CN108460233A - 风电场架空软导线截面选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种风电场架空软导线截面选择方法，包括：步骤1：收集历史典型气象数据，生成设计区域历史典型场景库；步骤2：计算各场景下风电场风力发电机出力，生成设计线路载流量需求；步骤3：计算各场景下导线载流量；步骤4：对导线进行优化选择，计算评价指标、检验约束条件，对不同备选类型导线进行技术经济比较，并判断是否存在最优选择；如存在最优选择，则选定最优导线，如不存在最优选择，则执行步骤5；步骤5：增加备选导线类型或放宽约束条件，并重新执行步骤4。本发明能够根据风机出力特性、地区历史气象数据，根据技术经济分析比较，选择风电场内和风电场附近架空导线截面，降低所用导线的截面积，提高电气设计选型的经济性。

Description

风电场架空软导线截面选择方法

技术领域

本发明属于电力系统电气设计领域，特别涉及一种考虑风机功率特性与导线动态载流量特性配合的风电场架空软导线截面选择方法。

背景技术

我国风能资源极其丰富，随着国家不断加大对风电产业的投入，风电装机容量日益增加，风电场作为新兴设计对象，其设计业务量逐渐增多。在此背景下，现有风电场设计过程中在进行导线载流量整定计算时仍采用单一固定且较低的风速设定值(如0.5m/s)。然而常见的风机切入风速和额定运行风速一般均大于该设定值(如3m/s-10.5m/s左右)，此时若仍采用固定且较低的风速设定值计算导线载流量，不充分考虑风力发电出力的运行特点，将导致选取的导线截面过大，这样的导线设计结果肯定是不经济的，也将造成过度投资，产生浪费。

在电力设计领域，现有导线截面选择的技术方案虽有考虑环境参数对线路载流量的影响，但仍选取典型点位的环境温度和风速的典型值作为导线截面选择的依据，事实上风力发电机组出力和输电线路最大载流量都与风速密切相关，通过环境参数和风电场风力发电机组规划容量设计风电场相关线路参数能够实现二者最佳匹配，达到技术经济优化的目的。基于导线动态载流量特性理论应运而生的动态增容技术已广泛应用于电力系统优化调度运行，实践表明该方法确实能提高电网的实时输电能力，提升电力系统运行的灵活性。然而目前电力设计领域还缺乏一种考虑风机功率特性与导线动态载流量特性配合的风电场架空软导线截面选择方法，用于指导风电场内和风电场附近架空导线截面的选择。已有一些技术方法考虑风电场出力特性，地区温度和风速等环境信息，但仍存在以下缺点和不足：1)技术方法无法充分表现出风力发电间歇性、波动性等特性；2)并未针对风力发电满负荷运行率低、年利用小时数低这一重要特点提出针对性的导线设计方法。

发明内容

为了解决现有设计规程上的导线设计优化选择方法并不能完全适应风力发电波动性大，可利用小时数不高这些特性的问题，本发明提出一种考虑风机功率特性与导线动态载流量特性配合的风电场架空软导线截面选择方法，兼顾风机出力功率特性和架空导线动态载流量特性，充分挖掘架空线路功率输送潜力，提高导线截面选择结果的经济性。

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种风电场架空软导线截面选择方法，该方法充分利用线路气象历史数据，生成典型环境场景集，考虑环境参数利用概率分析方法，结合技术经济比较分析用于完成风电场架空软导线截面设计，完成导线截面选择。该技术能够同等情况下减少架空导线的截面，使所需架空导线截面积降低一个或多个档，提高线路输电能力利用率，减少建设成本，提高工程设计的经济性。同时利用本发明方法能够促进增加丰风期的风电上网电量，提高新能源利用率，因此具有较大的经济和环境效益。

本发明提出一种考虑风机功率特性与导线动态载流量特性配合的风电场架空软导线截面选择方法，包括获取风电场地区历史气象数据(如温度、风速、风向、光照辐射强度等)；生成风电场地区环境典型场景；模拟生成风力发电出力曲线；计算各场景下导线长期允许载流量曲线；选择导线截面，完成风电场架空软导线截面选择。本发明针对上述问题，提出一种使风机功率特性与导线动态载流量特性相匹配的风电场架空软导线截面选择方法，挖掘架空线路功率输送潜力；同时提出一种以历史环境数据为基础的考虑多场景的风电场架空软导线截面选择方法，该方法考虑了风力发电间歇性、波动性的特点，提出基于概率性指标指导导线截面选择以满足风电消纳的特定要求；最后，本发明还考虑风力发电与传统火力发电机组差异较大这一情况，提出指标用于评价风电场架空软导线截面选择，以指导风电场架空软导线设计。

本发明能够根据风机出力特性、地区历史气象数据(如温度、风速、风向、光照辐射强度等)，根据技术经济分析比较，选择风电场内和风电场附近架空导线截面，降低所用导线的截面积，节省导线材料，提高电气设计选型的经济性。

本发明具体采用以下技术方案：

一种风电场架空软导线截面选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集历史典型气象数据，生成设计区域历史典型场景库；

步骤2：计算各场景下风电场风力发电机出力，生成设计线路载流量需求；

步骤3：计算各场景下导线载流量；

步骤4：对导线进行优化选择，计算评价指标、检验约束条件，对不同备选类型导线进行技术经济比较，并判断是否存在最优选择；如存在最优选择，则选定最优导线，如不存在最优选择，则执行步骤5；

步骤5：增加备选导线类型或放宽约束条件，并重新执行步骤4。

优选地，步骤1中所述历史典型气象数据包括历史温度、风速、风向、日照强度数据。

优选地，步骤2中，计算风电场风力发电机出力依据以下公式：

式中：v为风速；v_in为风力发电机的切入风速；v_r风力发电机的额定功率风速；v_out为风力发电机的切出风速；f(v)为风速在v_in到v_r之间时，风力发电机输出功率与风速关系的函数。

优选地，步骤3中，导线载流量的计算依据以下公式：

其中：Q_r为辐射散热；Q_c为对流散热；Q_s为日照辐射吸热；在导线型号确定的情况下，ζ、τ均为常量；R_d为直流电阻。

优选地，在步骤4中对导线进行优化选择，计算评价指标、检验约束条件，对不同备选类型导线进行技术经济比较，并判断是否存在最优选择的具体方法是：

步骤41：设置目标函数为：

minf＝min(c_inv+c_loss)

式中：c_inv为线路的投资费用；c_loss为线路工程的年运行损耗费用；

其中，线路的投资费用c_inv按下式计算：

c_inv＝m·c_j

式中：m为净现值计算系数；c_j为j型号的导线的单位长度造价成本；

净现值计算系数m按下式计算：

其中：r为折现率；y为线路工程全寿命周期，单位为年；

线路工程的年运行损耗费用c_loss按下式计算：

式中：S表示场景；T表示日内时段总数；为j型号的导线在场景S下时刻t的实际载流量；R_Tj,s,t为j型号的导线在场景S下时刻t的交流电阻值；L_line为线路工程长度；λ_e为风电上网电价；

导线实际载流量按下式计算：

式中：I_s,t为场景S下时刻t的风电场外送功率的载流量需求；I_j,s,t为j型号的导线在场景S下时刻t的载流量能力；

步骤42：设置约束条件，包括：

线路载流量越限概率约束：

p(I_s,t≥I_j,s,t)≤α

式中：α为置信水平；

最低弃风率水平约束：

式中：P_j,s,t表示当选择导线型号为j的导线时，在场景S下时刻t的风电场外送功率；β为要求的最低弃风率水平。

优选地，r的取值为6％-7％；α的取值为1％或5％或10％。

本发明提出一种考虑风机功率特性与导线动态载流量特性匹配的风电场架空软导线截面选择方法，充分利用风速同时影响风力发电出力特性与导线载流量这一特性，为风电场架空软导线选取合适的截面。与现有风电场架空软导线截面选择的方法相比，提出的方法能够充分挖掘导线的功率输送潜力，最大化清洁能源利用率，节约风电场架空线路投资建设费用，同时具有巨大的经济和环境效益。

本发明的关键点如下：

1.本发明方法充分考虑了多个因素对导线载流量的影响机理，重点计及风速同时影响风力发电机组出力特性和架空导线动态载流量这一关键特性，充分挖掘架空线路功率输送潜力，带来经济效益和环境效益；

2.使用本发明提出的方法能够实现充分考虑风力发电间歇性、波动性的特点，利用本发明使用的概率性指标能够完成导线截面选择以满足导线载流量的特定要求；

3.本发明针对风力发电机组满负荷运行率低、年利用小时数低，与传统火力发电机组差异较大的特点，提出了一种适用于风电场架空软导线截面选择的评价指标，用于完成风电场架空软导线设计；

4.本发明方法具有一定的灵活性，使用该方法能够根据清洁电源消纳比例和风电场电能送出线路投资回报率等不同方面要求对风电场送出线路的架空软导线导线截面进行优化设计，得到满足不同要求的导线设计结果；

5.本发明方法利用地区气象数据库和大数据分析、处理能力，实现风电场送出线路导线的优化设计。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例中流程框架示意图；

图2是本发明实施例中风力发电机组典型出力特性曲线示意图；

图3是本发明实施例整体流程示意图；

图4是本发明实施例中风电场及送出线路位置示意图；

图5是本发明实施例中风电场所在区域典型场景风速曲线示意图；

图6是本发明实施例中观测点A典型场景风速曲线示意图；

图7是本发明实施例中观测点B典型场景风速曲线示意图；

图8是本发明实施例中观测点A典型场景温度曲线示意图；

图9是本发明实施例中观测点B典型场景温度曲线。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1、图3所示，本实施方法包括以下步骤：包括以下步骤：

步骤1：收集历史典型气象数据，生成设计区域历史典型场景库(场景集合)；

步骤2：计算各场景下风电场风力发电机出力，并对处理曲线进行模拟，根据步骤1生成的风电场典型风速时空场景及风电场所配置型号的风力发电机组出力特性，得到风电场内风力发电机组集群在各典型场景下的出力曲线，生成设计线路载流量需求；

步骤3：根据采集到的气象环境参数，计算并生成不同环境参数下各场景下长期允许导线载流量；

步骤4：对导线进行优化选择，计算评价指标、检验约束条件，对不同备选类型导线进行技术经济比较，并判断是否存在最优选择；如存在最优选择，则选定最优导线，如不存在最优选择，则执行步骤5；

步骤5：增加备选导线类型或放宽约束条件，并重新执行步骤4。

在本实施例中，步骤1中历史典型气象数据基于风电场和相关输电线路所在气象网格点(网格大小根据需要选取，如5km×5km)的历史温度、风速、风向、日照强度数据生成，同时考虑时间维度和空间维度的历史典型场景。

在步骤2中，根据步骤1生成的历史典型场景，对照风力发电机出力特性及计算公式，计算生成各典型场景下风电场中风力发电机的出力，生成各场景下风电场满载情况下设计线路载流量需求，其中，计算风电场风力发电机出力依据以下公式：

式中：v为风速；v_in为风力发电机的切入风速；v_r风力发电机的额定功率风速；v_out为风力发电机的切出风速；f(v)为风速在v_in到v_r之间时，风力发电机输出功率与风速关系的函数，即输出特性，该特性可以用线性函数和冥函数表示。

在步骤3中，导线载流量的计算依据以下公式：

其中：Q_r为辐射散热；Q_c为对流散热；Q_s为日照辐射吸热；在导线型号确定的情况下，ζ、τ均为常量；R_d为直流电阻。

以上公式的获取依据为：

根据国际上用于计算架空导线最大允许载流量的方法主要为IEEE标准(即IEEEStandard for Calculating the Current-Temperature of Bare Overhead Conductors(IEEE 738-2006)和CIGRE标准(即Mathematical Model for Evaluation of ConductorTemperature in The Steady(orQuasi-Steady)State(Normal Operation))，并结合我国线路运行的实际特点，根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010)，目前设计中常采用的计算方法主要参考了IEEE 738-2006标准，架空导线的热平衡方程可表示为如下形式：

式中：Q_r为辐射散热；Q_c为对流散热；Q_s为日照辐射吸热；m为导线的质量；C_p为导线的比热容；T_c为导线温度；I为导线载流量；R_T为交流电阻。

其中，辐射散热Q_r的计算方法如下：

Q_r＝π·σ·D·k_e((T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴)

式中：σ为斯特凡-玻尔兹曼常数，为5.67×10^-8W/(m²K⁴)；D为导线外径；k_e为导线表面的辐射散热系数，新线为0.23～0.43，旧线为0.9～0.95。

对流散热Q_c的计算方法如下：

Q_c＝π·λ_f·N_u(T_c-T_a)

式中：λ_f为导线表面空气层的传热系数，通常取值为0.02585/(W/mK)；N_u为欧拉数，其计算公式为：式中的R_e为雷诺数，计算公式为：R_e＝1.644×10⁹v_⊥·D[T_a+273+0.5(T_c-T_a)]^-1.78，式中的v_⊥为垂直导线的风速。

日照辐射吸热Q_s的计算方法如下：

Q_s＝a·J_s·D

式中：a为吸热系数，新线为0.23～0.43，旧线为0.9～0.95；J_s为日照强度。

交流电阻R_T通常用直流电阻R_d和交直流电阻比β的乘积表示，即：

R_T＝β·R_d

在利用摩尔根公式计算导线载流量时，交直流电阻比的运算比较复杂，影响因素较多。在计算时通常基于“导线的交直流电阻比与电流成非线性关系”这一实验结论根据下式计算交流电阻R_T，即：

R_T＝ζ·I^τ·R_d

在导线型号确定的情况下，ζ、τ均为常量。

根据上述公式，导线载流量的计算公式可以表示成如下形式：

当导线与外界的热交换达到或接近稳定状态时，导线的温度变化很小，可以忽略不计，即此时导线载流量的计算公式可以表示成如下形式：

上式即为稳定状态下导线的实时载流能力计算公式。

本实施例中，在步骤4中对导线进行优化选择，计算评价指标、检验约束条件，对不同备选类型导线进行技术经济比较，并判断是否存在最优选择的具体方法是：

步骤41：在电力设计阶段，计算导线允许载流量时，为了简化计算过程，可以将导线允许温度、日照强度设为定值，如一般取导线允许温度为70℃或80℃，取日照强度为1000，也可以根据风电场和导线所在区域的历史气象数据生成的典型场景取动态数值。

根据《电力工程电气设计手册电气一次部分》，导线截面的选择与校验可按回路持续工作电流选择，同时也可以按经济电流密度选择。考虑设计规程上的经济电流密度曲线和取值受到技术经济方面变化的影响以及使用条件的限制，已经不能满足风电场导线经济截面的选择，根据本实施例提出的具体思路，可以将导线截面优化选择问题表示成如下优化问题及模型，设置目标函数为：

minf＝min(c_inv+c_loss)

式中：c_inv为线路的投资费用；c_loss为线路工程的年运行损耗费用；

其中，线路的投资费用c_inv按下式计算：

c_inv＝m·c_j

式中：m为净现值计算系数；c_j为j型号的导线的单位长度造价成本；

净现值计算系数m按下式计算：

其中：r为折现率，通常可取值为6％-7％；；y为线路工程全寿命周期，单位为：年。

线路工程的年运行损耗费用c_loss按下式计算：

其中：式中：S表示场景；T表示日内时段总数；为j型号的导线在场景S下时刻t的实际载流量；R_Tj,s,t为j型号的导线在场景S下时刻t的交流电阻值；L_line为线路工程长度；λ_e为风电上网电价；

导线实际载流量按下式计算：

式中：I_s,t为场景S下时刻t的风电场外送功率的载流量需求；I_j,s,t为j型号的导线在场景S下时刻t的载流量能力；

步骤42：设置约束条件，约束条件主要用于表示风电场送出线路工程需要满足清洁能源消纳比例的需求，具体可以从以下几方面考虑：

线路载流量越限概率约束：

p(I_s,t≥I_j,s,t)≤α

式中：α为置信水平，典型取值为1％，5％和10％；

最低弃风率水平约束：

式中：P_j,s,t表示当选择导线型号为j的导线时，在场景S下时刻t的风电场外送功率；β为要求的最低弃风率水平。

上述优化模型即可实现风电场架空软导线截面的优化选择。值得注意的是，在本实施例实际应用过程中，可依照安全性需求，根据工程范围大小对风速和环境温度做保守处理，或者对计算得到的动态载流量数值做保守处理(例如乘以一个比例系数)，或者可以根据所提方法结果根据需要选择更高一级的导线截面。

以下结合一个具体算例，对本发明提出的风电场架空软导线截面选择方法作进一步说明：

以一座风电场及其送出线路为例，该风电场共有80台单机额定容量为1500kW的风力发电机，出力特性如图2所示。其中，风力发电机的切入风速v_in为3m/s；额定功率风速v_r为10.5m/s；切出风速v_out为25m/s。风速在切入风速到额定风速之间，风力发电机输出功率与风速关系的函数用线性函数表示。假设风电场送出线路电压等级为110kV，如图4所示。线路每5公里有1个气象观测点(图中观测点A、观测点B)，线路长度约10km。为了选出和风电场输出特性相匹配的导线，根据各典型场景的历史风速、温度数据(图5至图9)，以及表1至表3中的导线相关参数及参考造价，风电上网电价λ_e的取值为0.4元/kwh。历史风速已经是处理后得到的垂直于线路和风力发电机的风速，利用本实施例提出的方法得到的不同置信水平α和不同最低弃风率水平β导线截面优化选择结果参见表4。

表1：常见LGJ型钢芯铝绞线参数取值

表2：常见LGJ型钢芯铝绞线参考造价

表3：导线其他计算参数取值

表4：导线截面优化选择结果

根据表4所列出的导线截面优化选择结果可以根据需要选择风电场送出线路的导线截面，如在最低弃风率1％的要求下，最优导线型号为LGJ-150/35。若按照0.5m/s的风速和40℃的环境温度整定导线的最大载流量，送出线路导线型号即使选择待选型号中最大截面LGJ-400/35也无法满足要求，需要选择更大的导线截面，这也证明了本发明实施例提出方法的经济性。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的风电场架空软导线截面选择方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种风电场架空软导线截面选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集历史典型气象数据，生成设计区域历史典型场景库；

步骤2：计算各场景下风电场风力发电机出力，生成设计线路载流量需求；

步骤3：计算各场景下导线载流量；

步骤4：对导线进行优化选择，计算评价指标、检验约束条件，对不同备选类型导线进行技术经济比较，并判断是否存在最优选择；如存在最优选择，则选定最优导线，如不存在最优选择，则执行步骤5；

步骤5：增加备选导线类型或放宽约束条件，并重新执行步骤4。

2.根据权利要求1所述的风电场架空软导线截面选择方法，其特征在于：步骤1中所述历史典型气象数据包括历史温度、风速、风向、日照强度数据。

3.根据权利要求1所述的风电场架空软导线截面选择方法，其特征在于：步骤2中，计算风电场风力发电机出力依据以下公式：

式中：v为风速；v_in为风力发电机的切入风速；v_r风力发电机的额定功率风速；v_out为风力发电机的切出风速；f(v)为风速在v_in到v_r之间时，风力发电机输出功率与风速关系的函数。

4.根据权利要求1所述的风电场架空软导线截面选择方法，其特征在于：步骤3中，导线载流量的计算依据以下公式：

其中：Q_r为辐射散热；Q_c为对流散热；Q_s为日照辐射吸热；在导线型号确定的情况下，ζ、τ均为常量；R_d为直流电阻。

5.根据权利要求1所述的风电场架空软导线截面选择方法，其特征在于：在步骤4中对导线进行优化选择，计算评价指标、检验约束条件，对不同备选类型导线进行技术经济比较，并判断是否存在最优选择的具体方法是：

步骤41：设置目标函数为：

minf＝min(c_inv+c_loss)

式中：c_inv为线路的投资费用；c_loss为线路工程的年运行损耗费用；

其中，线路的投资费用c_inv按下式计算：

c_inv＝m·c_j

式中：m为净现值计算系数；c_j为j型号的导线的单位长度造价成本；

净现值计算系数m按下式计算：

其中：r为折现率；y为线路工程全寿命周期，单位为年；

线路工程的年运行损耗费用c_loss按下式计算：

式中：S表示场景；T表示日内时段总数；为j型号的导线在场景S下时刻t的实际载流量；R_Tj,s,t为j型号的导线在场景S下时刻t的交流电阻值；L_line为线路工程长度；λ_e为风电上网电价；

导线实际载流量按下式计算：

式中：I_s,t为场景S下时刻t的风电场外送功率的载流量需求；I_j,s,t为j型号的导线在场景S下时刻t的载流量能力；

步骤42：设置约束条件，包括：

线路载流量越限概率约束：

p(I_s,t≥I_j,s,t)≤α

式中：α为置信水平；

最低弃风率水平约束：

式中：P_j,s,t表示当选择导线型号为j的导线时，在场景S下时刻t的风电场外送功率；β为要求的最低弃风率水平。

6.根据权利要求5所述的风电场架空软导线截面选择方法，其特征在于：r的取值为6％-7％；α的取值为1％或5％或10％。