風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路回路數(shù)量及路徑優(yōu)化研究

田建

摘要：近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)也得到了質(zhì)的飛躍，這對(duì)于我國(guó)人們生活水平的提高和社會(huì)的穩(wěn)定有著非常重要的意義。但是從2011年開(kāi)始我國(guó)電網(wǎng)事故頻出，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致出現(xiàn)事故的最主要原因就是場(chǎng)內(nèi)集成線(xiàn)路的架空線(xiàn)和電纜頭出現(xiàn)故障，因此現(xiàn)代風(fēng)電場(chǎng)必須要重視對(duì)風(fēng)力發(fā)電集成電路的設(shè)計(jì)，在保證風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的前提下提高線(xiàn)路的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng);集電線(xiàn)路;回路數(shù)量;路徑優(yōu)化研究

引言

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部組成中的集電線(xiàn)路，作為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，用于連接風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，承載著風(fēng)電場(chǎng)的核心工作內(nèi)容：匯集每臺(tái)風(fēng)機(jī)產(chǎn)出電量，輸送匯集電量至升壓站。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量較多，容量設(shè)置在50MW，集電線(xiàn)路的電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在35kV。在輸送容量、線(xiàn)路長(zhǎng)度等標(biāo)準(zhǔn)化背景下，集電線(xiàn)路擁有2～3個(gè)線(xiàn)路輸送電量。在集電線(xiàn)路設(shè)計(jì)中，回路數(shù)量成為設(shè)計(jì)人員的工作重點(diǎn)。

1概述

風(fēng)電場(chǎng)集中接入電網(wǎng)后，由于其復(fù)雜的短路電流特性和劇烈變化的運(yùn)行方式，會(huì)影響傳統(tǒng)電流的保護(hù)性能。發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)機(jī)提供的短路電流包含特殊的暫態(tài)分量和序分量;雙饋型風(fēng)機(jī)（DoubleFeedInductionGenerator，DFIG）的撬棒保護(hù)動(dòng)作時(shí)，風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部的運(yùn)行方式和短路電流分布會(huì)產(chǎn)生較大的變化。針對(duì)這些問(wèn)題，傳統(tǒng)的電流保護(hù)整定需要做出相應(yīng)的改進(jìn)，從而滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

2選擇集電線(xiàn)路接線(xiàn)形式時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的問(wèn)題

通常情況下，風(fēng)電場(chǎng)的集電線(xiàn)路有三種形式，分別為架空線(xiàn)方式、電纜連接的方式以及架空和電纜相結(jié)合的方式。架空線(xiàn)的方式一般是在風(fēng)電機(jī)組在經(jīng)過(guò)箱式變電組的升壓之后利用電纜來(lái)接入到最近的架空線(xiàn)路桿塔內(nèi);電纜連接的方式一般是利用風(fēng)電機(jī)組的電能經(jīng)過(guò)箱式變電站的升壓之后，通過(guò)電纜連接到相臨近的箱式變電站高壓側(cè)。通常情況下，在施工的過(guò)程中要對(duì)影響風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，進(jìn)而找出合適的方案。從投資資金的方面來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)集成線(xiàn)路要選擇架空線(xiàn)路，因?yàn)檫@種線(xiàn)路相對(duì)來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)性比較強(qiáng)，可以在確保風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量的前提下減少施工的成本。如果發(fā)電廠(chǎng)是在一些林區(qū)或者海濱等旅游區(qū)域的時(shí)候就可以采取架空、電纜線(xiàn)路或者是電纜線(xiàn)路。除此之外，發(fā)電場(chǎng)在選擇集電線(xiàn)路的電壓時(shí)要要綜合考慮現(xiàn)有的資源以及發(fā)電的具體要求。如果風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)距離升壓站比較近并且風(fēng)機(jī)的容量比較的大，這個(gè)時(shí)候就可以采用35kV的集電線(xiàn)路來(lái)保證發(fā)電的質(zhì)量;如果風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)離升壓站比較的近，并且風(fēng)機(jī)的容量比較小，就可以選擇10kV的電壓等級(jí)。

3風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路回路數(shù)量及路徑優(yōu)化

3.1優(yōu)化線(xiàn)路的路徑以及敷設(shè)的方式

首先在對(duì)風(fēng)力發(fā)電成的電纜敷設(shè)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱吮苊饩€(xiàn)路會(huì)受到外界的自然損害，通常會(huì)采取場(chǎng)內(nèi)道路來(lái)確保線(xiàn)纜電路的安全性，在此基礎(chǔ)上還要盡可能地縮短距離。通常情況下在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)線(xiàn)路敷設(shè)的時(shí)候會(huì)采取直理的方式來(lái)進(jìn)行，并且為了減少直埋電路凍土地區(qū)時(shí)出現(xiàn)凍脹的情況損壞線(xiàn)路，會(huì)將電纜敷設(shè)在比較干燥的凍土層中。其外，在對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的敷設(shè)線(xiàn)路設(shè)計(jì)的時(shí)候遇到一些不適合電纜開(kāi)挖的地形，就要采用明敷的方式。比如在一些石油管線(xiàn)交叉的困難地區(qū)就要利用拉管的形式來(lái)進(jìn)行敷設(shè)，這樣一來(lái)通過(guò)導(dǎo)向鉆機(jī)和導(dǎo)向儀的作用可以幫助更好地完成電纜牽引以及套管敷設(shè)工作。最后，在選擇電纜導(dǎo)體材質(zhì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)從工程的造價(jià)上來(lái)選擇。如果集電線(xiàn)路的路徑比較長(zhǎng)，考慮到工程造價(jià)的問(wèn)題，通常會(huì)讓電纜的截面面積不超過(guò)300平方毫米。要知道，如果截面的面積過(guò)大的話(huà)，電纜的中間接頭就會(huì)增多，這樣不僅會(huì)增加工程的造價(jià)，也不利于電纜電路的長(zhǎng)期運(yùn)行。另外在選擇電纜材料的時(shí)候也應(yīng)當(dāng)充分考慮到單回線(xiàn)路的容量，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)也應(yīng)當(dāng)確保在集電線(xiàn)路設(shè)計(jì)的過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)章典范來(lái)進(jìn)行。

3.2粒子群擇優(yōu)路徑

（1）粒子群算法描述。粒子群算法在回路數(shù)擇優(yōu)期間，具有計(jì)算速度高效率，并且收斂性極佳，并且結(jié)合遺傳算法原理，使用交叉與變異的計(jì)算思想，是集電線(xiàn)路回路擇優(yōu)的最佳方案。將粒子群m初始化，自動(dòng)隨機(jī)生成序列為m個(gè)1與33+M-1之間的數(shù)列集合，計(jì)算粒子個(gè)體優(yōu)秀值Pi，將Xi初始化，將全部?jī)?yōu)秀值g初始化，在所有粒子中選擇最優(yōu)秀的Xi值，形成矩陣K。每個(gè)單獨(dú)粒子與其他粒子進(jìn)行最優(yōu)交換，如果交換期間發(fā)生的適應(yīng)值更為優(yōu)秀，則保留粒子替換結(jié)果，并且輸出優(yōu)秀值;粒子具有動(dòng)態(tài)變化特征，變化規(guī)律參考矩陣K，如果變化結(jié)果的適應(yīng)值更為優(yōu)秀，則粒子替換成功，保留優(yōu)秀值。更新單獨(dú)粒子的優(yōu)秀值Pi：將每個(gè)粒子的適應(yīng)值與自身優(yōu)秀值Pi進(jìn)行對(duì)比分析，如果適應(yīng)值高于Pi，則替換優(yōu)秀值。更新所有粒子的優(yōu)秀值g：每個(gè)獨(dú)立的粒子，令其適應(yīng)值與全局優(yōu)秀值進(jìn)行對(duì)比分析g，如果其適應(yīng)值高于g，則以其適應(yīng)值替換g。檢查結(jié)束條件，如若條件，結(jié)束擇優(yōu)流程，如果不滿(mǎn)足條件，從第二條重復(fù)擇優(yōu)過(guò)程。（2）回路擇優(yōu)分析。擬建風(fēng)電場(chǎng)，其裝機(jī)容量假設(shè)為49.5MW，安裝風(fēng)機(jī)設(shè)備為33臺(tái)，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)組33個(gè)，每個(gè)機(jī)組的容量為1500kW，風(fēng)電機(jī)組的連接方式為：一對(duì)一連接。擇優(yōu)運(yùn)算參數(shù)設(shè)定：選擇粒子群的序列集為50，擇優(yōu)次數(shù)為100，回路數(shù)為1～33;計(jì)算結(jié)果：6～9回路較為優(yōu)秀;將取值擴(kuò)大10倍，序列集為50，擇優(yōu)次數(shù)1000，回路數(shù)選擇6～9，進(jìn)行回路擇優(yōu)，計(jì)算結(jié)果為：7回路數(shù);將擇優(yōu)次數(shù)擴(kuò)大到2000，運(yùn)行程序次數(shù)增加至10次，對(duì)比擇優(yōu)結(jié)果，均為7回路數(shù)。

3.3傳統(tǒng)電流保護(hù)Ⅱ段整定方法存在的主要問(wèn)題和調(diào)整策略

在電流保護(hù)Ⅱ段整定中，關(guān)鍵在于正確計(jì)算流過(guò)待整定集電線(xiàn)的最大短路電流Imax。傳統(tǒng)的整定計(jì)算方法在計(jì)算Imax時(shí)，將風(fēng)機(jī)看作傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的電壓源串接內(nèi)阻抗的等效電源，故計(jì)算條件為所有風(fēng)機(jī)全部投入運(yùn)行。根據(jù)前述分析，故障發(fā)生時(shí)，DFIG的短路計(jì)算模型與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的等效模型有很大的不同：若DFIG的撬棒保護(hù)動(dòng)作，則DFIG等效為異步電動(dòng)機(jī);若DFIG的撬棒保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作，則DFIG等效為受控電流源模型，向外提供短路電流。此時(shí)，其他集電線(xiàn)上的風(fēng)機(jī)會(huì)向待整定集電線(xiàn)上輸出短路電流。故傳統(tǒng)的整定方法的計(jì)算條件不一定適用于風(fēng)電場(chǎng)集中時(shí)集電線(xiàn)電流保護(hù)Ⅱ段的整定。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線(xiàn)路，其回路選擇問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際規(guī)劃、風(fēng)機(jī)布置特征、升壓站的具體位置、風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)地理位置等因素，并且參考工程造價(jià)，開(kāi)展綜合分析后，再行確定。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃容量不小于200MW時(shí)，或者是風(fēng)電場(chǎng)地理位置在丘陵山區(qū)時(shí)，應(yīng)采用2回路。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路布置期間，途經(jīng)林地、高度路等地段時(shí)，應(yīng)選擇2回路。風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃容量不大于200MW時(shí)，并且風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境地勢(shì)平坦，風(fēng)機(jī)數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)選擇3回路。運(yùn)用粒子群算法，分析風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路中回路數(shù)的最優(yōu)狀態(tài);詳細(xì)開(kāi)展模型設(shè)定，明確分析流程，并且依據(jù)粒子群擇優(yōu)原則，開(kāi)展回路數(shù)擇優(yōu)程序。計(jì)算結(jié)果為：回路數(shù)為7時(shí)，集電線(xiàn)路為最優(yōu)狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]?喻錕，林湘寧，童寧，等.基于雙曲正切函數(shù)動(dòng)作特性的風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路反時(shí)限保護(hù)方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38（13）：3846-3857，4025.

[2]?彭東虎，曹娜，于群.風(fēng)電場(chǎng)對(duì)繼電保護(hù)選相元件的影響與改進(jìn)[J].可再生能源，2014，32（4）：418-423.

（作者單位：遼寧大唐國(guó)際新能源有限公司）