湖南山地風電場送出線路規劃設計截面的選擇

謝宇崢 潘力強

(1． 山東大學，山東 濟南250061;2． 國網湖南省電力公司，湖南 長沙410007)

1 影響導線截面選擇的相關因素

至2012年底，湖南省已投產5 座風電場，裝機規模為18.945 萬kW，年發電量為2.69 億kW，全年等效平均利用小時數為1 884 h。根據湖南風電發展規劃，湖南省計劃開發風電項目76 個，規模375.25 萬kW。

湖南風電以山地風電為主，分布散、容量小，如何根據影響輸電線路導線截面選擇的環境溫度等因素及風電運行特性綜合確定導線截面是具有現實意義的課題。

1.1 導線截面選擇相關因素分析

1)按經濟電流密度選擇

按經濟電流密度選擇線路截面的計算公式為:

式中S 為導線面積(mm2);P 為送電容量(kW);Ue為線路額定電壓(kV);J 為經濟電流密度(A/mm2)，見表1。

由于風電場送出線路tmax為1 800～2 200 h，風電場升壓站高壓側功率因數為0.98～1.0，300 mm2截面110 kV 線路經濟輸送容量(J 取1.65 A/mm2)為9.2 萬kW。與同截面的常規電網線路相比(J取1.15 A/mm2)，線路經濟輸送容量增加40%以上。

表1 經濟電流密度 A/mm2

2)按線路極限傳輸容量校核

按容許發熱條件的持續極限輸送容量校核的計算公式為:

式中 Wmax為極限輸送容量(MVA);Ue為線路額定電壓;Imax為導線持續容許電流(kA)，見表2;k 為溫度修正系數，按當地最高氣溫月最高氣溫平均值選取，見表3。

表2 鋼芯鋁絞線長期允許電流 kA

表3 溫度修正系數

取Ue=110 kV，Imax=690 kA(按導線溫度70℃取值)，k=0.81(當地最高氣溫按40 ℃考慮)，功率因數cosφ=0.95(按常規線路的功率因數取值)，一般情況下，300 mm2截面導線按容許發熱條件的持續極限輸送容量為:

但通過對邵陽南部某縣近3年各月最高氣溫平均值調研，計算出其送出線路(300 mm2截面導線)各月容許發熱條件下的持續極限輸送容量高出常規電網線路控制容量的20%～60%(cosφ 按風電送出線路的功率因數取值，取0.98)，見表4。

1.2 在運風電場運行情況分析

本研究數據以湖南郴州西北部某風電場2010年8月至2011年8月8 760 h 出力數據為依據，分析其運行特性及特點。

1)風電場各月最大出力及各月平均出力

根據氣象站多年風速數據分析，湖南南部地區風資源季變化規律為大風月主要集中在春夏季、小風月主要集中在秋冬季。文中風電場月最大出力出現在3—7月及10月、12月，與氣象站統計數據大致吻合。該風電場各月平均最大負荷與當月最大出力比值在12%～28%，風電出力隨機性、間歇性的特征明顯。風電場各月最大出力及各月平均出力見表5。

表4 邵陽南部某縣各月容許發熱條件的持續極限輸送容量表

表5 風電場出力情況MW

2)風電場8 760 h 運行數據分析

風電場8 760 h 運行數據顯示:風電場60%額定容量以下出力時間占比為96.2%;60%～90%出力時間占比3.66%;90%以上出力時間占比僅0.17%(見表6)。

表6 風電場8 760 h 出力分布表

2 風電場外送線路截面選擇分析

根據湖南省規劃風電項目進展情況及分布規模，對風資源規模較大且比較集中，并存在豐富水電資源的郴州、邵陽、永州、懷化等地區風電的并網消納能力和初步外送方案分析，一般根據風電場分布及網絡條件將2—3 個風電場打捆，匯集10～15 萬kW 容量以1 回110 kV 線路送出。

2.1 風電場外送線路截面選擇實例

以邵陽南部某風電為例分析風電場送出線路截面選擇可以優化的環節:

該風電場一、二期工程裝機9.9 萬kW，通過1 回300 mm2截面110 kV 線路(58 km)送出。8 760 h運行數據表明:一期工程60%以下額定出力時間占比為90.3%;60%～90%額定出力時間占比9.45%;90%以上額定出力時間占比0.24%。與例舉的風電場運行特性相差不大。根據風資源規劃及業主計劃，今后仍有5 萬kW 機組通過已有的1 回300 mm2截面110 kV 線路送出。按常規電網線路發熱條件的持續極限輸送容量校核，該線路不能滿足新增5 萬kW 機組送出的需要。但新建線路(考慮線路覆冰問題)，須新增投資7 000 萬元左右，且線路利用效率極低。現結合風電場運行特性及實際環境溫度等因素，兼顧經濟性、安全性對該送出線路容量進行分析。

1)經濟輸送容量校核。該風電送出線路(截面300 mm2，110 kV)經濟輸送容量為9.2 萬kW，根據在運風電場運行特性(未考慮同時率)，15 萬kW 裝機容量的風電場，以已有線路輸出，90%以上時間出力在9 萬kW 以下。即已有截面為300 mm2的線路作為風電場的送出線路，運行是經濟的。

2)按容許發熱條件的持續極限輸送容量校核。參照例舉的風電場運行特性(未計同時率)，考慮當地氣象條件，導線溫度按70 ℃考核，如最大出力全部集中在5—9月，線路輸送容量將有20 h 超過允許值0～1 萬kW;如導線溫度按80 ℃考核，最大出力全部集中在7—8月，僅數小時內線路輸送容量超過允許值0～0.5 萬kW。若考慮風電工程的同時率0.9～0.95，線路輸送容量可以滿足送出要求。故15 萬kW 風電場輸出線路選擇截面300 mm2導線，在技術上是可行的。

2.2 建議

綜上所述，根據湖南省風電場規劃，風電場分布及山地風電場的特點，充分考慮風電場運行特性及環境溫度等影響導線截面選擇的因素，在保證風電場送出的技術條件下，兼顧經濟性與安全性，對110 kV 送出線路導線截面選擇建議如下:

1)裝機15 萬kW 的風電場:送出線路選擇300 mm2截面，導線溫度按80 ℃設計。

2)裝機10～15 萬kW 的風電場:送出線路選擇300 mm2截面，導線溫度按70～80 ℃設計。

3)裝機7～10 萬kW 風電場:確定無新增容量可能性的，送出線路選擇240 mm2截面，導線溫度可按70 ℃設計。暫無遠期規劃，有發展可能的，送出線路按300 mm2截面選擇。

3 結論

文中通過對湖南在運風電場的運行特性分析、影響輸電線路導線截面選擇的環境溫度等相關因素分析、計算可知，選擇300 mm2截面導線(線路溫度按80 ℃設計)，可以滿足15 萬kW 風電送出需求，值得在風電場接入系統設計中予以應用。

〔1〕中華人民共和國國家經濟貿易委員會． DL 755—2001 電力系統安全穩定導則〔S〕． 北京:中國電力出版社，2001．

〔2〕電力工業部電力規劃設計總院． 電力系統設計手冊〔S〕． 北京:中國電力出版社，1998．

〔3〕周沈杰． 風電場集電線路導線選型分析〔J〕． 上海電力，2008，21(6):503-506．