閆 海，李陶波，王重威，劉立彥，褚洪民

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

隨著我國(guó)風(fēng)電建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)風(fēng)電政策由補(bǔ)貼鼓勵(lì)到驅(qū)動(dòng)平價(jià)上網(wǎng)，且政策更加傾向于發(fā)展分散式風(fēng)電，注重對(duì)風(fēng)電的消納。國(guó)家在相關(guān)規(guī)劃中明確，2025年全國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電量占全社會(huì)的用電量將達(dá)到16.5%。如果能達(dá)到該目標(biāo)，2025年前需每年新增風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量100 GW[1]。

國(guó)家能源局提出推動(dòng)構(gòu)建以清潔低碳能源為主體的能源供應(yīng)體系。以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)，加快推進(jìn)大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地建設(shè)。隨著大型風(fēng)電基地的建設(shè)和風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的逐步增大，連接風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)受35 kV電壓等級(jí)集電線路輸送容量限制，集電線路電壓等級(jí)亟待提高。本文以某大型風(fēng)電基地為例，從回路數(shù)、線路長(zhǎng)度、投資等方面對(duì)35 kV集電線路和66 kV集電線路進(jìn)行對(duì)比分析，論證了大型風(fēng)電基地集電線路采用更高電壓等級(jí)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

1 國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)集電線路設(shè)計(jì)方案

目前國(guó)內(nèi)在建及規(guī)劃擬建的陸地風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量一般為3～7 MW。隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量增大，為減少風(fēng)機(jī)至箱變的電纜用量，需提高機(jī)組出口電壓。風(fēng)電機(jī)組出口電壓通常為690 V、900 V、950 V和1 140 V。風(fēng)電場(chǎng)集電線路可以采用架空線路、電纜和電纜-架空線混合線路。目前，我國(guó)陸地風(fēng)電場(chǎng)的集電線路大多采用電纜-架空線混合線路，風(fēng)電機(jī)組至箱式變壓器（簡(jiǎn)稱“箱變”）、箱變至集電線路終端塔采用電纜連接，集電線路至升壓站附近終端塔采用架空線路連接，終端塔至升壓站采用電纜連接[2]。

集電線路的連接方式有兩種：第一種方式利用箱變高壓側(cè)母線進(jìn)行環(huán)接，第二種方式采用“T接”，即每臺(tái)風(fēng)機(jī)均采用“T接”接入集電線路。環(huán)接方式更加可靠，而“T接”方式更加直觀，我國(guó)主要采用“T接”方式的集電線路[3]。

風(fēng)電場(chǎng)主要采用兩級(jí)升壓模式，風(fēng)機(jī)發(fā)出的電經(jīng)箱變升到35 kV，通過集電線路送到升壓站，由升壓站內(nèi)變壓器升至220 kV或110 kV經(jīng)外送線路送出。風(fēng)機(jī)-箱變采用“一機(jī)一變”的單元接線，集電線路根據(jù)電壓等級(jí)、輸送容量將多臺(tái)風(fēng)機(jī)連接為一條線路，接至升壓站的35 kV配電裝置。風(fēng)電場(chǎng)接線示意圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)接線示意圖

2 工程概況

某風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為5×105kW，通過自建220 kV升壓站接入500 kV變電站，最終由±800 kV特高壓線路外送。本工程新建1座220 kV升壓站，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)箱變升壓后，由集電線路分別接入升壓站的35 kV配電裝置。根據(jù)本風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，綜合考慮尾流修正、空氣密度修正、控制與湍流折減、葉片污染折減、廠用電、線損能量損耗、周邊風(fēng)電場(chǎng)對(duì)發(fā)電量的影響、軟件折減等因素，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量進(jìn)行修正。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)電場(chǎng)安裝125臺(tái)4 MW風(fēng)機(jī)。

3 集電線路電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型

研究風(fēng)電場(chǎng)不同電壓等級(jí)集電線路的經(jīng)濟(jì)性，需要建立考慮時(shí)間價(jià)值的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型。模型綜合考慮風(fēng)電場(chǎng)的年建設(shè)和年運(yùn)行費(fèi)用，分析風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模、風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電能量密度對(duì)集電線路電壓等級(jí)優(yōu)選的影響。集電線路電壓等級(jí)優(yōu)選流程為：根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃容量和各電壓等級(jí)輸電線路經(jīng)濟(jì)輸送容量確定集電線路電壓等級(jí)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型對(duì)各電壓等級(jí)進(jìn)行全面評(píng)估，最后根據(jù)評(píng)估結(jié)果得出結(jié)論。

經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型分為目標(biāo)函數(shù)、約束條件、邊界條件。目標(biāo)函數(shù)為集電線路年建設(shè)和年運(yùn)行費(fèi)用之和最小。

式中：C為集電線路的投資費(fèi)用；pL，M為集電線路單位長(zhǎng)度投資費(fèi)用；ML為集電線路的折舊時(shí)間；N為集電線路數(shù)量；Ji為接入第i個(gè)升壓站的集電線路集合；Lij為集電線路長(zhǎng)度；?為地形系數(shù)；γ0為貼現(xiàn)率；j為接入第i個(gè)升壓站的集電線路數(shù)。

集電線路輸送容量約束為[4]：

式中：Pi為某條集電線路的有功功率；W為集電線路輸送功率。

實(shí)際工程中所用的集電線路參數(shù)如表1所示。

表1 集電線路參數(shù)

4 集電線路路由規(guī)劃方法

該項(xiàng)目集電線路回路數(shù)多、線路長(zhǎng)，路徑規(guī)劃工作量大，單靠人工規(guī)劃效率低且方案不一定經(jīng)濟(jì)合理。采用以各風(fēng)機(jī)位置為起點(diǎn)、升壓站為終點(diǎn)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法進(jìn)行大型風(fēng)電場(chǎng)集電線路路徑規(guī)劃[5]。用風(fēng)機(jī)排布、升壓站位置和地形圖主要信息等組成拓?fù)淠Ｐ?，?duì)風(fēng)電場(chǎng)集電線路系統(tǒng)特有的多分支接線模式設(shè)計(jì)效率及方案的合理性進(jìn)行論證[6]。針對(duì)獲得的優(yōu)化模型，利用遺傳算法和圖論理論通過軟件編程對(duì)集電線路系統(tǒng)優(yōu)化布置問題進(jìn)行求解，提高優(yōu)化方案的可行性和最優(yōu)性，為提高大型風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性提供科學(xué)的方法和依據(jù)。

應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行集電線路路徑尋優(yōu)，首先建立線路建設(shè)投資費(fèi)用和電能損耗最小的目標(biāo)函數(shù)方程組；然后根據(jù)箱變數(shù)量、位置，用集電線路將其連接，采用遺傳算法對(duì)集電線路路徑進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)約束條件及目標(biāo)尋找最短集電線路路徑[7]。

采用符號(hào)編碼方式，對(duì)包含i個(gè)路徑的方案進(jìn)行編碼，隨機(jī)生成區(qū)間為[1，i]的i個(gè)整數(shù)的隨機(jī)排列，形成一個(gè)染色體，選定用來評(píng)判染色體對(duì)目標(biāo)的適應(yīng)性的適應(yīng)度函數(shù)，其方程為：

式中：H為適應(yīng)度；dij為第i個(gè)環(huán)網(wǎng)柜和第j個(gè)環(huán)網(wǎng)柜之間的實(shí)際距離；n為樣本數(shù)。

1）遺傳算法主要控制參數(shù)的選擇。選擇過程是以旋轉(zhuǎn)賭輪法為基礎(chǔ)，每次都為新的種群選擇一個(gè)個(gè)體。旋轉(zhuǎn)賭輪法按個(gè)體的適應(yīng)度進(jìn)行選擇，選取適應(yīng)值大的個(gè)體，去除適應(yīng)值小的個(gè)體。

2）交叉算子設(shè)計(jì)。采用部分映射交叉確定交叉操作的父代，將樣本數(shù)n兩兩組合分為兩組。從閉區(qū)間[0，n]中產(chǎn)生2個(gè)隨機(jī)數(shù)b1和b2，令交叉算子r1等于n×b1，r2等于n×b2，確定2 個(gè)位置，對(duì)2個(gè)位置中間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉。交叉后，同一樣本中會(huì)有重復(fù)的環(huán)網(wǎng)柜，不重復(fù)的數(shù)字保留，重復(fù)的數(shù)字采用部分映射交叉法消除重復(fù)。

3）變異算子設(shè)計(jì)。采用倒位變異法，隨機(jī)選擇兩個(gè)點(diǎn)交換位置，并將兩點(diǎn)間的數(shù)字倒序放置。對(duì)新群體中各染色體進(jìn)行評(píng)價(jià)，保存最優(yōu)個(gè)體，輸出最優(yōu)解[8]。

如果集電線路采用35 kV電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)采用T接方式連接，經(jīng)計(jì)算35 kV集電線路路徑如圖2所示。此時(shí)每回集電線路連接6到7臺(tái)風(fēng)機(jī)，共需20回集電線路。35 kV集電線路長(zhǎng)度如表2所示。

圖2 35 kV集電線路路徑

表2 35 kV集電線路長(zhǎng)度

如果集電線路采用66 kV電壓等級(jí)，風(fēng)機(jī)采用T接方式連接，經(jīng)計(jì)算66 kV集電線路路徑如圖3所示。此時(shí)每回集電線路連接12到13臺(tái)風(fēng)機(jī)，共需10回集電線路。66 kV集電線路長(zhǎng)度如表3所示。

圖3 66 kV集電線路路徑

表3 66 kV集電線路長(zhǎng)度

5 方案對(duì)比

不同電壓等級(jí)集電線路經(jīng)濟(jì)性分析如表4所示。由表可見，66 kV集電線路比35 kV集電線路長(zhǎng)度減少53.96 km，總投資減少3 563.107萬元。

表4 不同電壓等級(jí)集電線路經(jīng)濟(jì)性分析

目前國(guó)內(nèi)陸地風(fēng)電場(chǎng)集電線路大部分采用35 kV電壓等級(jí)，其技術(shù)成熟可靠，箱變、電纜、主變壓器等設(shè)備都是市場(chǎng)上的主流設(shè)備。隨著大型風(fēng)電基地的建設(shè)，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量不斷增大，集電線路采用35 kV電壓等級(jí)，會(huì)導(dǎo)致回路數(shù)過多、線路長(zhǎng)度過長(zhǎng)、電能損耗過大，而且在建設(shè)期間存在施工難度較大，征地困難等問題。集電線路采用66 kV電壓等級(jí)具備可行性，與35 kV電壓等級(jí)相比，可減少回路數(shù)，節(jié)省投資，減少征地，降低電能損耗。目前集電線路電壓等級(jí)制約因素在于箱變、升壓站低壓側(cè)配電裝置的研發(fā)，隨著風(fēng)電機(jī)組容量的增加及66 kV箱變等相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，場(chǎng)內(nèi)集電線路采用更高電壓等級(jí)是趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用遺傳算法和圖論理論對(duì)大型風(fēng)電基地的集電線路進(jìn)行路徑規(guī)劃，從回路數(shù)、線路長(zhǎng)度、投資等方面對(duì)35 kV集電線路和66 kV集電線路進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，采用66 kV電壓等級(jí)具有回路數(shù)少、投資省、電能損耗小等優(yōu)點(diǎn)，是大型風(fēng)電基地的發(fā)展趨勢(shì)。