CN104361214A - 一种确定山地风电送出导线截面选择的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种确定山地风电送出导线截面选择的方法，包括以下步骤：S1.根据风电场出力特性，建立同时率对照表；S2.建立典型截面输电线路长期允许载流量数据库；S3.收集风电集中地区温度与不同高度的风速的历史气候资料；S4.风电场送出工程输电线路截面选择计算。

Description

一种确定山地风电送出导线截面选择的方法

技术领域

本发明涉及电厂、站电能外送研究领域或新能源领域，具体涉及山地风电送出导线截面的选择方法。

背景技术

目前，风能作为可再生资源，越来越多地受到世界各国的青睐，风能发电正在成为增长最快的新能源项目。风电场建成后，电能的输出是一个关键问题，而导线截面的选择更是核心所在。风电场与其它电源相比，发电特性更具有不确定性，其装机规模较大，但发电利用小时数却较小，若按常规方法选取其输电导线截面，必然产生浪费。为了科学、合理、经济地选择山地风电场输出导线的截面，需要根据山地风电场的出力特性来计算。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种确定山地风电送出导线截面选择的方法。

山地风电场的出力特性主要体现在总装机出力同时率方面，结合现有不同规模的风电场，对其不同季节，不同时段的出力大小进行统计，建立各出力档的同时率对照表及持续时间。在获取山地风电场出力特性后，就可以根据风电场送出线路所经区域的气候特征(气温与风速)，采用经济电流密度法和最大载流量校核法来确定送出线路的截面。

在确定一个或几个风电场打捆送出的导线截面之前，首先应该确定接入系统方案，即，风电场的送出电压等级和电网接入点。在此基础上再进行导线截面的选择工作。

本发明一种确定山地风电送出导线截面选择的方法，包括以下步骤：

S1.根据风电场出力特性，建立相关调用数据库；

a.按照不同规模等级，进行风电出力同时率分析

b.考虑风电场持续大发时间

c.建议同时率取值。

S2.建立典型截面输电线路长期允许载流量数据库；

风电场送出工程的输电线路最大允许载流量决定了该线路的最大持续传输容量，其影响因素包括：环境温度、光照、输电线路允许温度、输电线路直流电阻、垂直于输电线路的风速等。

目前，国际上计算输电线路最大允许载流量的方法主要为IEEE StandardFor Calculating the Current-Temperature of Bare Overhead Conductors(IEEE738-2006)和CIGRE的Mathematical Model for Evaluation of Conductor Temperaturein The Steady(or Quasi-Steady)State(Normal Operation)。IEEE 738-2006其核心的热平衡方程为：

Q_l＝I²R＝Q_c+Q_r-Q_s

式中：Q_l为交流电阻产热量，Q_c为对流散热，Q_s为日照吸热，Q_r为辐射散热，I为导线载流量，R为交流电阻。

结合我国线路运行的实际特点，目前采用的计算方法主要参考了IEEE 738-2006标准。《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010)第84页介绍了《电机工程手册》(试用本)计算输电线路允许载流量，公式如下：

$I=\sqrt{(W_R+W_F-W_S)/R_T}$

式中：W_R为单位长度输电线路的辐射散热功率(W/m)，W_F为单位长度输电线路的对流散热功率(W/m)，W_S为单位长度输电线路的日照吸收功率(W/m)，R_T为允许温度时输电线路的交流电阻。

辐射散热功率W_R计算式为：

W_R＝πDE₁S₁[(θ_a+θ+273)⁴-(θ_a+273)⁴]

式中：D为输电线路外径(m)；E₁为输电线路表面的辐射散热系数；S₁为斯特凡-包尔茨曼常数，为5.67*10^-8(W/㎡)；θ_a为环境温度，一般采用最热月每日最高温度的月平均值，取多年平均值；θ为输电线路表面的平均温升，即输电线路允许温度与环境温度之差，在我国钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度为70℃，钢芯铝包钢绞线(包括铝包钢绞线)可采用80℃。

对流散热功率W_F计算式为：

W_F＝0.57*π*λ_f*θ*R_e ^0.485

式中：λ_f为输电线路表面空气的传热系数(W/m*℃)，R_e为雷诺数，具体公式为：

λ_f＝2.42*10^-2+7*(θ_a+θ/2)*10^-5

R_e＝υD/ν

式中：υ为垂直于输电线路的风速(米/秒)，一般线路的计算风速采用0.5米/秒，大跨越由于输电线路平均高度在30m以上，风速要相应增加，取0.6米/秒；ν为输电线路表面空气层的运动粘度(㎡/s)。

日照吸收功率W_S的计算式为：

W_S＝α_s*J_s*D

式中：α_s为输电线路表面的吸热系数；J_s为日光对输电线路的日照强度，当天晴、日光直射输电线路时，可采用1000W/m²。

S3.收集风电集中地区温度与不同高度的风速的历史气候资料，包括：

1)以所属县城或地市历史最热月每日最高温度的月平均值考虑风电场送出线路的环境温度；

2)以风电场当地历史气象数据为根据，考虑风电场送出工程导线的垂直风速。

3)以导线允许温度70℃或80℃进行设计。

S4.风电场送出工程输电线路截面选择计算，包括：

1)按经济电流密度选择导线的截面；

2)按导线长期容许电流校验导线截面：

3)将1)与2)的结果进行比较，选择导线截面较大者为该风电场送出线路。

附图说明

图1为风电场送出导线截面选取步骤原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

一种确定山地风电送出导线截面选择的方法，包括以下步骤：

S1.根据风电场出力特性，建立同时率对照表；

a.风资源的间歇式特点决定了风电场出力的不确定性，因此提出“同时率对照表”概念，对不同类型及不同装机规模的风电场，通过不同层面、不同范围进行监测统计，以建立同时率对照表。下面将按照不同规模等级，进行风电出力同时率分析。

1)某大风年某省风电

根据实时监控数据分析，按以下区间统计。

表1某大风年某省风电出力同时率统计

表中比重指的是此一档出力时间在全年有效发电时间内所占的比例。

2)某大风年某省内某地区投产风电场

根据实时监控数据分析，按以下区间统计。

表2某大风年某省内某地区投产风电场出力同时率统计

3)某大风年某省内某地区投产的5万级风电场

根据实时监控数据分析，按以下区间统计。

表3某大风年某省内某地区投产5万级风电场出力同时率统计(按不同规模统计)

4)某大风年某省内某地区某220千伏供区投产风电场

根据实时监控数据分析，按以下区间统计。

表4某大风年某省内某地区某220千伏供区投产风电场出力同时率统计

b.持续大发时间

虽然由前面的统计分析可知，80％的时间内某省风电场，同时率在40％以下，但从电网安全运行和保障风电全额上网的角度出发，还应考虑风电场持续大发的运行情况。

以下按单座风电场、220kV供区、某一地市、全省进行监测统计。

表5某风电场大风年每月最长大发持续时间

单位：万千瓦、小时

月份	规模	70％	80％	85％	90％
						一月份	4.8	28.7	14.3	10.3	1.6
二月份	4.8	14.5	10.0	2.9	2.3
						三月份	4.8	22.0	15.8	11.8	4.7
四月份	4.8	8.6	5.0	3.4	2.3
						五月份	4.8	22.8	9.3	3.8	1.8
六月份	4.8	16.3	10.8	4.1	0.3
						七月份	4.8	24.1	13.6	9.1	3.6
八月份	4.8	-	-	-	-
						九月份	4.8	13.0	3.3	1.1	0.3
十月份	4.8	15.8	4.2	2.3	0.6
						十一月份	4.8	8.3	3.5	2.8	0.5
十二月份	4.8	5.4	2.8	1.7	1.7

表6某220kV变供区投产风电场，某大风年每月最长大发持续时间

单位：小时

表7某地区投产5万千瓦级风电场，某大风年每月最长大发持续时间

单位：小时

月份	规模	70％	80％	85％	90％
						一月份	10.2	0.17	0.00	0.00	0.00
二月份	11.0	1.00	0.00	0.00	0.00
						三月份	11.0	2.75	1.00	0.00	0.00
四月份	11.2	19.17	11.08	4.33	0.92
						五月份	12.4	15.58	15.58	15.58	15.58
六月份	12.4	7.08	1.08	0.00	0.00
						七月份	13.0	1.83	0.58	0.08	0.00
八月份	13.0	9.17	1.58	0.08	0.00
						九月份	14.4	0.00	0.00	0.00	0.00
十月份	14.4	16.75	1.42	0.00	0.00
						十一月份	14.4	4.92	2.25	0.25	0.00
十二月份	14.4	4.75	2.92	1.83	0.17

表8某大风年某地区投产风电场每月最长大发持续时间

单位：小时

表9某省风电群的风电场大风年每月最长大发持续时间

单位：小时

月份	规模	70％	80％	85％	90％
						一月份	18.78	2.9	0.0	0.0	0.0
二月份	19.78	0.8	0.0	0.0	0.0
						三月份	20.98	1.0	0.0	0.0	0.0
四月份	21.98	1.4	0.3	0.0	0.0
						五月份	24.38	12.1	2.5	0.4	0.0
六月份	24.38	0.7	0.0	0.0	0.0
						七月份	24.98	1.7	0.0	0.0	0.0
八月份	24.98	0.8	0.0	0.0	0.0
						九月份	26.58	2.3	0.0	0.0	0.0
十月份	28.78	0.9	0.0	0.0	0.0
						十一月份	32.35	0.0	0.0	0.0	0.0
十二月份	33.7	0.0	0.0	0.0	0.0

c.初步结论

通过对已投产风电出力特性的分析，建议不同规模的风电场群最大出力同时率取值如下表10所示。

表10不同条件下，同时率建议取值

单位：万千瓦

S2.建立典型截面输电线路长期允许载流量数据库

风电场送出工程的输电线路最大允许载流量决定了该线路的最大持续传输容量，其影响因素包括：环境温度、光照、输电线路允许温度、输电线路直流电阻、垂直于输电线路的风速等。

1)计算方法

目前，国际上计算输电线路最大允许载流量的方法主要为IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature of BareOverhead Conductors(IEEE 738-2006)和CIGRE的Mathematical Model for Evaluationof Conductor Temperature in The Steady(or Quasi-Steady)State(NormalOperation)。IEEE 738-2006其核心的热平衡方程为：

Q_l＝I²R＝Q_c+Q_r-Q_s

式中：Q_l为交流电阻产热量，Q_c为对流散热，Q_s为日照吸热，Q_r为辐射散热，I为导线载流量，R为交流电阻。

结合我国线路运行的实际特点，目前采用的计算方法主要参考了IEEE 738-2006标准。《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010)第84页介绍了《电机工程手册》(试用本)计算输电线路允许载流量的简易方法，具体公式如下：

$I=\sqrt{(W_R+W_F-W_S)/R_T}$

式中，W_R为单位长度输电线路的辐射散热功率(W/m)，W_F为单位长度输电线路的对流散热功率(W/m)，W_S为单位长度输电线路的日照吸收功率(W/m)，R_T为允许温度时输电线路的交流电阻。

辐射散热功率W_R计算公式为：W_R＝πDE₁S₁[(θ_a+θ+273)⁴-(θ_a+273)⁴]

其中，D为输电线路外径(m)；E₁为输电线路表面的辐射散热系数；S₁为斯特凡·保尔茨曼常数，为5.67*10^-8(W/㎡)；θa为环境温度，一般采用最热月每日最高温度的月平均值，取多年平均值；θ为输电线路表面的平均温升，即输电线路允许温度与环境温度之差，在我国钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度为70℃，钢芯铝包钢绞线(包括铝包钢绞线)可采用80℃。

对流散热功率W_F计算式为：

W_F＝0.57*π*λ_f*θ*R_e ^0.485

式中：λ_f为输电线路表面空气的传热系数(W/m*℃)，R_e为雷诺数，具体公式为：

λ_f＝2.42*10^-2+7*(θ_a+θ/2)*10^-5

R_e＝υD/ν

式中：^υ为垂直于输电线路的风速(米/秒)，一般线路的计算风速采用0.5米/秒，大跨越由于输电线路平均高度在30m以上，风速要相应增加，取0.6米/秒；ν为输电线路表面空气层的运动粘度(㎡/s)。

日照吸收功率W_S的计算式为：W_S＝α_SJ_SD

其中，α_s为输电线路表面的吸热系数；J_s为日光对输电线路的日照强度，当天晴、日光直射输电线路时，可采用1000W/m²；D为导线外径。

2)计算结果

在垂直于输电线路风速0.5米/秒、1.0米/秒和2.0米/秒，太阳辐射功率密度1000W/m²等常规条件下，LGJ-240/40、LGJ-300/40、LGJ-400/35和2×LGJ-240/40的最大允许载流量结果见下表11。

表11常用输电线路长期允许载流量(此处列举一个典型线路)单位：A

S3.收集风电集中地区温度与不同高度的风速的历史气候资料

1)、以所属县城或地市历史最热月每日最高温度的月平均值考虑风电场送出线路的环境温度。

2)、以风电场当地历史气象数据为根据，考虑风电场送出工程导线的垂直风速。

3)、以导线允许温度70℃和80℃进行设计。

S4.风电场送出工程输电线路截面选择计算

架空送电线路导线截面一般按照经济电流密度来选择，并根据电晕、机械强度以及事故情况下的发热条件进行校验。考虑到风电场一般采用110千伏电压等级接入电网，因此重点论证110千伏等级情况，其他电压等级也可按本方法进行论证导线截面选择。

1)按经济电流密度选择导线的截面

按经济电流密度选择导线截面用的输送容量，应考虑线路投运后5～10年的发展。对于风电场送出工程而言，为避免电网资源浪费及重复投资，应以该片风资源的终期规模进行选择，勿使导线截面定得过小。

导线截面S的计算公式如下所示：

其中：P为送电功率，J为经济电流密度，U_g为为线路额定电压，为功率因数。

同时考虑P为长期送电功率，结合同时率对照表，并按年发电量来折算对应的利用小时数确定需经济送出的容量，采用经济电流密度法计算所需导线截面。对应长期送电功率的发电利用小时数应按用电量进行折算。我国电力经济密度参考值如下表13。

表13 J(经济电流密度)选择

单位：A/mm²

由以上可以计算出截面Sj。

2)按导线长期容许电流校验导线截面

在确定风电场装机规模以后，对照表10，明确需要最大的送出电力；再结合风电场所在地的气候条件，对照表11，选出典型的导线截面Sd。

3)将Sj与Sd进行比较，选择较大者为该风电场送出线路。

Claims (5)

1.一种确定山地风电送出导线截面选择的方法，包括以下步骤：

S1.根据风电场出力特性，建立同时率对照表；

S2.建立典型截面输电线路长期允许载流量数据库；

S3.收集风电集中地区温度与不同高度的风速的历史气候资料；

S4.风电场送出工程输电线路截面选择计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，对不同类型及不同装机规模的风电场，通过不同层面、不同范围进行监测统计，以建立同时率对照表。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

计算输电线路允许载流量，公式如下：

$I=\sqrt{(W_R+W_F-W_S)/R_T}$

式中：W_R为单位长度输电线路的辐射散热功率(W/m)，W_F为单位长度输电线路的对流散热功率(W/m)，W_S为单位长度输电线路的日照吸收功率(W/m)，R_T为允许温度时输电线路的交流电阻；

辐射散热功率W_R计算式为：W_R＝πDE₁S₁[(θ_a+θ+273)⁴-(θ_a+273)⁴]

式中：D为输电线路外径(m)；E₁为输电线路表面的辐射散热系数；S₁为斯特凡-包尔茨曼常数；θ_a为环境温度，采用最热月每日最高温度的月平均值，然后，取多年平均值；θ为输电线路表面的平均温升，即，输电线路允许温度与环境温度之差；

对流散热功率W_F计算式为：

W_F＝0.57*π*λ_f*θ*R_e ^0.485

式中：λ_f为输电线路表面空气的传热系数(W/m*℃)，R_e为雷诺数，具体公式为：

λ_f＝2.42*10^-2+7*(θ_a+θ/2)*10^-5

R_e＝υD/ν

式中：υ为垂直于输电线路的风速(米/秒)；ν为输电线路表面空气层的运动粘度(㎡/s)；

日照吸收功率W_S的计算式为：

W_S＝α_s*J_s*D

式中：α_s为输电线路表面的吸热系数；J_s为日光对输电线路的日照强度，D为导线直径。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

1)以所属县城或地市历史最热月每日最高温度的月平均值考虑风电场送出线路的环境温度；

2)以风电场当地历史气象数据为根据，考虑风电场送出工程导线的垂直风速；

3)以导线允许温度70℃或80℃进行设计。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

1)按经济电流密度选择导线的截面，同时考虑P为长期送电功率，结合同时率对照表，确定需经济送出的容量，并按年发电量来折算对应的利用小时数；

2)按导线长期容许电流校验导线截面：

3)将1)与2)的结果进行比较，选择导线截面较大者为该风电场送出线路。