胡娟，胡劍宇，蔣云松，陳振華

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410007)

縣域風(fēng)電群輸電規(guī)劃方案特點(diǎn)

Characteristics of transmission planning scheme of wind farm group in Counties

胡娟，胡劍宇，蔣云松，陳振華

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410007)

本文根據(jù)湖南省風(fēng)能資源的分布以及風(fēng)電的出力特性，簡要探討風(fēng)電群電能消納需要考慮的主要因素，介紹湖南縣域風(fēng)電群規(guī)劃方案的特點(diǎn)，并通過一個(gè)實(shí)際算例介紹縣域風(fēng)電群輸電規(guī)劃的設(shè)計(jì)過程，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行風(fēng)電群規(guī)劃提供參考。

風(fēng)電群；輸電規(guī)劃；電能消納；輸電方案；導(dǎo)線截面選擇

風(fēng)能具有分布廣泛、無燃料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行成本穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前全球增長最快的新能源項(xiàng)目。近年來，湖南省政府大力開發(fā)利用風(fēng)能資源，加快風(fēng)電等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，正處于跨越式發(fā)展階段。2012年底，湖南風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量不足200 MW，截至2015年8月底，并網(wǎng)裝機(jī)容量已達(dá)到1 100 MW。根據(jù)湖南省 “十三五”風(fēng)電規(guī)劃報(bào)告，2017年和2020年湖南并網(wǎng)裝機(jī)容量將分別達(dá)到1 600 MW和2 300 MW，將成為華中地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量最大的省份〔1〕。

湖南省風(fēng)能資源潛在可開發(fā)的場址區(qū)域主要集中分布在湘南、湘西南、湘東以及洞庭湖周圍，以分散式山地風(fēng)電為主，采用小規(guī)模、分散式、近距離的開發(fā)模式，這種開發(fā)模式使湖南風(fēng)電場分布具有明顯的縣域風(fēng)電場群特點(diǎn)。風(fēng)電場輸電規(guī)劃是風(fēng)電場規(guī)劃建設(shè)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于統(tǒng)籌風(fēng)電開發(fā)與配套電網(wǎng)建設(shè)，提高電網(wǎng)消納風(fēng)電能力和資金使用效率具有重要作用〔2－3〕。因此，開展縣域風(fēng)電場群輸電規(guī)劃方案特點(diǎn)研究成為電力規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員重點(diǎn)關(guān)注問題。

1 風(fēng)電群電能消納需考慮因素

1.1 風(fēng)電場群最大出力同時(shí)率受裝機(jī)規(guī)模影響大

與其他電源相比，風(fēng)電發(fā)電出力具有隨機(jī)性和間歇性，受地域、季節(jié)、時(shí)段和范圍的影響。風(fēng)電場群最大出力同時(shí)率是指廣義地某一時(shí)段研究范圍內(nèi)風(fēng)電場最大出力時(shí)，所有風(fēng)機(jī)同時(shí)達(dá)到額定出力的等效比例值，是衡量縣域風(fēng)電場群輸出功率波動(dòng)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，也是風(fēng)電場群輸電規(guī)劃中輸電線路選型的一個(gè)重要參考依據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電群裝機(jī)規(guī)模是影響風(fēng)電場群最大出力同時(shí)率的一個(gè)主要因素。風(fēng)電群裝機(jī)規(guī)模越大，則風(fēng)電場群風(fēng)電機(jī)組散落分布在較大地理區(qū)域內(nèi)。受地形、地勢和風(fēng)向的隨機(jī)變化性影響，各風(fēng)機(jī)出力曲線更具自身特色，整體共性的重疊不多，造成風(fēng)電場群風(fēng)電機(jī)組很難同時(shí)處于額定功率運(yùn)行狀態(tài)，相應(yīng)地最大出力同時(shí)率較小。反之，風(fēng)電群裝機(jī)規(guī)模較小，絕大部分風(fēng)機(jī)分布在同一片山脊上。地形、地勢和風(fēng)向基本一致，各風(fēng)機(jī)出力曲線一致性較高，大部分風(fēng)電機(jī)組能夠同時(shí)工作在額定功率運(yùn)行狀態(tài)，相應(yīng)地最大出力同時(shí)率較大。

湖南某縣境內(nèi)包含1個(gè)由7個(gè)分布式風(fēng)電場組成的縣域風(fēng)電場群，該風(fēng)電場群總裝機(jī)容量為558 MW，分布在80 km2范圍區(qū)域內(nèi)。表1給出了該縣域風(fēng)電場群出力同時(shí)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可知，該縣域風(fēng)電群出力 70%以上的概率較低，僅為1.4%，風(fēng)電群出力70%以下的概率則高達(dá)98.6%。因而該縣域風(fēng)電群最大出力同時(shí)率按70%考慮，此時(shí)損失的風(fēng)電電量極少，又可大幅降低電網(wǎng)投資。

表1 某地區(qū)投產(chǎn)風(fēng)電場出力同時(shí)率統(tǒng)計(jì) %

1.2 多縣域范圍內(nèi)進(jìn)行電力電量平衡

湖南省風(fēng)資源豐富地區(qū)地理位置較偏遠(yuǎn)，且處于地區(qū)電網(wǎng)末端。受風(fēng)電場所在地區(qū)地理環(huán)境與經(jīng)濟(jì)實(shí)力等因素影響，當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平較低，風(fēng)電場群電能就地消納空間有限，需通過輸電線路送往其他地區(qū)消納。因而在討論縣域風(fēng)電群電能消納方案時(shí)，需從更大范圍內(nèi)進(jìn)行電力電量平衡分析，如縣域及周邊多個(gè)縣組成的區(qū)域電網(wǎng)等，而不能簡單地僅僅在該縣域范圍內(nèi)進(jìn)行電力電量平衡分析。

1.3 縣域內(nèi)風(fēng)電大發(fā)期和水電大發(fā)期重疊

湖南省水電資源豐富。受自然環(huán)境影響，湖南省水庫來水多集中在春秋兩季，并且有來水集中、分布范圍廣和持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。汛期時(shí)，省內(nèi)各水電站往往長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行〔4〕。湖南省年平均風(fēng)速則以春冬季風(fēng)速較大，夏秋季風(fēng)速相對較小。因而春季為湖南省內(nèi)水電和風(fēng)電同時(shí)大發(fā)的時(shí)期。由于湖南山區(qū)風(fēng)電場所在的懷化南部、邵陽西部、永州南部、株洲中南部以及郴州東部等均為水電較為豐富的地區(qū)，因而進(jìn)行縣域風(fēng)電群消納方案分析時(shí)需討論縣域電源最大送出方式，即水電和風(fēng)電同時(shí)大發(fā)的極端方式。并以縣域電源最大送出方式時(shí)的電力電量平衡結(jié)果，作為校核電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，達(dá)到盡量不棄水、少棄風(fēng)的目標(biāo)。

2 風(fēng)電群輸電方案特點(diǎn)

2.1 風(fēng)電場場址對輸電規(guī)劃方案影響大

風(fēng)電場升壓站站址位置是風(fēng)電群輸電方案的基礎(chǔ)條件。進(jìn)行縣域風(fēng)電群輸電規(guī)劃時(shí)，往往有部分風(fēng)電場尚未開展前期工作，造成風(fēng)電場升壓站站址無法確定。湖南省規(guī)劃風(fēng)電場場址面積在0.5～241 km2之間，有效山脊長度約為3.5～40 km，規(guī)劃風(fēng)電場升壓站站址有多種方案可供選擇，不同的風(fēng)電場場址方案決定了不同的縣域風(fēng)電場群輸電方案，對風(fēng)電場群投資成本和風(fēng)電場群電能消納方向均具有重要影響。為確保規(guī)劃風(fēng)電場升壓站站址的相對準(zhǔn)確，可綜合風(fēng)電場場址的地形地貌、地質(zhì)水文條件、進(jìn)站道路、土石方量、周邊電網(wǎng)情況等信息初步選定。

2.2 風(fēng)電群送出電壓等級(jí)

湖南省縣域風(fēng)電場群的最大規(guī)模為755 MW，縣域中分布較為集中的風(fēng)電群最大規(guī)模為 350 MW?？紤]輸電線路極限輸送容量，湖南縣域風(fēng)電群一般可選擇采用220 kV電壓等級(jí)輸電線路方案或者110 kV電壓等級(jí)輸電線路方案接入系統(tǒng)。

采用220 kV電壓等級(jí)輸電線路方案時(shí)，匯集的風(fēng)電群裝機(jī)規(guī)模一般在200 MW以上。在當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平較低，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，無法利用現(xiàn)有的110 kV線路將風(fēng)能送往其他區(qū)域消納時(shí)，可以考慮220 kV送出方案，特別是在覆冰比較嚴(yán)重地區(qū)，小截面的220 kV線路造價(jià)與大截面的110 kV線路造價(jià)差別不大，選擇220 kV電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)勢。但考慮到承擔(dān)風(fēng)電場群建設(shè)的單位可能不屬于同一開發(fā)方，220 kV升壓站及輸電線路投資建設(shè)分?jǐn)倖栴}難以協(xié)調(diào)。

采用110 kV電壓等級(jí)送出時(shí)，匯集的風(fēng)電群裝機(jī)規(guī)模一般在200 MW及以下，當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平相當(dāng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為完善，風(fēng)能可以就地消納或者采用已有的110 kV線路送往其他區(qū)域消納。根據(jù)湖南風(fēng)電群特點(diǎn)，推薦湖南風(fēng)電群采用110 kV電壓等級(jí)輸電線路方案。

2.3 風(fēng)電群送出導(dǎo)線截面選擇

架空送電線路導(dǎo)線截面一般按照經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇，并根據(jù)電暈、機(jī)械強(qiáng)度以及事故情況下的發(fā)熱條件進(jìn)行校驗(yàn)〔5〕。但由于湖南縣域風(fēng)電場群利用小時(shí)數(shù)低，且受風(fēng)電場送出線路所經(jīng)地區(qū)的氣候條件影響，故在選取上具有其自身的特點(diǎn)。

1)按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面，應(yīng)考慮線路投運(yùn)后5～10年的發(fā)展。對于風(fēng)電場送出工程而言，為避免電網(wǎng)資源浪費(fèi)及重復(fù)投資，應(yīng)以該區(qū)域風(fēng)資源的終期規(guī)模進(jìn)行選擇，導(dǎo)線截面不宜過小。導(dǎo)線截面S的計(jì)算公式如下所示:

式中 P為送電功率；J為經(jīng)濟(jì)電流密度；Ue為線路額定電壓；cosφ為功率因數(shù)。

2)按導(dǎo)線長期容許電流校驗(yàn)導(dǎo)線截面。在確定風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模以后，結(jié)合風(fēng)電群同時(shí)率，明確需要送出的最大電力；再對照不同導(dǎo)線截面積線路極限輸送功率來選擇常規(guī)導(dǎo)線截面。表2給出了常用不同截面積輸電線路的極限輸送功率。

表2 常用輸電線路極限輸送功率 MW

將經(jīng)濟(jì)電流密度選出的導(dǎo)線截面與長期允許電流值校核選出的導(dǎo)線截面進(jìn)行比較，選擇較大者為該風(fēng)電場送出線路。

3 縣域風(fēng)電場群規(guī)劃方案設(shè)計(jì)實(shí)例

以湖南A市B縣境內(nèi)風(fēng)電場群為對象，論述其輸電系統(tǒng)規(guī)劃過程〔6〕。B縣風(fēng)電場包括7座風(fēng)電場，總裝機(jī)容量558 MW。D縣境內(nèi)2座風(fēng)電場(風(fēng)電場c，f)距離B縣較近，因此將這2座風(fēng)電場納入B縣風(fēng)電場群的輸電系統(tǒng)規(guī)劃，風(fēng)電場群地理位置如圖1所示。

圖1 B縣風(fēng)電群地理位置圖

3.1 風(fēng)電群電能消納分析

根據(jù)電力電量平衡結(jié)果，未考慮規(guī)劃風(fēng)電群的情況下，B縣最大電力缺額為386 MW。由于規(guī)劃風(fēng)電群裝機(jī)容量大于B縣電力缺額，因此需要將風(fēng)電群電力在B縣及周邊的C縣和D縣等3個(gè)縣進(jìn)行消納。

依據(jù)風(fēng)電場的地理位置、電網(wǎng)的現(xiàn)狀及規(guī)劃，B縣北部風(fēng)電群 (風(fēng)電場a－f)的電能不能完全在近區(qū)的220 kV變電站供電區(qū)消納，可考慮將風(fēng)電場a，b，c送至C縣或D縣消納。B縣南部風(fēng)電群(風(fēng)電場g－i)的電能基本可在南部的220 kV變電站供電區(qū)消納。

3.2 B縣輸電方案設(shè)計(jì)

1)B縣南部的風(fēng)電場g，h，i，分布較為分散，且最大裝機(jī)容量僅96 MW，因而建議這3個(gè)風(fēng)電場以110 kV電壓等級(jí)按就近原則接入周邊的110 kV變電站。

2)B縣北部的風(fēng)電場f，裝機(jī)規(guī)模50 MW，距離南部電網(wǎng)較近，其電能可在南部電網(wǎng)就地消納，建議風(fēng)電場f以110 kV電壓等級(jí)和南部3個(gè)風(fēng)電場一起就近接入110 kV變電站。

3)B縣北部的風(fēng)電場d，e距離較近，總裝機(jī)規(guī)模為126 MW，建議這2個(gè)風(fēng)電場共建一個(gè)升壓站打捆送出。

4)風(fēng)電場a，b，c總規(guī)劃裝機(jī)容量240 MW。根據(jù)3座風(fēng)電場地理位置、周邊電網(wǎng)現(xiàn)狀和規(guī)劃情況，有4種接入系統(tǒng)方案。

①a風(fēng)電場、b風(fēng)電場、c風(fēng)電場總裝機(jī)240 MW，以220 kV電壓等級(jí)匯集送出。

②a風(fēng)電場、b風(fēng)電場總裝機(jī)192 MW，以110 kV電壓等級(jí)匯集送出；c風(fēng)電場以110 kV電壓等級(jí)單獨(dú)送出。

③b風(fēng)電場、c風(fēng)電場總裝機(jī)144 MW，以110 kV電壓等級(jí)匯集送出；a風(fēng)電場以110 kV電壓等級(jí)單獨(dú)送出。

④a風(fēng)電場、b風(fēng)電場、c風(fēng)電場分別以110 kV電壓等級(jí)單獨(dú)送出。

從潮流分布、方案可靠性、調(diào)度運(yùn)行、方案實(shí)施難易度、遠(yuǎn)景發(fā)展適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性等6個(gè)方面開展了分析計(jì)算工作，認(rèn)為風(fēng)電場a，b，c分別以110 kV電壓等級(jí)分散接入系統(tǒng)方案綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，方案中a風(fēng)電場電能送往C縣消納，b風(fēng)電場電能送往D縣消納。

在風(fēng)電場輸電線路導(dǎo)線截面方面，經(jīng)綜合計(jì)算與分析，推薦風(fēng)電場a，b，h，i選擇LGJ－240導(dǎo)線，風(fēng)電場c，g，f需選擇LGJ－120導(dǎo)線，風(fēng)電場d，e選擇LGJ－300導(dǎo)線。

4 結(jié)論

文中依據(jù)湖南省風(fēng)能資源分布以及風(fēng)電的出力特性，論述了縣域風(fēng)電群輸電規(guī)劃方案特點(diǎn)。提出在進(jìn)行電能消納方案研究時(shí)，需明確風(fēng)電群最大出力同時(shí)率，當(dāng)風(fēng)電群電能無法就地消納時(shí)需從更大范圍內(nèi)討論電力電量平衡分析，并校核縣域電源最大出力方式。制定輸電方案時(shí)，首先需選取較為合適的風(fēng)電場場址，避免對輸電方案造成顛覆性影響，深入研究風(fēng)電群送出電壓等級(jí)，并比較計(jì)算得到送出導(dǎo)線截面，提高經(jīng)濟(jì)效益。

〔1〕中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司.湖南省 “十三五”風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃〔R〕.2015.

〔2〕中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 19963—2011風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

〔3〕國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 392—2009風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定〔S〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔4〕韓忠暉，鄧小亮，馬悅，等.風(fēng)電在湖南電網(wǎng)中的發(fā)展現(xiàn)狀分析〔J〕.湖南電力，2013，33(6):37-39.

〔5〕 電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊〔S〕.1998.

〔6〕胡娟，王振宇.永州市江華瑤族自治縣風(fēng)電群輸電規(guī)劃〔R〕.湖南省電力勘測設(shè)計(jì)院，2013.

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1008-0198(2015)06-0064-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.018

2015-10-27