CN105279333A - 一种风电场送出线截面削减设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场送出线截面削减设计方法，包括初设计、计算截面削减系数和校验工作。首先，基于风电场设计容量，按经济电流密度初选导线截面；其次，依据风电场环境特性，结合风速和环境因素与导线载流量的数学关系，分别应用筛选工况法和马尔科夫链蒙特卡洛结合贝叶斯分析法，对初选的导线截面进行有效削减，进而确定送出线导线设计截面；最后，按容许发热条件的持续极限输送容量、短路热稳定和压降条件校核。本发明能够结合实际工况，对风电场送出线进行设计选型，相比于现有的选型方法，在保证安全的情况下可进一步提高性价比。

Description

一种风电场送出线截面削减设计方法

技术领域

本发明涉及一种针对陆上和海上风电场送出线截面削减设计方法，属于送出线工程设计技术。

背景技术

风电场投资费用高，其送出线作为其主要元件，有必要提出一种满足可靠性要求的同时节约成本的切实可行的送出线设计方法。送出线载流量是由导线温度确定的，与此同时，送出线所处工况的风速和环境温度影响其散热情况，间接影响其载流量，准确计算三者的耦合关系具有重要的工程实际运用意义。

实际风电场送出线设计往往依据100％恒定负载率和标准中特定环境条件下计算出的载流量。这些方法设计出来的导线欠妥，特别是针对于风电场这样的变负荷送出线设计而言，上述设计方法安全裕度过高，浪费电缆线路载流能力，增加风电场建设费用以及后期运营管理时间和费用，不利于风电场长远发展和资源的合理有效利用。

据相关文献记载，实际工程设计中，设计人员均是依据相关标准设计选择送出线型号，通常会导致设计出的导线安全裕度过高。况且风电场出力有间歇性的特点，并不是一直处于满发状态，一年中满发时间仅占0.342％，送出线低负荷运行率更高。但令人遗憾的是，目前我国对风电场送出线有效设计选型研究却很比较少，相关专利也不多，设计人员往往是依据风电场满发工况设计以满足极端工况条件。

而本专利是分析风电场出力和环境之间的耦合关系，从而达到送出线截面削减的目的，该方法经济性较好，便于工程实际中借鉴和运用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种风电场送出线截面削减设计方法，该方法对陆上和海上风电场的环境影响因素进行了考虑，在现行标准设计的送出线截面基础上，对其进行有效削减。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种风电场送出线截面削减设计方法：首先按经济电流密度初选导线截面；其次从输电线路导线的热性设计入手，研究影响输电线路载流量的各种因素，针对风电场，运用风速和环境温度因素与导线载流量的数学关系；再次结合风电场实际出力和环境特性，计算初选型号导线在特定工况下的允许载流量，并计算相同工况下是实际载流量；依据贝叶斯定理，计算载流量裕度；由导线截面与载流量的关系，计算初选导线型号截面的有效削减系数，确定送出线导线截面；最后按容许发热条件的持续极限输送容量和压降校核。具体来说，该方法包括如下步骤：

(1)首先按经济电流密度法初选送出导线的型号；

(2)然后结合风电场出力和环境因素确定截面削减系数，结合截面削减系数对步骤(1)初选的送出导线的截面进行有效削减，具体为：

其中：S^*为削减后的送出导线的截面，单位：mm²；m为削减系数；P为送电容量，单位：kW；U_e为送出线路额定电压，单位：kV；j_n为经济电流密度，单位：A/mm²；为功率因数；

(3)最后对削减截面后的导线进行短路热稳定和压降校核，具体按容许发热条件的持续极限输送容量、短路热稳定和压降条件进行校核。

所述步骤(2)中，若风电场为陆上风电场，则送出线采用架空输电线路；按照如下方式考虑环境因素：

(a1)从环境温度、风速和日照强度三方面筛选最不利的几种工况条件，对步骤(1)初选的送出导线，用公式(1)和公式(2)分别计算每种最不利工况条件下的允许载流量I_允许和实际载流量I_实际：

其中：T_c为送出导线的自身温度，单位：℃；T_a为环境温度，单位：℃；v_w为风速，单位：m/s；D为送出线的截面直径，单位：m；s和k_e为常数；γ为送出导线的吸收系数；S_i为日照强度，单位：W/m²；ρ₁为导体电阻率，单位：Ω/m；β为交直流电阻比；α为导体温度系数；ρ₂为空气密度，单位：kg/m³，R为风电机风轮半径，单位：m；C_p(λ,β)为贝兹系数；S为初选的送出导线横截面积，单位：m²；

(a2)基于环境条件计算每种最不利工况条件下的载流量裕度系数选出最小值记为n_min；

(a3)运用马尔科夫链蒙特卡洛法分别建立一年8760h的环境温度、风速和日照强度模型，同时绘制一年8760h的环境温度、风速和日照强度频率图；确定边界条件的环境温度为35℃、风速为0.5m/s、日照强度为1000W/m²；

(a4)记环境温度、风速和日照强度频率图的总区间分别为K_t、K_v和K_w：

对于环境温度频率图的第i区间，环境温度T_a取该区间的右端值，风速v_w取值为0.5m/s，日照强度S_i取值为1000W/m²，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许ti和实际载流量I_实际ti；

对于风速频率图的第i区间，风速v_w取该区间的中间值，环境温度T_a取值为35℃，日照强度S_i取值为1000W/m²，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许vi和实际载流量I_实际vi；

对于日照强度频率图的第i区间，日照强度S_i取该区间的右端值，环境温度T_a取值为35℃，风速v_w取值为0.5m/s，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许wi和实际载流量I_实际wi；

(a5)分别计算环境温度、风速和日照强度载流量裕度系数：

其中：p_ti为环境温度频率图中各区间段出现的频率；p_vi为风速频率图中各区间段出现的频率；p_wi为日照强度频率图中各区间段出现的频率；

计算马尔科夫链蒙特卡洛法的载流量裕度系数为n^*＝0.77n_v+0.15n_t+0.08n_w；

(a6)确定截面削减系数m＝min[n_min,n^*]。

所述步骤(2)中，若风电场为海上风电场，则送出线采用海底电缆线路；按照如下方式考虑环境因素：

(b1)统计海上风电场一年内的实时日负载系数和海水温度信息，按月从中统计资料中筛选出日负载系数最大和海水温度最高的工况条件；

(b2)以每月中日负载系数最大的24h确定为该月的24h周期负载曲线，以每月中海水温度最高的24h确定为该月的最大24h海水温度曲线；对每月的24h周期负载曲线和最大24h海水温度曲线进行最差工况组合，形成该月的环境参数；

(b3)结合有限元分析方法建立海底电缆线路的实物模型，对步骤(1)初选的送出导线进行暂态仿真分析，具体为：对实物模型设置第i个月的环境参数，在保持24h周期负载曲线形状的基础上，利用对分法不断调施加的电流峰值，直至海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃，将此时施加的电流峰值记为I_{施加峰值i}，定义载流量裕度系数n_i为：

其中：I_{施加峰值i}为海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃时人为施加的电流峰值，单位：A；I_{实际峰值i}为24h周期负载曲线上实际的电流峰值，单位：A；

(b4)运用马尔科夫链蒙特卡洛法建立一年8760h的海水温度模型，绘制一年8760h的海水温度频率图；

(b5)记海水温度频率图的总区间为K：

对于海水温度频率图的第i区间，海水温度取该区间的右端值，将该海水温度带入(b3)的实物模型中，海底电缆的电流值(负载)取海上风电场满发状态的电流值I_满发，采用对分法对该海水温度重新给定满发状态的电流值，直至海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃，将此时给定的电流值记为I_施加i，定义载流量裕度系数n^*为：

其中：p_ti为海水温度频率图中各区间段出现的频率；

(b6)确定截面削减系数m＝min[min[n_i],n^*]。

有益效果：本发明提供的风电场送出线截面削减设计方法，与现有技术相比，本方法可以大大减少风电场投资运营成本，提高了性价比，另外结合实际环境因素以保证可靠性；本发明尤其适用于装机容量较小的陆上和海上风电场。

附图说明

图1为本发明的送出线截面削减设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种风电场送出线截面削减设计方法的实施流程图，下面就具体实施过程进行具体描述。

一、按经济电流密度法初选送出导线的型号

初选的送出导线横截面积S按照下式计算：

其中：S为初选的送出导线横截面积，单位：m²；P为送电容量，单位：kW；j_n为经济电流密度，单位：A/mm²；U_e为送出线路额定电压，单位：kV；为功率因数。送电容量P在工程实际中的取值为风电场满发状态的输出容量，即为P_max。

二、从送出导线的热性设计入手，研究影响送出导线载流量的各种因素

分陆上风电场和海上风电场两种情况对影响送出导线载流量的因素进行分析。

(1)若风电场为陆上风电场，则送出线采用架空输电线路；首先要统计环境温度、风速和日照强度的变化规律，结合环境因素，稳态运行时允许载流量I_允许的计算公式为：

其中：T_c为送出导线的自身温度，单位：℃；T_a为环境温度，单位：℃；v_w为风速，单位：m/s；D为送出线的截面直径，单位：m；s和k_e为常数；γ为送出导线的吸收系数；S_i为日照强度，单位：W/m²；ρ₁为导体电阻率，单位：Ω/m；β为交直流电阻比；α为导体温度系数。

式(1)间接表明环境温度越低，辐射换热和自然对流换热越强；风速越大，强制对流越强；同时，送出导线的允许载流量I_允许应当远大于风电场满发状态的输出载流量。

基于上述理论，有必要对初选的送出导线横截面积S进行有效削减；可以运用筛选工况法，从载流量方面入手，设计人员首先需要完成风电场一年内环境温度、风速和日照强度的信息采集；基于式(1)，从采集信息中筛选出几种最不利工况条件，例如：风速最大，环境温度最高，日照强度最强的工况；风速最小，环境温度最高，日照强度最强的工况；风速最小，环境温度最低，日照强度最强的工况；风速最大，环境温度最低，日照强度最强的工况；风速最大，环境温度最高，日照强度最弱的工况；风速最小，环境温度最高，日照强度最弱的工况。对筛选出的最不利的几种工况，用公式(1)和公式(2)分别计算每种最不利工况条件下的允许载流量I_允许和实际载流量I_实际。

其中：ρ₂为空气密度，单位：kg/m³，R为风电机风轮半径，单位：m；C_p(λ,β)为贝兹系数；S为初选的送出导线横截面积，单位：m²；由式(2)可知，在风速一定的情况下，I_实际∝S。

基于环境条件计算每种最不利工况条件下的载流量裕度系数选出最小值记为n_min。

为了确保准确性，运用马尔科夫链蒙特卡洛法结合贝叶斯分析法进一步分析环境因素与载流量的关系；首先运用马尔科夫链蒙特卡洛法分别建立一年8760h的环境温度、风速和日照强度模型，同时绘制一年8760h的环境温度、风速和日照强度频率图。

相关研究表明，三个主要环境因素对允许载流量的影响效益由大到小排序为风速、环境温度、日照强度；因此我们在绘制频率图时，可以：将风速区间设定为0.1m/s，相应的频率记为p_vi；将环境温度区间设定为4℃，相应的频率记为p_vi；将日照强度区间设定为200W/m²，相应的频率记为p_wi。

相关标准中，计算导体载流量的环境因素的边界条件为：环境温度为35℃、风速为0.5m/s、日照强度为1000W/m²。记环境温度、风速和日照强度频率图的总区间分别为K_t、K_v和K_w，进行如下计算：

①对于环境温度频率图的第i区间，环境温度T_a取该区间的右端值，风速v_w取值为0.5m/s，日照强度S_i取值为1000W/m²，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许ti和实际载流量I_实际ti；

②对于风速频率图的第i区间，风速v_w取该区间的中间值，环境温度T_a取值为35℃，日照强度S_i取值为1000W/m²，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许vi和实际载流量I_实际vi；

③对于日照强度频率图的第i区间，日照强度S_i取该区间的右端值，环境温度T_a取值为35℃，风速v_w取值为0.5m/s，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许wi和实际载流量I_实际wi。

根据贝叶斯定理，分别计算环境温度、风速和日照强度载流量裕度系数：

由相关文献辅助频率分析法计算得到环境温度、风速和日照强度这三种环境因素的权重分别为A_t＝0.15、A_v＝0.77和A_w＝0.08，因此，可以将马尔科夫链蒙特卡洛法的载流量裕度系数表示为n^*＝0.77n_v+0.15n_t+0.08n_w。

最后对两种方法得到的载流量裕度系数进行比较，可以确定截面削减系数m＝min[n_min,n^*]。

(2)若风电场为海上风电场，则送出线采用海底电缆线路，海底电缆主要在海床下铺设，不同于架空输电线路，海底电缆线路的运行环境多变，海底电缆结构也相对复杂，常规的计算方法不能完全满足这些复杂运行条件下的计算，其理论计算的准确性需要从各方面进行修正或者验证；所以，针对海上风电场，我们运用有限元分析方法对海底电缆线路进行仿真分析，并且根据海底电缆材料的热容特性以及其导热/散热条件，对载流量进行暂态分析。

针对海上风电场，设计人员首先需要统计海上风电场一年内的实时日负载系数和海水温度信息，按月从中统计资料中筛选出日负载系数最大和海水温度最高的工况条件；然后以每月中日负载系数最大的24h确定为该月的24h周期负载曲线，以每月中海水温度最高的24h确定为该月的最大24h海水温度曲线；对每月的24h周期负载曲线和最大24h海水温度曲线进行最差工况组合，形成该月的环境参数。

结合有限元分析方法建立海底电缆线路的实物模型，再对初选的送出导线进行暂态仿真分析，具体为：对实物模型设置第i个月的环境参数，在保持24h周期负载曲线形状的基础上，利用对分法不断调施加的电流峰值，直至海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃，将此时施加的电流峰值记为I_{施加峰值i}，定义载流量裕度系数n_i为：

其中：I_{施加峰值i}为海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃时人为施加的电流峰值，单位：A；I_{实际峰值i}为24h周期负载曲线上实际的电流峰值，单位：A。

运用马尔科夫链蒙特卡洛法建立一年8760h的海水温度模型，绘制一年8760h的海水温度频率图；将海水温度区间设定为1℃，相应的频率记为p_vi；记海水温度频率图的总区间为K：对于海水温度频率图的第i区间，海水温度取该区间的右端值，将该海水温度带入实物模型中，海底电缆的电流值(负载)取海上风电场满发状态的电流值I_满发，采用对分法对该海水温度重新给定满发状态的电流值，直至海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃，将此时给定的电流值记为I_施加i，定义载流量裕度系数n^*为：

最后对两种方法得到的载流量裕度系数进行比较，可以确定截面削减系数m＝min[min[n_i],n^*]。

三、对削减截面后的导线进行短路热稳定和压降校核

陆上风电场和海上风电场的送出导线需按容许发热条件的长期允许载流量校核、短路热稳定条件校核和压降校核削减截面后的导线，保证风电能够经济、安全送出。

送出导线在通过正常最大负荷电流(即计算电流)时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。架空输电线安全运行的温度为70℃；电缆安全运行温度为90℃。该过程可在有限元分析软件中仿真进行。

短路热稳定校核公式为：

$S\≥\frac{I_{\∞}\sqrt{t}}{C}$

上式中：I_∞为稳态短路电流，t为短路电流作用时间，C为热稳定系数。

当电力网络中无调压设备，而且电缆截面较小、线路较长时，为了保证供电质量，应按允许电压降校核电缆截面积；其校核公式如下(三相系统)：

$S\≥\frac{\sqrt{3}\mathrm{I\ρL}}{U_e\mathrm{\Δu}\%}$

上式中：I为负荷电流，ρ为电阻率，L为送出导线长度，△u％为网络允许电压降百分比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种风电场送出线截面削减设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)首先按经济电流密度法初选送出导线的型号；

(2)然后结合风电场出力和环境因素确定截面削减系数，结合截面削减系数对步骤(1)初选的送出导线的截面进行有效削减，具体为：

其中：S^*为削减后的送出导线的截面，单位：mm²；m为削减系数；P为送电容量，单位：kW；U_e为送出线路额定电压，单位：kV；j_n为经济电流密度，单位：A/mm²；为功率因数；

(3)最后对削减截面后的导线进行短路热稳定和压降校核。

2.根据权利要求1所述的风电场送出线截面削减设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，若风电场为陆上风电场，则送出线采用架空输电线路；按照如下方式考虑环境因素：

(a1)从环境温度、风速和日照强度三方面筛选最不利的几种工况条件，对步骤(1)初选的送出导线，用公式(1)和公式(2)分别计算每种最不利工况条件下的允许载流量I_允许和实际载流量I_实际：

其中：T_c为送出导线的自身温度，单位：℃；T_a为环境温度，单位：℃；v_w为风速，单位：m/s；D为送出线的截面直径，单位：m；s和k_e为常数；γ为送出导线的吸收系数；S_i为日照强度，单位：W/m²；ρ₁为导体电阻率，单位：Ω/m；β为交直流电阻比；α为导体温度系数；ρ₂为空气密度，单位：kg/m³，R为风电机风轮半径，单位：m；C_p(λ,β)为贝兹系数；S为初选的送出导线横截面积，单位：m²；

(a2)计算每种最不利工况条件下的载流量裕度系数选出最小值记为n_min；

(a3)运用马尔科夫链蒙特卡洛法分别建立一年8760h的环境温度、风速和日照强度模型，同时绘制一年8760h的环境温度、风速和日照强度频率图；确定边界条件的环境温度为35℃、风速为0.5m/s、日照强度为1000W/m²；

(a4)记环境温度、风速和日照强度频率图的总区间分别为K_t、K_v和K_w：

对于环境温度频率图的第i区间，环境温度T_a取该区间的右端值，风速v_w取值为0.5m/s，日照强度S_i取值为1000W/m²，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许ti和实际载流量I_实际ti；

对于风速频率图的第i区间，风速v_w取该区间的中间值，环境温度T_a取值为35℃，日照强度S_i取值为1000W/m²，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许vi和实际载流量I_实际vi；

对于日照强度频率图的第i区间，日照强度S_i取该区间的右端值，环境温度T_a取值为35℃，风速v_w取值为0.5m/s，用公式(1)和公式(2)分别计算允许载流量I_允许wi和实际载流量I_实际wi；

(a5)分别计算环境温度、风速和日照强度载流量裕度系数：

其中：p_ti为环境温度频率图中各区间段出现的频率；p_vi为风速频率图中各区间段出现的频率；p_wi为日照强度频率图中各区间段出现的频率；

计算马尔科夫链蒙特卡洛法的载流量裕度系数为n^*＝0.77n_v+0.15n_t+0.08n_w；

(a6)确定截面削减系数m＝min[n_min,n^*]。

3.根据权利要求1所述的风电场送出线截面削减设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，若风电场为海上风电场，则送出线采用海底电缆线路；按照如下方式考虑环境因素：

(b1)统计海上风电场一年内的实时日负载系数和海水温度信息，按月从中统计资料中筛选出日负载系数最大和海水温度最高的工况条件；

(b2)以每月中日负载系数最大的24h确定为该月的24h周期负载曲线，以每月中海水温度最高的24h确定为该月的最大24h海水温度曲线；对每月的24h周期负载曲线和最大24h海水温度曲线进行最差工况组合，形成该月的环境参数；

(b3)结合有限元分析方法建立海底电缆线路的实物模型，对步骤(1)初选的送出导线进行暂态仿真分析，具体为：对实物模型设置第i个月的环境参数，在保持24h周期负载曲线形状的基础上，利用对分法不断调施加的电流峰值，直至海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃，将此时施加的电流峰值记为I_{施加峰值i}，定义载流量裕度系数n_i为：

其中：I_{施加峰值i}为海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃时人为施加的电流峰值，单位：A；I_{实际峰值i}为24h周期负载曲线上实际的电流峰值，单位：A；

(b4)运用马尔科夫链蒙特卡洛法建立一年8760h的海水温度模型，绘制一年8760h的海水温度频率图；

(b5)记海水温度频率图的总区间为K：

对于海水温度频率图的第i区间，海水温度取该区间的右端值，将该海水温度带入(b3)的实物模型中，海底电缆的电流值取海上风电场满发状态的电流值I_满发，采用对分法对该海水温度重新给定满发状态的电流值，直至海底电缆线芯温度稳态值达到88～92℃，将此时给定的电流值记为I_施加i，定义载流量裕度系数n^*为：

其中：p_ti为海水温度频率图中各区间段出现的频率；

(b6)确定截面削减系数m＝min[min[n_i],n^*]。