CN103269087B - 一种考虑风电场运行方式的线路选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑风电场运行方式的线路选型方法，以解决风电场接入电网的线路选型问题。其具体步骤为：首先，按风电场的接入位置，将线路分为风电支路和风电平行支路，采集风电支路上变电站的负载数据以及风电场的运行方式数据；其次，通过采集的数据求取线路的最大送电容量；最后，基于线路的最大送电容量进行线路选型。本发明提出了考虑风电场运行方式的线路选型方法，以该方法代替原有的不考虑风电场接入的架空线路的选型和配置方法，能有效地避免线路过载，保证电网的安全运行。

Description

一种考虑风电场运行方式的线路选型方法

技术领域

本发明涉及电力系统的线路选型方法，特别涉及一种考虑风电场运行方式的高压配网线路的选型方法。

背景技术

随着风电场接入数量和容量的增加，风电功率的随机性和间歇性将对电网潮流带来更大的冲击，给电力系统的规划增添了新的不确定因素，原有的线路规划因为未考虑风电场的影响而出现线路过载等现象，使得线路发热过大、绝缘老化、寿命缩短。

具体来说，原有的线路选型和配置方法未考虑风电场的影响，只按常规电源的装机容量和负荷大小确定线路的最大送电容量，从而得出导线截面以确定线路的选型和配置。但是，风电场并入电网后，负荷的单电源供电方式变成了双电源供电，风电场作为供电电源为负荷提供功率甚至向上一电压等级电网倒送功率，将可能导致某些线路的传输功率发生变化，存在发生线路过载的风险；同时，风电场的有功输出随风速的变化而波动，从零发到满发都有可能，导致风电场附近线路的潮流也随之波动。常规的线路选型和配置方法已很难满足风电场接入下的电网运行的安全性和可靠性，因此必须找出一种适应风电场接入的线路选型方法。

本发明在考虑风电场运行方式的基础上进行线路的选型和配置，在确定线路的送电容量时计及了风电场的输出功率，从而保证风电场在向负荷提供功率的同时不会产生线路过载的问题，使电网能够接纳更多的清洁的风能发电。

发明内容

为了解决风电场并网下原有的线路选型和配置方法不能满足负荷功率的传输以及线路过载的问题，使电网能够接纳更多的风能发电，本发明提出了考虑风电场运行方式的线路选型方法。

一种考虑风电场运行方式的线路选型方法，其包括以下步骤：

(1)按风电场的接入位置，将线路分为风电支路和风电平行支路，采集风电支路上变电站的负载数据以及风电场的运行方式数据；

(2)通过采集到的数据求取线路的最大送电容量；

(3)基于线路的最大送电容量进行线路选型；

进一步的，所述风电支路是包含风电场的电网支路，该电网支路起始于中枢点，终止于风电场并网点，从中枢点到风电场并网点之间的变电站一般不超过两个；所述中枢点是比风电场并网点电压等级更高一级的变电站中与风电场并网点电压等级相同的一侧；所述风电平行支路是指起始于中枢点，但不包含风电场的电网支路。

进一步的，风电支路上变电站的负载数据包括各变电站的最大有功负荷、最小有功负荷和负荷功率因数风电场的运行方式数据包括风电场的装机容量P_N及其功率因数

进一步的，所述线路最大送电容量S_max指的是线路上可能输送的最大容量；

风电场一般是通过一个或两个变电站接入中枢点，或是直接接入中枢点。图3是风电支路送电容量示意图：图中A为中枢点；B和C为负荷节点，其最大负荷分别为P_Bmax和P_Cmax、最小负荷分别为P_Bmin和P_Cmin；W为风电场并网节点，有功出力为P_W，风电场满发时输送的功率为P_Wmax；

图3(a)所示的风电支路不含负荷节点，线路AW的输送功率为风电场有功出力P_W，则线路AW最大送电容量的计算方法为

图3(b)所示的风电支路含负荷节点B；当风电场迟相运行时，风电场送出有功功率和无功功率，功率因数角线路BW的输送功率为风电场有功出力P_W，则线路BW的最大送电容量的计算方法为

线路AB的最大送电容量的计算方法为

当风电场进相运行时，风电场送出有功功率，吸收无功功率，功率因数角从风电场向负荷节点B输送的有功功率为风电场有功出力P_W，则线路BW的最大送电容量的计算方法为

线路AB输送的有功功率P_AB为|P_W-P_B|，无功功率Q_AB为则线路AB的送电容量的计算方法为

（P_Wmin≤P_W≤P_Wmax,P_Bmin≤P_B≤P_Bmax）

式中，函数S_AB ²是关于变量风电场有功出力P_W和B节点有功负荷P_B的二元二次函数，记为f(P_W，P_B)；变量取值范围：风电场有功出力P_W∈[P_Wmin，P_Wmax]，节点B有功负荷P_B∈[P_Bmin，P_Bmax]；

首先求出该函数的驻点，再分别求出f(P_W=P_Wmin，P_B=P_Bmin)、f(P_W=P_Wmin，P_B=P_Bmax)、f(P_W=P_Wmax，P_B=P_Bmin)和f(P_W=P_Wmax，P_B=P_Bmax)，比较这几个函数值，选取其中最大者，即为函数f在取值范围内的最大值f_max，开方求得风电场进相运行时线路AB输送的最大容量S_ABmax；

图3(c)所示的风电支路含负荷节点B、C；当风电场迟相运行时，线路CW的最大送电容量的计算方法为

线路BC的最大送电容量的计算方法为

线路AB的最大送电容量的计算方法为

当风电场进相运行时，线路CW的最大送电容量的计算方法为

线路BC输送的有功功率P_BC为|P_W-P_C|，无功功率Q_BC为则线路BC的送电容量的计算方法为

（P_Wmin≤P_W≤P_Wmax,P_Cmin≤P_C≤P_Cmax）

首先求出该函数的驻点，再分别求出f(P_W=P_Wmin，P_C=P_Cmin)、f(P_W=P_Wmin，P_C=P_Cmax)、f(P_W=P_Wmax，P_C=P_Cmin)和f(P_W=P_Wmax，P_C=P_Cmax)，比较这几个函数值，选取其中最大者，即为函数f在取值范围内的最大值f_max，开方求得风电场进相运行时线路BC输送的最大容量S_BCmax；

线路AB的最大送电容量的计算方法为

（P_Wmin≤P_W≤P_Wmax,P_Bmin+P_Cmin≤P_L≤P_Bmax+P_Cmax）

首先求出该函数的驻点，再分别求出f(P_W=P_Wmin，P_L=P_Bmin+P_Cmin)、f(P_W=P_Wmin，P_Lmax=P_Bmax+P_Cmax)、f(P_W=P_Wmax，P_L=P_Bmin+P_Cmin)和f(P_W=P_Wmax，P_Lmax=P_Bmax+P_Cmax)，比较这几个函数值，选取其中最大者，即为函数f在取值范围内的最大值f_max，开方求得风电场进相运行时线路AB输送的最大容量S_ABmax；

比较风电场迟相运行和进相运行时各线路的最大送电容量，选取其中较大者，即为各线路上可能输送的最大容量S_max。

进一步的，所述导线截面A指的是线路的截面积，由线路最大送电容量S_max确定，导线截面A为

$A=\frac{S_{\max }}{\sqrt{3}{U}_{N}J}\×{10}^3---\left(12\right)$

式中，A为导线截面（mm²），S_max为线路最大送电容量（MVA），U_N为线路额定电压（kV），J为经济电流密度（A/mm²）。常用的导线材料在不同最大负荷小时数下的经济电流密度为

表1经济电流密度（A/mm²）

与现有线路选型方法相比，本发明有以下优点和技术效果：

(1)本发明充分考虑了风电功率的随机性和间歇性对电网规划的影响，首次提出了风电场影响下电网线路的导线截面确定方法及线路的选型和配置方法。

(2)本发明提出了风电支路和风电平行支路，并指出风电场对风电平行支路的潮流影响很小，因此考虑风电场运行方式的线路选型方法只需针对风电支路，对风电平行支路的线路规划仍可按照传统的方法进行，这样就大大简化了计算、减轻了工作量。

(3)本发明所提线路选型方法，替换原有的线路选型和配置方法，无需对线路长度的确定等其他线路规划过程以及风电平行支路的规划进行修改，方法实用性强，易推广。

附图说明

图1是考虑风电场运行方式的线路选型方法的流程图。

图2是风电场接入电网的示意图：线路AW为风电支路；线路AB为风电平行支路。

图3是三种类型的风电支路的送电容量示意图。图3（a）是不含负荷节点的风电支路送电容量示意图；图3（b）是仅含一个负荷节点的风电支路的送电容量示意图；图3（c）是含有两个负荷节点的风电支路的送电容量示意图。

图4是某城市A的某条风电接入支路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施做进一步说明，但本说明的实施和保护不限于此。

(1)按风电场的接入位置，将线路分为风电支路和风电平行支路，采集风电支路上变电站的负载数据以及风电场的运行方式数据。变电站的负载数据包括：各变电站的最大有功负荷、最小有功负荷和负荷功率因数风电场的运行方式数据包括风电场的装机容量P_N及其功率因数

风电支路指的是包含风电场的电网支路，该支路起始于中枢点，终止于风电场并网点，从中枢点到风电场并网点之间的变电站一般不超过两个；中枢点指的是比风电场并网点电压等级更高一级的变电站中与风电场并网点电压等级相同的一侧；风电平行支路指的是起始于中枢点，但不包含风电场的电网支路。

(2)通过采集到的数据求取线路的最大送电容量；

图3（b）是仅含一个负荷节点的风电支路送电容量示意图：图中A为中枢点；B为负荷节点，其最大负荷为P_Bmax、最小负荷为P_Bmin；W为风电场并网节点，有功出力为P_W，风电场满发时输送的功率为P_Wmax。线路最大送电容量S_max指的是线路上可能输送的最大容量。

当风电场迟相运行时，风电场送出有功功率和无功功率，功率因数角线路BW的输送功率为风电场有功出力P_W，则线路BW的最大送电容量的计算方法为

线路AB的最大送电容量的计算方法为

当风电场进相运行时，风电场送出有功功率，吸收无功功率，功率因数角从风电场向负荷节点B输送的有功功率为风电场有功出力P_W，则线路BW的最大送电容量S_2max的计算方法为

线路AB输送的有功功率P₁为|P_W-P_B|，无功功率Q₁为则线路AB的送电容量S₁的计算方法为

（P_Wmin≤P_W≤P_Wmax,P_Bmin≤P_B≤P_Bmax）

式中，函数S₁ ²是关于变量风电场有功出力P_W和节点B有功负荷P_B的二元二次函数，记为f(P_W，P_B)。变量取值范围：风电场有功出力P_W∈[P_Wmin，P_Wmax]，节点B有功负荷P_B∈[P_Bmin，P_Bmax]，这两个变量的边界构成闭区域D。闭区域D的边界由四个平面C₁、C₂、C₃和C₄组成：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1:P_W=P_{W\min }(P_{B\min }\≤P_B\≤P_{B\max })\\ C_2:P_W=P_{W\max }(P_{B\min }\≤P_B\≤P_{B\max })\\ C_3:P_B=P_{B\min }(P_{W\min }\≤P_W\≤P_{W\max })\\ C_4:P_B=P_{B\max }(P_{W\min }\≤P_W\≤P_{W\max })\end{array}\right.$

由于函数f在闭区域D上连续，其最大值必定存在。首先求出函数f在闭区域D上的驻点，即函数f在闭区域D内的极大、极小值；然后，分别求出函数在各平面上的最大值；最后，比较函数f在闭区域D内的全部极值和各边界上的最大值，选取其中最大者，即为函数f在闭区域D上的最大值f_max，开方求得风电场进相运行时线路AB输送的最大容量S_1max。

比较风电场迟相运行和进相运行时各线路的最大送电容量，选取其中较大者，即为各线路上可能输送的最大容量S_max。

(3)基于线路的最大送电容量进行线路选型；

导线截面A指的是线路的截面积，由线路最大送电容量S_max确定，导线截面A的计算方法为

$A=\frac{S_{\max }}{\sqrt{3}{U}_{N}J}\×{10}^3$

式中，A为导线截面（mm²），S_max为线路最大送电容量（MVA），U_N为线路额定电压（kV），J为经济电流密度（A/mm²）。常用的导线材料在不同最大负荷小时数下的经济电流密度为

表经济电流密度（A/mm²）

以下是本发明方法的一个实际算例，以2011年国内某城市A的某条风电接入支路为例进行仿真计算。

图1反映了考虑风电场运行方式的线路选型的具体流程。具体实施步骤如下：

1)采集城市A的某条风电接入支路的参数，包括该风电支路上各变电站的负荷数据以及风电场的运行方式数据。

2)通过收集到的参数分别计算各线路的最大送电容量。

3)由各线路的最大送电容量分别计算其导线截面。

图4显示了城市A的某条风电接入支路，该支路中只包含了一座风电场F，接有变电站B和C，W为风电场并网点。节点B和C的负荷数据主要采集其五年规划期内的最大负荷和最小负荷，分别为P_Bmin=3.54MW，P_Bmax=26.58MW，P_Cmin=0.72MW，P_Cmax=27.39MW；风电场的最大输出功率为49.5MW。

按风电场F并网协议要求，风电场F以滞后0.95和超前0.95的功率因数运行，负荷的功率因数取为滞后0.95。根据规划报告，该地区在未来五年的最大负荷利用小时数处于3000h～5000h之间。假设各线路均采用铝导线，由表1可知，经济电流密度取1.15A/mm²。

考虑了风电场运行方式的各线路的最大送电容量为

表2线路最大送电容量(MVA)

由表2可见，线路CW的最大送电容量为52.11MVA，线路BC的最大送电容量为51.52MVA，线路AB的最大送电容量为56.81MVA。

由式(6)计算导线截面，算得线路CW的导线截面为237.8mm²，线路BC的导线截面为235.1mm²，线路AB的导线截面为259.3mm²。将计算结果与原有的线路规划进行比较，对比数据为

表3线路计算截面(mm²)

由表3可见，原有的线路规划下，线路BC的计算截面为131.6mm²，当接入风电场之后，该线路存在过载危险。因此，常规的线路选型和配置方法不能满足风电场接入下的电网运行的安全性要求，必须采用考虑风电场运行方式的线路选型和配置方法。

考虑风电场运行方式的线路选型和配置方法，在确定线路的最大送电容量时计及了风电场的输出功率，从而保证风电场在向负荷提供功率的同时不会产生线路过载的问题，使电网能够接纳更多的清洁的风能发电，提高了电网运行的安全性和可靠性。

Claims (4)

1.一种考虑风电场运行方式的线路选型方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)按风电场的接入位置，将线路分为风电支路和风电平行支路，采集风电支路上变电站的负载数据以及风电场的运行方式数据；

(2)通过采集到的数据求取线路的最大送电容量；所述线路最大送电容量S_max是线路上可能输送的最大容量；

风电场并网后通过一个或两个变电站接入中枢点，或是直接接入中枢点；设A为中枢点，B和C为负荷节点，W为风电场并网节点，F为风电场；负荷节点B和C的最大负荷分别为P_Bmax和P_Cmax、最小负荷分别为P_Bmin和P_Cmin；F通过节点W并入电网，W的有功出力为P_W，风电场满发时输送的功率为P_Wmax；

若风电支路不含负荷节点，只含A和W这两个节点，即W直接接入中枢点A，线路AW的输送功率为风电场有功出力P_W，则线路AW最大送电容量的计算方法为

若风电支路含有一个负荷节点B，即风电支路含有A、B和W这三个节点，W通过负荷节点B与中枢点A相连；当风电场迟相运行时，风电场送出有功功率和无功功率，功率因数角线路BW的输送功率为风电场有功出力P_W，则线路BW的最大送电容量的计算方法为

线路AB的最大送电容量为

当风电场进相运行时，风电场送出有功功率，吸收无功功率，功率因数角从风电场向负荷节点B输送的有功功率为风电场有功出力P_W，则线路BW的最大送电容量为

线路AB输送的有功功率P_AB为|P_W-P_B|，无功功率Q_AB为则线路AB的送电容量为

式中，P_Wmin≤P_W≤P_Wmax,P_Bmin≤P_B≤P_Bmax，函数S_AB ²是关于变量风电场有功出力P_W和节点B有功负荷P_B的二元二次函数，记为f(P_W，P_B)；变量取值范围：风电场有功出力P_W∈[P_Wmin，P_Wmax]，节点B有功负荷P_B∈[P_Bmin，P_Bmax]；

首先求出该函数的驻点，再分别求出f(P_W＝P_Wmin，P_B＝P_Bmin)、f(P_W＝P_Wmin，P_B＝P_Bmax)、f(P_W＝P_Wmax，P_B＝P_Bmin)和f(P_W＝P_Wmax，P_B＝P_Bmax)，比较这几个函数值，选取其中最大者，即为函数f在取值范围内的最大值f_max，开方求得风电场进相运行时线路AB输送的最大容量S_ABmax；

若风电支路含有两个负荷节点B和C，即风电支路含有A、B、C和W这四个节点，W依次通过负荷节点C、B与中枢点A相连；当风电场迟相运行时，线路CW的最大送电容量为

线路BC的最大送电容量为

线路AB的最大送电容量为

当风电场进相运行时，线路CW的最大送电容量为

线路BC输送的有功功率P_BC为|P_W-P_C|，无功功率Q_BC为则线路BC的送电容量为

式中，函数S_BC ²是关于变量风电场有功出力P_W和节点C有功负荷P_C的二元二次函数，记为f(P_W，P_C)；变量取值范围：风电场有功出力P_W∈[P_Wmin，P_Wmax]，节点C有功负荷P_C∈[P_Cmin，P_Cmax]；

首先求出该函数的驻点，再分别求出f(P_W＝P_Wmin，P_C＝P_Cmin)、f(P_W＝P_Wmin，P_C＝P_Cmax)、f(P_W＝P_Wmax，P_C＝P_Cmin)和f(P_W＝P_Wmax，P_C＝P_Cmax)，比较这几个函数值，选取其中最大者，即为函数f在取值范围内的最大值f_max，开方求得风电场进相运行时线路BC输送的最大容量S_BCmax；

线路AB的最大送电容量为

首先求出该函数的驻点，再分别求出f(P_W＝P_Wmin，P_L＝P_Bmin+P_Cmin)、f(P_W＝P_Wmin，P_Lmax＝P_Bmax+P_Cmax)、f(P_W＝P_Wmax，P_L＝P_Bmin+P_Cmin)和f(P_W＝P_Wmax，P_Lmax＝P_Bmax+P_Cmax)，比较这几个函数值，选取其中最大者，即为函数f在取值范围内的最大值f_max，进而得风电场进相运行时线路AB输送的最大容量S_ABmax；

比较风电场迟相运行和进相运行时各线路的最大送电容量，选取其中较大者，即为各线路上可能输送的最大容量S_max；

(3)基于线路的最大送电容量进行线路选型。

2.根据权利要求1所述的考虑风电场运行方式的线路选型方法，其特征在于：所述风电支路是包含风电场的电网支路，该电网支路起始于中枢点，终止于风电场并网点，从中枢点到风电场并网点之间的变电站个数小于或等于2；所述中枢点是比风电场并网点电压等级更高一级的变电站中与风电场并网点电压等级相同的一侧；所述风电平行支路是指起始于中枢点，但不包含风电场的电网支路。

3.根据权利要求1所述的考虑风电场运行方式的线路选型方法，其特征在于：风电支路上变电站的负载数据包括各变电站的最大有功负荷、最小有功负荷和负荷功率因数风电场的运行方式数据包括风电场的装机容量P_N及其功率因数

4.根据权利要求1所述的考虑风电场运行方式的线路选型方法，其特征在于：令导线截面A是线路的截面积，由线路最大送电容量S_max确定，

$A=\frac{S_{\max }}{\sqrt{3}{U}_{N}J}\×{10}^3---\left(12\right)$

式中，A为导线截面(mm²)，S_max为线路最大送电容量(MVA)，U_N为线路额定电压(kV)，J为经济电流密度(A/mm²)，经济电流密度是为取得最大的综合经济效益而统一规定的导体截面的电流密度。