風電場電纜集電線路的經濟截面分析

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摘要：為降低風電場集電線路的有功損耗，提高風電項目的系統效率和發電效益，一個有效措施就是從全生命周期的角度進行集電線路的線纜選型優化設計。鑒于此，針對集電線路電纜截面優化設計提出了“經濟截面”這個參考指標，具有一定的實踐指導意義。

關鍵詞：有功損耗；優化設計；經濟截面

目前，風電場內一般均采用風機—箱變就地升壓，再通過35kV集電線路匯集后送至升壓站并網的方案。根據風電場相關設計規范，場內集電線路的電壓損失不宜超過5%，規范未做強制要求，實踐中電壓損失經常會超過5%甚至達到10%，而集電線路的功率損耗與電壓損失正相關，這種做法在節約初期投資的同時卻加大了電能的長期損耗，從項目的全生命周期來看未必是最優方案。筆者就以全電纜集電線路為例，通過分析線路單位負荷距下有功功率損失，結合考慮35kV電纜的費用、年損耗費用等提出“經濟截面”的概念，并提出將線路經濟截面作為場內集電線路選型設計的參考指標之一，對于新能源項目的優化設計具有一定的實踐意義。

1線路功率損失

1.1線路功率損失公式

線路功率損耗公式推導如下[1]：式中：p%為線路有功損耗百分數（%）；Un為標稱線電壓（kV）；cosφ為功率因數；R0′為線路單位長度電阻（Ω/km）；P為線路有功功率（kW）；L為線路長度（km）。

1.2線路單位功率損失估算

考慮到風電場中風機功率因數一般為0.9～1.0，工程實踐中也一般會取功率因數為0.9來校驗線路選型，故以線路功率因數取值0.9為例。根據公式（1），對于導體截面規格為50～400mm2的一系列35kV鋁合金和銅電纜分別計算單位負荷距（MW·km）下有功功率損耗百分數[2]，并對銅芯和鋁合金電纜線路單位負荷距有功功率損耗百分數與電纜截面之間分別進行擬合，所得曲線方程均為p0%=β/S，其中β為擬合系數，S為電纜截面積，擬合系數β與電纜纜芯類型及功率因數相關。擬合結果如表1所示。由表1可知，35kV電纜無論是鋁合金還是銅電纜，其曲線擬合誤差均很小，可以滿足工程計算需要。

2電纜線路費用估算

根據某平臺某時期的鋁合金和銅電纜價格數據，不同規格的35kV三芯電纜價格如表2所示，利用曲線擬合分析其與電纜截面的關系，電纜價格與電纜截面之間擬合結果為線性關系，擬合得到的銅芯電纜曲線方程為C銅=k1S+a，其中k1=1818.5，a=111746；鋁芯電纜曲線方程為C鋁=k2S+b，其中k2=415.11，b=115820。擬合結果及誤差分析如表2所示。由表2可知，無論是鋁合金電纜還是銅電纜，其擬合結果誤差均較小，可以用于工程計算分析。進一步分析可知，影響電纜價格的主要部分為電纜導體，其單位長度重量與電纜截面積成正比，其費用自然也隨著電纜截面變化而呈線性變化。另外，再考慮由于電纜截面變化引起的絕緣等用量的變化，此即上述公式中的可變部分，因此k1和k2值主要取決于電纜導體材料市場價格的變化。

3電纜經濟截面分析

由前述單位功率損耗百分數與電纜截面規格的關系可知，單位電纜截面規格增加引起單位負荷距下線路損耗百分比減少值為Δp0′%=-β/S2，當線路傳輸功率為P、長度為L時，其相應的線路有功功率損耗為ΔP=（-β/S2）×P×L×P。另外，單位電纜截面規格增加引起的電纜費用增加值為ΔCp2=ε×k×ΔS×L，ε為由于電纜截面增加引起的施工、電纜附件等附加費用，一般可取系數ε=1.1；k為擬合系數，取k1或k2。單位電纜截面增加所節約的N年電能損耗費用為ΔCp1=10β×ΔS/S2×P×L×P×τ×Pgrid×N，τ為年損耗小時數，根據項目年利用小時數可獲得[3]；N為投資回收年限，一般可取為10年。則當ΔCp1≥ΔCp2時，電纜截面的增加從經濟上是可行的，令γ=（10Nβτ/εk），則：Sm≤γP2×Pgrid（2）式中：Sm為經濟截面積（mm2）；γ為計算系數；Pgrid為上網電價[元/（kW·h）]。目前風電項目年利用小時數一般都在2000～3000h，則γ值估算如表3所示。風電項目的年利用小時數越高，相應的年損耗小時數也越高，則在相同的功率因數下，其γ取值也越大。由式（2）可知，對于任一條傳輸線路均存在一個經濟截面Sm，其由線路傳輸的有功功率和上網電價決定。從優化集電線路設計的角度，優化集電線路路徑或增加集電線路電纜截面均可減少線路的功率損耗，上述經濟截面Sm可以作為增加電纜截面在經濟上是否可行的簡化判據，假定集電線路電纜線路在滿足其載流量、短路熱穩定等技術條件下確定的電纜截面積為S1，則當S1＜Sm時，增加電纜截面在經濟上是可行的，否則經濟上不可行，且從經濟性判據上允許增加的電纜截面為S2≤S2m/S1。

4實例分析

以某風電項目的場內集電線路為例，根據其可研風資源分析結論，風電場等效年利用小時數為約2200h，風機額定功率4.5MW，上網電價按平價上網考慮，為0.378元/（kW·h）；場內集電線路為電纜+架空線混合方式，在校驗電纜載流量、短路熱穩定以及電壓損失等均滿足要求的情況下，根據電纜線路所連接的風機數量不同，集電線路按連接1～5臺風機分別選擇電纜，電纜規格從3×70mm2到3×400mm2不等。

作者：李良 范永威 單位：上海能源科技發展有限公司