発電所における変圧器の役割については、Subianの 新エネルギー電力システムにおける変圧器の役割 と 新エネルギー分野における変圧器の適応性.
よくある質問
風力タービン変電所とは何ですか？
風力タービンを電気ネットワークに接続する機器は、変圧器とスイッチング機器ユニットで構成されています。ほとんどのプロジェクトでは、通常、各タービンに昇圧変圧器があり、集電変電所が集約されています。.
風力タービン発電所はどのように機能しますか？
各タービンは風エネルギーを取り込み、それを回転に変換し、結果として電気を生成します。各タービンの変圧器は電圧を上げ、ケーブルは異なるタービンからエネルギーを集め、最終的な変電所で電圧が再び上げられ、送電網に送られます。.
風力タービンの電気はACですか、それともDCですか？
大型タービンからの電気は交流（AC）です。いくつかの最新のタービンは、発電機の出力を直流（DC）に変換し、その後、グリッド周波数で交流（AC）に変換することができます。しかし、エネルギーは最終的にタービン端子で収集されますが、昇圧変圧器は交流で動作しています。.
風力タービンは家を電力供給するのに十分ですか？
ユーティリティ規模のタービンは、1軒の家が必要とする以上の電力を生産します。DOEの 陸上風力市場レポート：2024年版, 2023年に新たに設置された米国の風力タービンは平均3.4 MWで、DOEによれば1,000以上の米国の家庭に電力を供給するのに十分です。単一の家庭では、家庭の消費量と地域の風資源に合わせた小型の分散型タービンを使用することになります。.
農家はなぜ風力タービンに反対しているのですか？
意見は様々です。一部の土地所有者や近隣住民が提起する懸念には、道路やタービンパッドが畑を横切ること、農場内での機器の移動への影響、騒音や視覚的影響が含まれます。多くの農家は喜んでタービンを受け入れています： ミズーリ大学拡張部 は、作物は通常タービンの周りで成長し続けることができ、リース料はしばしば農地の現金賃貸料を大きく上回ることが多いと指摘しています。.
すべての風力タービンに変圧器が必要ですか？
中電圧収集ネットワークに接続されたすべてのユーティリティ規模のタービンには、ナセル内、タワーの基部、またはタワーの横にあるパッドに設置された昇圧変圧器が必要です。.
風力発電所はなぜ33 kVまたは34.5 kVの収集システムを使用するのですか？
中電圧は690 Vと比較して約50倍の電流を削減し、ケーブル、損失、電圧降下を管理可能にします。正確なレベルは地域の慣行に従います：多くのIEC市場では33 kV、北米では34.5 kV、中国では35 kVです。.
風力発電所に適用されるIEC規格は何ですか？
タービン昇圧変圧器はIEC/IEEE 60076-16に、52kVまでのプレファブリケート変電所はIEC 62271-202に、IEC 60076シリーズは電力変圧器を担当し、風力タービンと発電所の導電性はIEC 61400-21 – 1および61400 -21 -2に記載されています。.
参考文献
- 米国エネルギー省：風力タービンを探る（テキスト版）
- 米国エネルギー省：陸上風力市場レポート、2024年版
- NREL: 大規模風力発電所のコレクターシステムの同等性
- IEC/IEEE 60076-16:2018 パワートランスフォーマー、パート16: 風力タービンアプリケーション用トランスフォーマー
- IEC 62271-202:2022 1 kVを超え52 kVまでのACプレファブリケート変電所
- IEC 61400-21-1:2019 風力タービンの電気特性
- IEC 61400-21-2:2023 風力発電所の電気特性
- ミズーリ大学エクステンション: 土地所有者向け風力エネルギー契約
結論
一般に風力タービン変電所として知られる装置は、各風力タービンのための昇圧装置から成る二相施設として定義できます。この変電所は二つのコンポーネントから構成されており、第一段階は約0.69 kVから33 kV、34.5 kV、または35 kVのいずれかの電圧レベルに変換する役割を果たし、第二のコンポーネントは収集された発電電力を送電レベルに送る役割を果たします。両方のコンポーネントを一つとして考えると、機器仕様が誤ってしまいます。「33 kV、34.5 kVおよび35 kVは相互に交換可能である」という要件も誤りです。必要な電圧レベル、使用される周波数、および見かけの電力定格を正確に把握し、保護装置を整え、RFQに従って試験結果を指定してください。.
最も重要な事実の要約:
– 各タービンには独自のトランスフォーマーが必要であり、1つのコレクターステーションが全体の風力発電所を担当します。;
– 電流は690 Vから35 kVに変換されると約51倍減少します。;
– RFQでは33 kV、34.5 kVまたは35 kVとして電圧を指定し、他のタイプとの競争を避けてください。;
– 障害耐久性はコンバーターと制御によって保証され、トランスフォーマーのみでは提供されません。;
– タイプテストが設計提案に対応していることを確認し、各ユニットに対しても定期テストが必要です。.
風力プロジェクトを計画しており、タービンレベルの昇圧装置が必要な場合、, Subian Electricに連絡してください タービンデータ、収集電圧、および単線図をお知らせください。私たちのエンジニアリングチームが構成を確認し、図面と見積もりをお返しします。 ZGS-35/0.8風力発電複合変電所.