风电场集电线路线径选择研究

王景香

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

集电线路设计是将风电机组的箱式变压器高压侧电力，汇集输送至风电场变电站。风电场集电线路工程与一般电网输送电线路工程不同，风电场集电线路的特殊性在于它是风电场内的输送线路，与风电机组单机容量、发电量、串接风电机组数量及风电机组位置、场内道路密切相关[1-4]。集电线路设计是将风电机组所发电量经一机一变单元接线方式后在箱变高压侧先串接汇流，输送至升压站后二次共同升压的集电方案。在选择导线的型号及截面时，既要保证输电线路的安全可靠性，又要充分利用导线的负载能力。

1 工程概况

某风电场位于甘肃省武威市古浪县东南方向新堡乡境内。场址区地貌类型为侵蚀剥蚀低中山，大部分山体基岩裸露。总体地势北高南低，地形起伏较大，冲沟发育，沟道主要为南北走向。场区海拔高程在2650～2950m之间，相对高差达300m。

该风电场安装46台单机容量为2.2MW风电机组，总装机容量101.2MW。风电机组机组出口电压为0.69kV，风力发电机与箱式变压器的接线方式采用一机一变的单元接线方式，与单机容量配套选用46台箱式变压器进行升压，经一次升压后电压等级为35kV。风电机组-箱式变电站组采用多机组联合单元接线方式。由于风电场地处山地，风电机组布置范围较广，风电场面积较大，且风电机组布置基本沿地形走势布置在山梁处，为减少线路总长度、缩小线路走廊，风电场集电线路设计按风电机组排布合理接入，最终采用4回集电线路将风电机组发电量汇流后输送至风电场区配套建设的升压站。每回集电线路并接11—12组风电机组-箱式变电站组，输送容量为24.2～26.4MW。风电机组参数见表1。

表1 EN-110/2.2风电机组参数

2 导线截面的选择和校验

对于35kV架空送电线路，导线截面一般按照经济电流密度来选择，并根据导线长期容许电流校验、电压损耗、机械强度及发热条件进行校验。导线截面过大，将增加投资；截面过小，将增加电能损耗和电压损耗，限制线路输送容量。风电场的集电线路输送最大负荷与气候环境密切相关，风电场的最大负荷产生于大风季节，气候条件有利于导线的散热，可提高导线的负载能力[5]。应通过技术经济比较进行选择， 以免造成浪费或导线损坏[6-12]。

以上述工程为例，该风电场装机总容量为100MW，年利用小时数为2246h。3—5月风速最大；10—12月和1月风速最小。单机容量为2200kW，共46台。采用一机一变组合集电线路把46台风电机组分为4条线路，最终采用4回集电线路将风电机组发电量汇流后输送至风电场区配套建设的升压站。第一回、第三回集电线路并接11组风电机组-箱式变电站组，输送容量为24.2MW；第二回、第四回集电线路并接12组风电机组-箱式变电站组，输送容量为26.4MW。

2.1 按一般原则选择导线

根据经济电流密度表。最大负荷利用小时数为3000以下时，经济电流密度取J=1.65A/mm2。本工程年利用小时数2246h，因此取J=1.65A/mm2。以风电机组一直处于满发状态为例，按经济电流密度进行选择计算如下[13-14]：

(1)

式中，S—导线的横截面积，mm2；Pe—送电容量，kW；J—经济电流密度，A/mm2；Ue—线路额定电压，kV。

集电线路采用汇流干线方式，逐台接入沿线风电机组。线路接入6台风电机组时计算得到S为138mm2；线路接入12台风电机组时计算得到S为278mm2。依据规范DL/T 5222—2005《导体和电器选择设计技术规范》，当无合适导体时，导体面积可按以上计算截面相邻的下一档选取。风电场集电线路接纳6台(13.2MW)及以下风电机组的部分，采用LGJ-150/25型导线，接纳6台以上12台(26.4MW)以下风电机组的部分采用LGJ-300/40型导线。

2.2 按风电场特性选择导线

根据测风塔2015年观测资料，对风电场风速进行整理统计，80m高度风速和频率的分布如图1所示。

图1 测风塔80m高度风速和频率分布图

风电场80m高度风速主要集中在2.0～12.0m/s风速段区间，占全部风速分布的87.85%；小于10m/s风速段区间，占全部风速分布的83.21%；10.5～14.5m/s风速段区间，占全部风速分布的13.82%；大于14.5m/s风速段区间，占全部风速分布的2.95%，如图1所示。

风电机组切入风速为3m/s，风速减小时发电量减小；风速增加，发电量随之增加，当风速达到切出风速时风电机组将自动切出停机。风速的瞬时性决定风电机组的发电量亦瞬时变化，某风电场风速与风电机组出力见表2。

表2 风速与风电机组出力表

通过上述图表得知，当风速达到14m/s时风电机组才达到满发2200kW，大于20m/s时风速过大，风电机组自动停机。因小于10.5m/s风速段区间，占到全部风速分布的83.21%，若风速为10.5m/s，对应风电机组功率2028kW浮动。按单机发电量为2028kW进行导线选型。根据式(1)计算可得集电线路接纳6台及以下风电机组的部分，采用LGJ-120/25型导线，接纳6台以上12台以下风电机组的部分采用 LGJ-240/30型导线。

当风电机组满发时，集电线路接纳6台容量为13.2MW，额定电流Ie为229A；接纳12台容量为26.4MW，额定电流Ie为458A。依据规范DL/T 5222—2005中钢芯铝绞线长期允许载流量表中数据，LGJ-120/25型导线的长期允许载流量为338A，大于6台风电机组满发时的额定电流229A；LGJ-240/30型导线的长期允许载流量为561A，大于12台风电机组满发时的额定电流458A。因此所选导线可以承载风机满发时的电流。仅在风机满发的短时间内导线的电能损耗增加。

2.3 按钢芯铝绞线长期允许载流量选择

风电机组满发时集电线路接纳6台容量为13.2MW，额定电流Ie为229A；接纳12台容量为26.4MW，额定电流Ie为458A。依据规范DL/T 5222-2005中钢芯铝绞线长期允许载流量表，6台时选用LGJ-95/20，12台时选用LGJ-240/30。

2.4 导线截面校验

2.4.1按电晕条件校验

在高海拔地区，110～220kV线路及330kV以上电压线路的导线截面，电晕往往起主要作用，本工程电压等级为35kV，暂不考虑电晕影响[13-14]。

2.4.2按导线长期容许电流校验

极限输送容量计算公式如下[5]

(2)

式中，Wmax—极限输送容量，MVA；Ue—线路额定电压，kV；Imax—导线持续容许电流，kA。

LGJ-120/25型钢铝绞线的持续允许电流在导线温度为70℃时为380A，按容许发热条件的持续极限输送容量计算(导线温度在70℃)为23.04MVA。LGJ-240/30型钢芯铝绞线的持续允许电流在导线温度为70℃时为610A，按容许发热条件的持续极限输送容量计算为36.98MVA。

风电机组满发时，输送6台风电机组的容量为2.2×6÷0.95=13.89<23.04，输送12台风电机组的容量为2.2×12÷0.95=27.79<36.98。根据计算结果，预期的最大输送容量远远小于导线发热所能容许的数值。

2.4.3按电压损失校验

根据导线截面及负荷功率查出：额定电压为35kV，功率因数为0.95，按要求导线每MW·km电压损失不大于5%，根据线路的电压计算公式如下：

Δu=ΔupPl

(3)

式中，Δu—线路电压损失百分数，%；Δup—三相线路1kW·km的电压损失百分数，%/(kW·km)；P—有功负荷，kW；l—线路长度，km。

计算得出不同型号导线的最长传输距离见表3。

表3 不同型号导线的传输距离

工程中串接6台机组线路长度最长为2.8km，6台以上逐台串接12台机组线路长度最长为8.0km，经比较计算，导线都能满足压降要求。

3 电能损耗比较

三相线路中有功及无功功率损耗计算公式如下：

ΔPL=3Ic2R×10-3

(4)

ΔQL=3Ic2X×10-3

(5)

式中，ΔPL—有功功率损耗，kW；ΔQL—无功功率损耗，kvar；Ic—电流，A；R—电阻，Ω；X—电抗，Ω/km。

6台风电机组容量为13.2MW时，电流Ic为229A；12台风电机组容量为26.4MW时，电流Ic为458A。计算4种导线功率损耗结果见表4。

表4 钢芯铝绞线功率损耗计算表

年耗电量按最大负荷小时数2246h计算，电流Ic为229A时，LGJ-120/25比LGJ-95/20长度同为3km时有功损耗减少33kW，年损耗电能为7.412万kW·h，按电价0.56元计算为4.15万元；电流Ic为458A时，LGJ-240/30比LGJ-185/30长度同为4km时损耗减少126kW，年损耗电能为28.3万kW·h，按电价0.56元计算为15.9万元。无功损耗差值很小，可忽略不计。

4 投资比较

风电的造价控制好坏直接关系到风电的发展，因此风电的投资控制非常重要[15]。风电项目一般会对当地环境造成影响，易引发严重的水土流失危害，因此风电的投资控制也需要包括水土保护设计[16-17]。

依据《国家电网公司输变电工程典型设计 35kV集电线路分册》导线LGJ-185/30用混凝土单杆，依据89D175《35kV铁横担架空线路安装》，导线LGJ-240/30用混凝土双杆，导线、混凝土杆、以及铁附件、基础开发及回填费用比较见表5。

表5 四种导线投资差值表

长度同为3km导线LGJ-120/25比LGJ-95/20有功损耗每年减少按上网电价折算为4.15万元；长度同为4km导线LGJ-240/30比LGJ-185/30有功损耗每年减少按上网电价折算为15.9万元。7km导线损耗总计为20.05万元/年。导线型号不同，设计选用的混凝土杆型不同，产生的费用差值为33.07万元。比较工程投资差值及满负荷时的损耗差值，从长期运行考虑，宜选用导线LGJ-120/25及LGJ-240/30。

5 结论

风电场集电线路工程与电网输送电线路工程不同，受风电场风电机组布置形式、现场地形地貌及地质条件、场内道路等约束比较大。风电场输电线路导线截面选型需考虑其特性，场内线路输电容量随着风电机组串接数量的增加而增加，单机情况下，发电容量受风速的直接影响，风速的瞬时性影响发电量的多变性，选择截面时如果按照风电机组最大发电量串接考虑而实际运行中很多时候风电机组都不能满发，造成预期计算的截面可能不是最优的截面。在选择风电场输电线路导线截面时结合工程实际情况综合比较，选出最适宜的方案，使得工程投资经济，运行安全、可靠。