湖南山地风电场送出线路规划设计截面的选择

谢宇峥 潘力强

(1． 山东大学，山东 济南250061;2． 国网湖南省电力公司，湖南 长沙410007)

1 影响导线截面选择的相关因素

至2012年底，湖南省已投产5 座风电场，装机规模为18.945 万kW，年发电量为2.69 亿kW，全年等效平均利用小时数为1 884 h。根据湖南风电发展规划，湖南省计划开发风电项目76 个，规模375.25 万kW。

湖南风电以山地风电为主，分布散、容量小，如何根据影响输电线路导线截面选择的环境温度等因素及风电运行特性综合确定导线截面是具有现实意义的课题。

1.1 导线截面选择相关因素分析

1)按经济电流密度选择

按经济电流密度选择线路截面的计算公式为:

式中S 为导线面积(mm2);P 为送电容量(kW);Ue为线路额定电压(kV);J 为经济电流密度(A/mm2)，见表1。

由于风电场送出线路tmax为1 800～2 200 h，风电场升压站高压侧功率因数为0.98～1.0，300 mm2截面110 kV 线路经济输送容量(J 取1.65 A/mm2)为9.2 万kW。与同截面的常规电网线路相比(J取1.15 A/mm2)，线路经济输送容量增加40%以上。

表1 经济电流密度 A/mm2

2)按线路极限传输容量校核

按容许发热条件的持续极限输送容量校核的计算公式为:

式中 Wmax为极限输送容量(MVA);Ue为线路额定电压;Imax为导线持续容许电流(kA)，见表2;k 为温度修正系数，按当地最高气温月最高气温平均值选取，见表3。

表2 钢芯铝绞线长期允许电流 kA

表3 温度修正系数

取Ue=110 kV，Imax=690 kA(按导线温度70℃取值)，k=0.81(当地最高气温按40 ℃考虑)，功率因数cosφ=0.95(按常规线路的功率因数取值)，一般情况下，300 mm2截面导线按容许发热条件的持续极限输送容量为:

但通过对邵阳南部某县近3年各月最高气温平均值调研，计算出其送出线路(300 mm2截面导线)各月容许发热条件下的持续极限输送容量高出常规电网线路控制容量的20%～60%(cosφ 按风电送出线路的功率因数取值，取0.98)，见表4。

1.2 在运风电场运行情况分析

本研究数据以湖南郴州西北部某风电场2010年8月至2011年8月8 760 h 出力数据为依据，分析其运行特性及特点。

1)风电场各月最大出力及各月平均出力

根据气象站多年风速数据分析，湖南南部地区风资源季变化规律为大风月主要集中在春夏季、小风月主要集中在秋冬季。文中风电场月最大出力出现在3—7月及10月、12月，与气象站统计数据大致吻合。该风电场各月平均最大负荷与当月最大出力比值在12%～28%，风电出力随机性、间歇性的特征明显。风电场各月最大出力及各月平均出力见表5。

表4 邵阳南部某县各月容许发热条件的持续极限输送容量表

表5 风电场出力情况MW

2)风电场8 760 h 运行数据分析

风电场8 760 h 运行数据显示:风电场60%额定容量以下出力时间占比为96.2%;60%～90%出力时间占比3.66%;90%以上出力时间占比仅0.17%(见表6)。

表6 风电场8 760 h 出力分布表

2 风电场外送线路截面选择分析

根据湖南省规划风电项目进展情况及分布规模，对风资源规模较大且比较集中，并存在丰富水电资源的郴州、邵阳、永州、怀化等地区风电的并网消纳能力和初步外送方案分析，一般根据风电场分布及网络条件将2—3 个风电场打捆，汇集10～15 万kW 容量以1 回110 kV 线路送出。

2.1 风电场外送线路截面选择实例

以邵阳南部某风电为例分析风电场送出线路截面选择可以优化的环节:

该风电场一、二期工程装机9.9 万kW，通过1 回300 mm2截面110 kV 线路(58 km)送出。8 760 h运行数据表明:一期工程60%以下额定出力时间占比为90.3%;60%～90%额定出力时间占比9.45%;90%以上额定出力时间占比0.24%。与例举的风电场运行特性相差不大。根据风资源规划及业主计划，今后仍有5 万kW 机组通过已有的1 回300 mm2截面110 kV 线路送出。按常规电网线路发热条件的持续极限输送容量校核，该线路不能满足新增5 万kW 机组送出的需要。但新建线路(考虑线路覆冰问题)，须新增投资7 000 万元左右，且线路利用效率极低。现结合风电场运行特性及实际环境温度等因素，兼顾经济性、安全性对该送出线路容量进行分析。

1)经济输送容量校核。该风电送出线路(截面300 mm2，110 kV)经济输送容量为9.2 万kW，根据在运风电场运行特性(未考虑同时率)，15 万kW 装机容量的风电场，以已有线路输出，90%以上时间出力在9 万kW 以下。即已有截面为300 mm2的线路作为风电场的送出线路，运行是经济的。

2)按容许发热条件的持续极限输送容量校核。参照例举的风电场运行特性(未计同时率)，考虑当地气象条件，导线温度按70 ℃考核，如最大出力全部集中在5—9月，线路输送容量将有20 h 超过允许值0～1 万kW;如导线温度按80 ℃考核，最大出力全部集中在7—8月，仅数小时内线路输送容量超过允许值0～0.5 万kW。若考虑风电工程的同时率0.9～0.95，线路输送容量可以满足送出要求。故15 万kW 风电场输出线路选择截面300 mm2导线，在技术上是可行的。

2.2 建议

综上所述，根据湖南省风电场规划，风电场分布及山地风电场的特点，充分考虑风电场运行特性及环境温度等影响导线截面选择的因素，在保证风电场送出的技术条件下，兼顾经济性与安全性，对110 kV 送出线路导线截面选择建议如下:

1)装机15 万kW 的风电场:送出线路选择300 mm2截面，导线温度按80 ℃设计。

2)装机10～15 万kW 的风电场:送出线路选择300 mm2截面，导线温度按70～80 ℃设计。

3)装机7～10 万kW 风电场:确定无新增容量可能性的，送出线路选择240 mm2截面，导线温度可按70 ℃设计。暂无远期规划，有发展可能的，送出线路按300 mm2截面选择。

3 结论

文中通过对湖南在运风电场的运行特性分析、影响输电线路导线截面选择的环境温度等相关因素分析、计算可知，选择300 mm2截面导线(线路温度按80 ℃设计)，可以满足15 万kW 风电送出需求，值得在风电场接入系统设计中予以应用。

〔1〕中华人民共和国国家经济贸易委员会． DL 755—2001 电力系统安全稳定导则〔S〕． 北京:中国电力出版社，2001．

〔2〕电力工业部电力规划设计总院． 电力系统设计手册〔S〕． 北京:中国电力出版社，1998．

〔3〕周沈杰． 风电场集电线路导线选型分析〔J〕． 上海电力，2008，21(6):503-506．