大型风电基地集电线路采用66 kV电压等级优势分析

2022-07-07李陶波王重威刘立彦褚洪民

山东电力高等专科学校学报 2022年3期

闫海，李陶波，王重威，刘立彦，褚洪民

（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

0 引言

随着我国风电建设规模的不断扩大和技术水平的不断提高，我国风电政策由补贴鼓励到驱动平价上网，且政策更加倾向于发展分散式风电，注重对风电的消纳。国家在相关规划中明确，2025年全国风电和光伏发电量占全社会的用电量将达到16.5%。如果能达到该目标，2025年前需每年新增风电和光伏发电装机容量100 GW[1]。

国家能源局提出推动构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系。以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点，加快推进大型风电、光伏发电基地建设。随着大型风电基地的建设和风机单机容量的逐步增大，连接风机台数受35 kV电压等级集电线路输送容量限制，集电线路电压等级亟待提高。本文以某大型风电基地为例，从回路数、线路长度、投资等方面对35 kV集电线路和66 kV集电线路进行对比分析，论证了大型风电基地集电线路采用更高电压等级的经济性和可行性。

1 国内风电场集电线路设计方案

目前国内在建及规划拟建的陆地风电机组单机容量一般为3～7 MW。随着风机单机容量增大，为减少风机至箱变的电缆用量，需提高机组出口电压。风电机组出口电压通常为690 V、900 V、950 V和1 140 V。风电场集电线路可以采用架空线路、电缆和电缆-架空线混合线路。目前，我国陆地风电场的集电线路大多采用电缆-架空线混合线路，风电机组至箱式变压器（简称“箱变”）、箱变至集电线路终端塔采用电缆连接，集电线路至升压站附近终端塔采用架空线路连接，终端塔至升压站采用电缆连接[2]。

集电线路的连接方式有两种：第一种方式利用箱变高压侧母线进行环接，第二种方式采用“T接”，即每台风机均采用“T接”接入集电线路。环接方式更加可靠，而“T接”方式更加直观，我国主要采用“T接”方式的集电线路[3]。

风电场主要采用两级升压模式，风机发出的电经箱变升到35 kV，通过集电线路送到升压站，由升压站内变压器升至220 kV或110 kV经外送线路送出。风机-箱变采用“一机一变”的单元接线，集电线路根据电压等级、输送容量将多台风机连接为一条线路，接至升压站的35 kV配电装置。风电场接线示意图如图1所示。

图1 风电场接线示意图

2 工程概况

某风电项目建设规模为5×105kW，通过自建220 kV升压站接入500 kV变电站，最终由±800 kV特高压线路外送。本工程新建1座220 kV升压站，风电机组经箱变升压后，由集电线路分别接入升压站的35 kV配电装置。根据本风电场风能资源进行发电量计算，综合考虑尾流修正、空气密度修正、控制与湍流折减、叶片污染折减、厂用电、线损能量损耗、周边风电场对发电量的影响、软件折减等因素，对风电场上网电量进行修正。经计算，风电场安装125台4 MW风机。

3 集电线路电压等级经济性评估模型

研究风电场不同电压等级集电线路的经济性，需要建立考虑时间价值的经济性评估模型。模型综合考虑风电场的年建设和年运行费用，分析风电场装机规模、风电场发电能量密度对集电线路电压等级优选的影响。集电线路电压等级优选流程为：根据风电场的规划容量和各电压等级输电线路经济输送容量确定集电线路电压等级，根据经济性评估模型对各电压等级进行全面评估，最后根据评估结果得出结论。

经济性评估模型分为目标函数、约束条件、边界条件。目标函数为集电线路年建设和年运行费用之和最小。

式中：C为集电线路的投资费用；pL，M为集电线路单位长度投资费用；ML为集电线路的折旧时间；N为集电线路数量；Ji为接入第i个升压站的集电线路集合；Lij为集电线路长度；ϵ为地形系数；γ0为贴现率；j为接入第i个升压站的集电线路数。

集电线路输送容量约束为[4]：

式中：Pi为某条集电线路的有功功率；W为集电线路输送功率。

实际工程中所用的集电线路参数如表1所示。

表1 集电线路参数

4 集电线路路由规划方法

该项目集电线路回路数多、线路长，路径规划工作量大，单靠人工规划效率低且方案不一定经济合理。采用以各风机位置为起点、升压站为终点的拓扑网络结构算法进行大型风电场集电线路路径规划[5]。用风机排布、升压站位置和地形图主要信息等组成拓扑模型，对风电场集电线路系统特有的多分支接线模式设计效率及方案的合理性进行论证[6]。针对获得的优化模型，利用遗传算法和图论理论通过软件编程对集电线路系统优化布置问题进行求解，提高优化方案的可行性和最优性，为提高大型风电场的经济性和可靠性提供科学的方法和依据。

应用遗传算法进行集电线路路径寻优，首先建立线路建设投资费用和电能损耗最小的目标函数方程组；然后根据箱变数量、位置，用集电线路将其连接，采用遗传算法对集电线路路径进行优化，根据约束条件及目标寻找最短集电线路路径[7]。

采用符号编码方式，对包含i个路径的方案进行编码，随机生成区间为[1，i]的i个整数的随机排列，形成一个染色体，选定用来评判染色体对目标的适应性的适应度函数，其方程为：

式中：H为适应度；dij为第i个环网柜和第j个环网柜之间的实际距离；n为样本数。

1）遗传算法主要控制参数的选择。选择过程是以旋转赌轮法为基础，每次都为新的种群选择一个个体。旋转赌轮法按个体的适应度进行选择，选取适应值大的个体，去除适应值小的个体。

2）交叉算子设计。采用部分映射交叉确定交叉操作的父代，将样本数n两两组合分为两组。从闭区间[0，n]中产生2个随机数b1和b2，令交叉算子r1等于n×b1，r2等于n×b2，确定2 个位置，对2个位置中间的数据进行交叉。交叉后，同一样本中会有重复的环网柜，不重复的数字保留，重复的数字采用部分映射交叉法消除重复。

3）变异算子设计。采用倒位变异法，随机选择两个点交换位置，并将两点间的数字倒序放置。对新群体中各染色体进行评价，保存最优个体，输出最优解[8]。

如果集电线路采用35 kV电压等级，风机采用T接方式连接，经计算35 kV集电线路路径如图2所示。此时每回集电线路连接6到7台风机，共需20回集电线路。35 kV集电线路长度如表2所示。

图2 35 kV集电线路路径

表2 35 kV集电线路长度

如果集电线路采用66 kV电压等级，风机采用T接方式连接，经计算66 kV集电线路路径如图3所示。此时每回集电线路连接12到13台风机，共需10回集电线路。66 kV集电线路长度如表3所示。

图3 66 kV集电线路路径

表3 66 kV集电线路长度

5 方案对比

不同电压等级集电线路经济性分析如表4所示。由表可见，66 kV集电线路比35 kV集电线路长度减少53.96 km，总投资减少3 563.107万元。

表4 不同电压等级集电线路经济性分析

目前国内陆地风电场集电线路大部分采用35 kV电压等级，其技术成熟可靠，箱变、电缆、主变压器等设备都是市场上的主流设备。随着大型风电基地的建设，风机单机容量不断增大，集电线路采用35 kV电压等级，会导致回路数过多、线路长度过长、电能损耗过大，而且在建设期间存在施工难度较大，征地困难等问题。集电线路采用66 kV电压等级具备可行性，与35 kV电压等级相比，可减少回路数，节省投资，减少征地，降低电能损耗。目前集电线路电压等级制约因素在于箱变、升压站低压侧配电装置的研发，随着风电机组容量的增加及66 kV箱变等相关设备的研发，场内集电线路采用更高电压等级是趋势。