謝宇崢 潘力強(qiáng)

(1． 山東大學(xué)，山東 濟(jì)南250061;2． 國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙410007)

1 影響導(dǎo)線截面選擇的相關(guān)因素

至2012年底，湖南省已投產(chǎn)5 座風(fēng)電場，裝機(jī)規(guī)模為18.945 萬kW，年發(fā)電量為2.69 億kW，全年等效平均利用小時數(shù)為1 884 h。根據(jù)湖南風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，湖南省計劃開發(fā)風(fēng)電項目76 個，規(guī)模375.25 萬kW。

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

1.1 導(dǎo)線截面選擇相關(guān)因素分析

1)按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇

按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇線路截面的計算公式為:

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

由于風(fēng)電場送出線路tmax為1 800～2 200 h，風(fēng)電場升壓站高壓側(cè)功率因數(shù)為0.98～1.0，300 mm2截面110 kV 線路經(jīng)濟(jì)輸送容量(J 取1.65 A/mm2)為9.2 萬kW。與同截面的常規(guī)電網(wǎng)線路相比(J取1.15 A/mm2)，線路經(jīng)濟(jì)輸送容量增加40%以上。

表1 經(jīng)濟(jì)電流密度 A/mm2

2)按線路極限傳輸容量校核

按容許發(fā)熱條件的持續(xù)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(dǎo)線持續(xù)容許電流(kA)，見表2;k 為溫度修正系數(shù)，按當(dāng)?shù)刈罡邭鉁卦伦罡邭鉁仄骄颠x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(shù)

取Ue=110 kV，Imax=690 kA(按導(dǎo)線溫度70℃取值)，k=0.81(當(dāng)?shù)刈罡邭鉁匕?0 ℃考慮)，功率因數(shù)cosφ=0.95(按常規(guī)線路的功率因數(shù)取值)，一般情況下，300 mm2截面導(dǎo)線按容許發(fā)熱條件的持續(xù)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(diào)研，計算出其送出線路(300 mm2截面導(dǎo)線)各月容許發(fā)熱條件下的持續(xù)極限輸送容量高出常規(guī)電網(wǎng)線路控制容量的20%～60%(cosφ 按風(fēng)電送出線路的功率因數(shù)取值，取0.98)，見表4。

1.2 在運風(fēng)電場運行情況分析

本研究數(shù)據(jù)以湖南郴州西北部某風(fēng)電場2010年8月至2011年8月8 760 h 出力數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析其運行特性及特點。

1)風(fēng)電場各月最大出力及各月平均出力

根據(jù)氣象站多年風(fēng)速數(shù)據(jù)分析，湖南南部地區(qū)風(fēng)資源季變化規(guī)律為大風(fēng)月主要集中在春夏季、小風(fēng)月主要集中在秋冬季。文中風(fēng)電場月最大出力出現(xiàn)在3—7月及10月、12月，與氣象站統(tǒng)計數(shù)據(jù)大致吻合。該風(fēng)電場各月平均最大負(fù)荷與當(dāng)月最大出力比值在12%～28%，風(fēng)電出力隨機(jī)性、間歇性的特征明顯。風(fēng)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(fā)熱條件的持續(xù)極限輸送容量表

表5 風(fēng)電場出力情況MW

2)風(fēng)電場8 760 h 運行數(shù)據(jù)分析

風(fēng)電場8 760 h 運行數(shù)據(jù)顯示:風(fēng)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(fēng)電場8 760 h 出力分布表

2 風(fēng)電場外送線路截面選擇分析

根據(jù)湖南省規(guī)劃風(fēng)電項目進(jìn)展情況及分布規(guī)模，對風(fēng)資源規(guī)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(qū)風(fēng)電的并網(wǎng)消納能力和初步外送方案分析，一般根據(jù)風(fēng)電場分布及網(wǎng)絡(luò)條件將2—3 個風(fēng)電場打捆，匯集10～15 萬kW 容量以1 回110 kV 線路送出。

2.1 風(fēng)電場外送線路截面選擇實例

以邵陽南部某風(fēng)電為例分析風(fēng)電場送出線路截面選擇可以優(yōu)化的環(huán)節(jié):

該風(fēng)電場一、二期工程裝機(jī)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(shù)據(jù)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(fēng)電場運行特性相差不大。根據(jù)風(fēng)資源規(guī)劃及業(yè)主計劃，今后仍有5 萬kW 機(jī)組通過已有的1 回300 mm2截面110 kV 線路送出。按常規(guī)電網(wǎng)線路發(fā)熱條件的持續(xù)極限輸送容量校核，該線路不能滿足新增5 萬kW 機(jī)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?，F(xiàn)結(jié)合風(fēng)電場運行特性及實際環(huán)境溫度等因素，兼顧經(jīng)濟(jì)性、安全性對該送出線路容量進(jìn)行分析。

1)經(jīng)濟(jì)輸送容量校核。該風(fēng)電送出線路(截面300 mm2，110 kV)經(jīng)濟(jì)輸送容量為9.2 萬kW，根據(jù)在運風(fēng)電場運行特性(未考慮同時率)，15 萬kW 裝機(jī)容量的風(fēng)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(fēng)電場的送出線路，運行是經(jīng)濟(jì)的。

2)按容許發(fā)熱條件的持續(xù)極限輸送容量校核。參照例舉的風(fēng)電場運行特性(未計同時率)，考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件，導(dǎo)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(dǎo)線溫度按80 ℃考核，最大出力全部集中在7—8月，僅數(shù)小時內(nèi)線路輸送容量超過允許值0～0.5 萬kW。若考慮風(fēng)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(fēng)電場輸出線路選擇截面300 mm2導(dǎo)線，在技術(shù)上是可行的。

2.2 建議

綜上所述，根據(jù)湖南省風(fēng)電場規(guī)劃，風(fēng)電場分布及山地風(fēng)電場的特點，充分考慮風(fēng)電場運行特性及環(huán)境溫度等影響導(dǎo)線截面選擇的因素，在保證風(fēng)電場送出的技術(shù)條件下，兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性，對110 kV 送出線路導(dǎo)線截面選擇建議如下:

1)裝機(jī)15 萬kW 的風(fēng)電場:送出線路選擇300 mm2截面，導(dǎo)線溫度按80 ℃設(shè)計。

2)裝機(jī)10～15 萬kW 的風(fēng)電場:送出線路選擇300 mm2截面，導(dǎo)線溫度按70～80 ℃設(shè)計。

3)裝機(jī)7～10 萬kW 風(fēng)電場:確定無新增容量可能性的，送出線路選擇240 mm2截面，導(dǎo)線溫度可按70 ℃設(shè)計。暫無遠(yuǎn)期規(guī)劃，有發(fā)展可能的，送出線路按300 mm2截面選擇。

3 結(jié)論

文中通過對湖南在運風(fēng)電場的運行特性分析、影響輸電線路導(dǎo)線截面選擇的環(huán)境溫度等相關(guān)因素分析、計算可知，選擇300 mm2截面導(dǎo)線(線路溫度按80 ℃設(shè)計)，可以滿足15 萬kW 風(fēng)電送出需求，值得在風(fēng)電場接入系統(tǒng)設(shè)計中予以應(yīng)用。

〔1〕中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會． DL 755—2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則〔S〕． 北京:中國電力出版社，2001．

〔2〕電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院． 電力系統(tǒng)設(shè)計手冊〔S〕． 北京:中國電力出版社，1998．

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