县域风电群输电规划方案特点

胡娟，胡剑宇，蒋云松，陈振华

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410007)

县域风电群输电规划方案特点

Characteristics of transmission planning scheme of wind farm group in Counties

胡娟，胡剑宇，蒋云松，陈振华

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410007)

本文根据湖南省风能资源的分布以及风电的出力特性，简要探讨风电群电能消纳需要考虑的主要因素，介绍湖南县域风电群规划方案的特点，并通过一个实际算例介绍县域风电群输电规划的设计过程，为设计人员进行风电群规划提供参考。

风电群；输电规划；电能消纳；输电方案；导线截面选择

风能具有分布广泛、无燃料价格风险、运行成本稳定等优点，已成为目前全球增长最快的新能源项目。近年来，湖南省政府大力开发利用风能资源，加快风电等新能源产业发展，正处于跨越式发展阶段。2012年底，湖南风电并网装机容量不足200 MW，截至2015年8月底，并网装机容量已达到1 100 MW。根据湖南省 “十三五”风电规划报告，2017年和2020年湖南并网装机容量将分别达到1 600 MW和2 300 MW，将成为华中地区风电并网装机容量最大的省份〔1〕。

湖南省风能资源潜在可开发的场址区域主要集中分布在湘南、湘西南、湘东以及洞庭湖周围，以分散式山地风电为主，采用小规模、分散式、近距离的开发模式，这种开发模式使湖南风电场分布具有明显的县域风电场群特点。风电场输电规划是风电场规划建设中关键环节，对于统筹风电开发与配套电网建设，提高电网消纳风电能力和资金使用效率具有重要作用〔2－3〕。因此，开展县域风电场群输电规划方案特点研究成为电力规划、设计和运行人员重点关注问题。

1 风电群电能消纳需考虑因素

1.1 风电场群最大出力同时率受装机规模影响大

与其他电源相比，风电发电出力具有随机性和间歇性，受地域、季节、时段和范围的影响。风电场群最大出力同时率是指广义地某一时段研究范围内风电场最大出力时，所有风机同时达到额定出力的等效比例值，是衡量县域风电场群输出功率波动特性的一个重要指标，也是风电场群输电规划中输电线路选型的一个重要参考依据。

根据现有的统计资料发现，风电群装机规模是影响风电场群最大出力同时率的一个主要因素。风电群装机规模越大，则风电场群风电机组散落分布在较大地理区域内。受地形、地势和风向的随机变化性影响，各风机出力曲线更具自身特色，整体共性的重叠不多，造成风电场群风电机组很难同时处于额定功率运行状态，相应地最大出力同时率较小。反之，风电群装机规模较小，绝大部分风机分布在同一片山脊上。地形、地势和风向基本一致，各风机出力曲线一致性较高，大部分风电机组能够同时工作在额定功率运行状态，相应地最大出力同时率较大。

湖南某县境内包含1个由7个分布式风电场组成的县域风电场群，该风电场群总装机容量为558 MW，分布在80 km2范围区域内。表1给出了该县域风电场群出力同时率统计结果。由表1可知，该县域风电群出力 70%以上的概率较低，仅为1.4%，风电群出力70%以下的概率则高达98.6%。因而该县域风电群最大出力同时率按70%考虑，此时损失的风电电量极少，又可大幅降低电网投资。

表1 某地区投产风电场出力同时率统计 %

1.2 多县域范围内进行电力电量平衡

湖南省风资源丰富地区地理位置较偏远，且处于地区电网末端。受风电场所在地区地理环境与经济实力等因素影响，当地负荷水平较低，风电场群电能就地消纳空间有限，需通过输电线路送往其他地区消纳。因而在讨论县域风电群电能消纳方案时，需从更大范围内进行电力电量平衡分析，如县域及周边多个县组成的区域电网等，而不能简单地仅仅在该县域范围内进行电力电量平衡分析。

1.3 县域内风电大发期和水电大发期重叠

湖南省水电资源丰富。受自然环境影响，湖南省水库来水多集中在春秋两季，并且有来水集中、分布范围广和持续时间长的特点。汛期时，省内各水电站往往长时间满负荷运行〔4〕。湖南省年平均风速则以春冬季风速较大，夏秋季风速相对较小。因而春季为湖南省内水电和风电同时大发的时期。由于湖南山区风电场所在的怀化南部、邵阳西部、永州南部、株洲中南部以及郴州东部等均为水电较为丰富的地区，因而进行县域风电群消纳方案分析时需讨论县域电源最大送出方式，即水电和风电同时大发的极端方式。并以县域电源最大送出方式时的电力电量平衡结果，作为校核电网接纳风电的能力，达到尽量不弃水、少弃风的目标。

2 风电群输电方案特点

2.1 风电场场址对输电规划方案影响大

风电场升压站站址位置是风电群输电方案的基础条件。进行县域风电群输电规划时，往往有部分风电场尚未开展前期工作，造成风电场升压站站址无法确定。湖南省规划风电场场址面积在0.5～241 km2之间，有效山脊长度约为3.5～40 km，规划风电场升压站站址有多种方案可供选择，不同的风电场场址方案决定了不同的县域风电场群输电方案，对风电场群投资成本和风电场群电能消纳方向均具有重要影响。为确保规划风电场升压站站址的相对准确，可综合风电场场址的地形地貌、地质水文条件、进站道路、土石方量、周边电网情况等信息初步选定。

2.2 风电群送出电压等级

湖南省县域风电场群的最大规模为755 MW，县域中分布较为集中的风电群最大规模为 350 MW。考虑输电线路极限输送容量，湖南县域风电群一般可选择采用220 kV电压等级输电线路方案或者110 kV电压等级输电线路方案接入系统。

采用220 kV电压等级输电线路方案时，汇集的风电群装机规模一般在200 MW以上。在当地负荷水平较低，电网结构薄弱，无法利用现有的110 kV线路将风能送往其他区域消纳时，可以考虑220 kV送出方案，特别是在覆冰比较严重地区，小截面的220 kV线路造价与大截面的110 kV线路造价差别不大，选择220 kV电压等级经济上更有优势。但考虑到承担风电场群建设的单位可能不属于同一开发方，220 kV升压站及输电线路投资建设分摊问题难以协调。

采用110 kV电压等级送出时，汇集的风电群装机规模一般在200 MW及以下，当地负荷水平相当，电网结构较为完善，风能可以就地消纳或者采用已有的110 kV线路送往其他区域消纳。根据湖南风电群特点，推荐湖南风电群采用110 kV电压等级输电线路方案。

2.3 风电群送出导线截面选择

架空送电线路导线截面一般按照经济电流密度来选择，并根据电晕、机械强度以及事故情况下的发热条件进行校验〔5〕。但由于湖南县域风电场群利用小时数低，且受风电场送出线路所经地区的气候条件影响，故在选取上具有其自身的特点。

1)按经济电流密度选择导线截面，应考虑线路投运后5～10年的发展。对于风电场送出工程而言，为避免电网资源浪费及重复投资，应以该区域风资源的终期规模进行选择，导线截面不宜过小。导线截面S的计算公式如下所示:

式中 P为送电功率；J为经济电流密度；Ue为线路额定电压；cosφ为功率因数。

2)按导线长期容许电流校验导线截面。在确定风电场装机规模以后，结合风电群同时率，明确需要送出的最大电力；再对照不同导线截面积线路极限输送功率来选择常规导线截面。表2给出了常用不同截面积输电线路的极限输送功率。

表2 常用输电线路极限输送功率 MW

将经济电流密度选出的导线截面与长期允许电流值校核选出的导线截面进行比较，选择较大者为该风电场送出线路。

3 县域风电场群规划方案设计实例

以湖南A市B县境内风电场群为对象，论述其输电系统规划过程〔6〕。B县风电场包括7座风电场，总装机容量558 MW。D县境内2座风电场(风电场c，f)距离B县较近，因此将这2座风电场纳入B县风电场群的输电系统规划，风电场群地理位置如图1所示。

图1 B县风电群地理位置图

3.1 风电群电能消纳分析

根据电力电量平衡结果，未考虑规划风电群的情况下，B县最大电力缺额为386 MW。由于规划风电群装机容量大于B县电力缺额，因此需要将风电群电力在B县及周边的C县和D县等3个县进行消纳。

依据风电场的地理位置、电网的现状及规划，B县北部风电群 (风电场a－f)的电能不能完全在近区的220 kV变电站供电区消纳，可考虑将风电场a，b，c送至C县或D县消纳。B县南部风电群(风电场g－i)的电能基本可在南部的220 kV变电站供电区消纳。

3.2 B县输电方案设计

1)B县南部的风电场g，h，i，分布较为分散，且最大装机容量仅96 MW，因而建议这3个风电场以110 kV电压等级按就近原则接入周边的110 kV变电站。

2)B县北部的风电场f，装机规模50 MW，距离南部电网较近，其电能可在南部电网就地消纳，建议风电场f以110 kV电压等级和南部3个风电场一起就近接入110 kV变电站。

3)B县北部的风电场d，e距离较近，总装机规模为126 MW，建议这2个风电场共建一个升压站打捆送出。

4)风电场a，b，c总规划装机容量240 MW。根据3座风电场地理位置、周边电网现状和规划情况，有4种接入系统方案。

①a风电场、b风电场、c风电场总装机240 MW，以220 kV电压等级汇集送出。

②a风电场、b风电场总装机192 MW，以110 kV电压等级汇集送出；c风电场以110 kV电压等级单独送出。

③b风电场、c风电场总装机144 MW，以110 kV电压等级汇集送出；a风电场以110 kV电压等级单独送出。

④a风电场、b风电场、c风电场分别以110 kV电压等级单独送出。

从潮流分布、方案可靠性、调度运行、方案实施难易度、远景发展适应性和经济适应性等6个方面开展了分析计算工作，认为风电场a，b，c分别以110 kV电压等级分散接入系统方案综合技术经济最优，方案中a风电场电能送往C县消纳，b风电场电能送往D县消纳。

在风电场输电线路导线截面方面，经综合计算与分析，推荐风电场a，b，h，i选择LGJ－240导线，风电场c，g，f需选择LGJ－120导线，风电场d，e选择LGJ－300导线。

4 结论

文中依据湖南省风能资源分布以及风电的出力特性，论述了县域风电群输电规划方案特点。提出在进行电能消纳方案研究时，需明确风电群最大出力同时率，当风电群电能无法就地消纳时需从更大范围内讨论电力电量平衡分析，并校核县域电源最大出力方式。制定输电方案时，首先需选取较为合适的风电场场址，避免对输电方案造成颠覆性影响，深入研究风电群送出电压等级，并比较计算得到送出导线截面，提高经济效益。

〔1〕中南勘测设计研究院有限公司.湖南省 “十三五”风电发展规划〔R〕.2015.

〔2〕中国国家标准化管理委员会.GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定〔S〕.北京:中国标准出版社，2010.

〔3〕国家电网公司.Q/GDW 392—2009风电场接入电网技术规定〔S〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔4〕韩忠晖，邓小亮，马悦，等.风电在湖南电网中的发展现状分析〔J〕.湖南电力，2013，33(6):37-39.

〔5〕 电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册〔S〕.1998.

〔6〕胡娟，王振宇.永州市江华瑶族自治县风电群输电规划〔R〕.湖南省电力勘测设计院，2013.

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1008-0198(2015)06-0064-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.018

2015-10-27