大型風電基地集電線路采用66 kV電壓等級優(yōu)勢分析

閆 海，李陶波，王重威，劉立彥，褚洪民

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

隨著我國風電建設規(guī)模的不斷擴大和技術水平的不斷提高，我國風電政策由補貼鼓勵到驅動平價上網(wǎng)，且政策更加傾向于發(fā)展分散式風電，注重對風電的消納。國家在相關規(guī)劃中明確，2025年全國風電和光伏發(fā)電量占全社會的用電量將達到16.5%。如果能達到該目標，2025年前需每年新增風電和光伏發(fā)電裝機容量100 GW[1]。

國家能源局提出推動構建以清潔低碳能源為主體的能源供應體系。以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點，加快推進大型風電、光伏發(fā)電基地建設。隨著大型風電基地的建設和風機單機容量的逐步增大，連接風機臺數(shù)受35 kV電壓等級集電線路輸送容量限制，集電線路電壓等級亟待提高。本文以某大型風電基地為例，從回路數(shù)、線路長度、投資等方面對35 kV集電線路和66 kV集電線路進行對比分析，論證了大型風電基地集電線路采用更高電壓等級的經(jīng)濟性和可行性。

1 國內風電場集電線路設計方案

目前國內在建及規(guī)劃擬建的陸地風電機組單機容量一般為3～7 MW。隨著風機單機容量增大，為減少風機至箱變的電纜用量，需提高機組出口電壓。風電機組出口電壓通常為690 V、900 V、950 V和1 140 V。風電場集電線路可以采用架空線路、電纜和電纜-架空線混合線路。目前，我國陸地風電場的集電線路大多采用電纜-架空線混合線路，風電機組至箱式變壓器（簡稱“箱變”）、箱變至集電線路終端塔采用電纜連接，集電線路至升壓站附近終端塔采用架空線路連接，終端塔至升壓站采用電纜連接[2]。

集電線路的連接方式有兩種：第一種方式利用箱變高壓側母線進行環(huán)接，第二種方式采用“T接”，即每臺風機均采用“T接”接入集電線路。環(huán)接方式更加可靠，而“T接”方式更加直觀，我國主要采用“T接”方式的集電線路[3]。

風電場主要采用兩級升壓模式，風機發(fā)出的電經(jīng)箱變升到35 kV，通過集電線路送到升壓站，由升壓站內變壓器升至220 kV或110 kV經(jīng)外送線路送出。風機-箱變采用“一機一變”的單元接線，集電線路根據(jù)電壓等級、輸送容量將多臺風機連接為一條線路，接至升壓站的35 kV配電裝置。風電場接線示意圖如圖1所示。

圖1 風電場接線示意圖

2 工程概況

某風電項目建設規(guī)模為5×105kW，通過自建220 kV升壓站接入500 kV變電站，最終由±800 kV特高壓線路外送。本工程新建1座220 kV升壓站，風電機組經(jīng)箱變升壓后，由集電線路分別接入升壓站的35 kV配電裝置。根據(jù)本風電場風能資源進行發(fā)電量計算，綜合考慮尾流修正、空氣密度修正、控制與湍流折減、葉片污染折減、廠用電、線損能量損耗、周邊風電場對發(fā)電量的影響、軟件折減等因素，對風電場上網(wǎng)電量進行修正。經(jīng)計算，風電場安裝125臺4 MW風機。

3 集電線路電壓等級經(jīng)濟性評估模型

研究風電場不同電壓等級集電線路的經(jīng)濟性，需要建立考慮時間價值的經(jīng)濟性評估模型。模型綜合考慮風電場的年建設和年運行費用，分析風電場裝機規(guī)模、風電場發(fā)電能量密度對集電線路電壓等級優(yōu)選的影響。集電線路電壓等級優(yōu)選流程為：根據(jù)風電場的規(guī)劃容量和各電壓等級輸電線路經(jīng)濟輸送容量確定集電線路電壓等級，根據(jù)經(jīng)濟性評估模型對各電壓等級進行全面評估，最后根據(jù)評估結果得出結論。

經(jīng)濟性評估模型分為目標函數(shù)、約束條件、邊界條件。目標函數(shù)為集電線路年建設和年運行費用之和最小。

式中：C為集電線路的投資費用；pL，M為集電線路單位長度投資費用；ML為集電線路的折舊時間；N為集電線路數(shù)量；Ji為接入第i個升壓站的集電線路集合；Lij為集電線路長度；?為地形系數(shù)；γ0為貼現(xiàn)率；j為接入第i個升壓站的集電線路數(shù)。

集電線路輸送容量約束為[4]：

式中：Pi為某條集電線路的有功功率；W為集電線路輸送功率。

實際工程中所用的集電線路參數(shù)如表1所示。

表1 集電線路參數(shù)

4 集電線路路由規(guī)劃方法

該項目集電線路回路數(shù)多、線路長，路徑規(guī)劃工作量大，單靠人工規(guī)劃效率低且方案不一定經(jīng)濟合理。采用以各風機位置為起點、升壓站為終點的拓撲網(wǎng)絡結構算法進行大型風電場集電線路路徑規(guī)劃[5]。用風機排布、升壓站位置和地形圖主要信息等組成拓撲模型，對風電場集電線路系統(tǒng)特有的多分支接線模式設計效率及方案的合理性進行論證[6]。針對獲得的優(yōu)化模型，利用遺傳算法和圖論理論通過軟件編程對集電線路系統(tǒng)優(yōu)化布置問題進行求解，提高優(yōu)化方案的可行性和最優(yōu)性，為提高大型風電場的經(jīng)濟性和可靠性提供科學的方法和依據(jù)。

應用遺傳算法進行集電線路路徑尋優(yōu)，首先建立線路建設投資費用和電能損耗最小的目標函數(shù)方程組；然后根據(jù)箱變數(shù)量、位置，用集電線路將其連接，采用遺傳算法對集電線路路徑進行優(yōu)化，根據(jù)約束條件及目標尋找最短集電線路路徑[7]。

采用符號編碼方式，對包含i個路徑的方案進行編碼，隨機生成區(qū)間為[1，i]的i個整數(shù)的隨機排列，形成一個染色體，選定用來評判染色體對目標的適應性的適應度函數(shù)，其方程為：

式中：H為適應度；dij為第i個環(huán)網(wǎng)柜和第j個環(huán)網(wǎng)柜之間的實際距離；n為樣本數(shù)。

1）遺傳算法主要控制參數(shù)的選擇。選擇過程是以旋轉賭輪法為基礎，每次都為新的種群選擇一個個體。旋轉賭輪法按個體的適應度進行選擇，選取適應值大的個體，去除適應值小的個體。

2）交叉算子設計。采用部分映射交叉確定交叉操作的父代，將樣本數(shù)n兩兩組合分為兩組。從閉區(qū)間[0，n]中產生2個隨機數(shù)b1和b2，令交叉算子r1等于n×b1，r2等于n×b2，確定2 個位置，對2個位置中間的數(shù)據(jù)進行交叉。交叉后，同一樣本中會有重復的環(huán)網(wǎng)柜，不重復的數(shù)字保留，重復的數(shù)字采用部分映射交叉法消除重復。

3）變異算子設計。采用倒位變異法，隨機選擇兩個點交換位置，并將兩點間的數(shù)字倒序放置。對新群體中各染色體進行評價，保存最優(yōu)個體，輸出最優(yōu)解[8]。

如果集電線路采用35 kV電壓等級，風機采用T接方式連接，經(jīng)計算35 kV集電線路路徑如圖2所示。此時每回集電線路連接6到7臺風機，共需20回集電線路。35 kV集電線路長度如表2所示。

圖2 35 kV集電線路路徑

表2 35 kV集電線路長度

如果集電線路采用66 kV電壓等級，風機采用T接方式連接，經(jīng)計算66 kV集電線路路徑如圖3所示。此時每回集電線路連接12到13臺風機，共需10回集電線路。66 kV集電線路長度如表3所示。

圖3 66 kV集電線路路徑

表3 66 kV集電線路長度

5 方案對比

不同電壓等級集電線路經(jīng)濟性分析如表4所示。由表可見，66 kV集電線路比35 kV集電線路長度減少53.96 km，總投資減少3 563.107萬元。

表4 不同電壓等級集電線路經(jīng)濟性分析

目前國內陸地風電場集電線路大部分采用35 kV電壓等級，其技術成熟可靠，箱變、電纜、主變壓器等設備都是市場上的主流設備。隨著大型風電基地的建設，風機單機容量不斷增大，集電線路采用35 kV電壓等級，會導致回路數(shù)過多、線路長度過長、電能損耗過大，而且在建設期間存在施工難度較大，征地困難等問題。集電線路采用66 kV電壓等級具備可行性，與35 kV電壓等級相比，可減少回路數(shù)，節(jié)省投資，減少征地，降低電能損耗。目前集電線路電壓等級制約因素在于箱變、升壓站低壓側配電裝置的研發(fā)，隨著風電機組容量的增加及66 kV箱變等相關設備的研發(fā)，場內集電線路采用更高電壓等級是趨勢。

6 結語

本文運用遺傳算法和圖論理論對大型風電基地的集電線路進行路徑規(guī)劃，從回路數(shù)、線路長度、投資等方面對35 kV集電線路和66 kV集電線路進行對比分析。研究結果表明，采用66 kV電壓等級具有回路數(shù)少、投資省、電能損耗小等優(yōu)點，是大型風電基地的發(fā)展趨勢。