風(fēng)電場電纜集電線路的經(jīng)濟截面分析

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摘要：為降低風(fēng)電場集電線路的有功損耗，提高風(fēng)電項目的系統(tǒng)效率和發(fā)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(yōu)化設(shè)計。鑒于此，針對集電線路電纜截面優(yōu)化設(shè)計提出了“經(jīng)濟截面”這個參考指標(biāo)，具有一定的實踐指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：有功損耗；優(yōu)化設(shè)計；經(jīng)濟截面

目前，風(fēng)電場內(nèi)一般均采用風(fēng)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(wǎng)的方案。根據(jù)風(fēng)電場相關(guān)設(shè)計規(guī)范，場內(nèi)集電線路的電壓損失不宜超過5%，規(guī)范未做強制要求，實踐中電壓損失經(jīng)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(guān)，這種做法在節(jié)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(yōu)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(jié)合考慮35kV電纜的費用、年損耗費用等提出“經(jīng)濟截面”的概念，并提出將線路經(jīng)濟截面作為場內(nèi)集電線路選型設(shè)計的參考指標(biāo)之一，對于新能源項目的優(yōu)化設(shè)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(dǎo)如下[1]：式中：p%為線路有功損耗百分?jǐn)?shù)（%）；Un為標(biāo)稱線電壓（kV）；cosφ為功率因數(shù)；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(fēng)電場中風(fēng)機功率因數(shù)一般為0.9～1.0，工程實踐中也一般會取功率因數(shù)為0.9來校驗線路選型，故以線路功率因數(shù)取值0.9為例。根據(jù)公式（1），對于導(dǎo)體截面規(guī)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?jǐn)?shù)[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?jǐn)?shù)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(shù)，S為電纜截面積，擬合系數(shù)β與電纜纜芯類型及功率因數(shù)相關(guān)。擬合結(jié)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(jù)某平臺某時期的鋁合金和銅電纜價格數(shù)據(jù)，不同規(guī)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(guān)系，電纜價格與電纜截面之間擬合結(jié)果為線性關(guān)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(jié)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)體材料市場價格的變化。

3電纜經(jīng)濟截面分析

由前述單位功率損耗百分?jǐn)?shù)與電纜截面規(guī)格的關(guān)系可知，單位電纜截面規(guī)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(dāng)線路傳輸功率為P、長度為L時，其相應(yīng)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(guī)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(shù)ε=1.1；k為擬合系數(shù)，取k1或k2。單位電纜截面增加所節(jié)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(shù)，根據(jù)項目年利用小時數(shù)可獲得[3]；N為投資回收年限，一般可取為10年。則當(dāng)ΔCp1≥ΔCp2時，電纜截面的增加從經(jīng)濟上是可行的，令γ=（10Nβτ/εk），則：Sm≤γP2×Pgrid（2）式中：Sm為經(jīng)濟截面積（mm2）；γ為計算系數(shù)；Pgrid為上網(wǎng)電價[元/（kW·h）]。目前風(fēng)電項目年利用小時數(shù)一般都在2000～3000h，則γ值估算如表3所示。風(fēng)電項目的年利用小時數(shù)越高，相應(yīng)的年損耗小時數(shù)也越高，則在相同的功率因數(shù)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(jīng)濟截面Sm，其由線路傳輸?shù)挠泄β屎蜕暇W(wǎng)電價決定。從優(yōu)化集電線路設(shè)計的角度，優(yōu)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(jīng)濟截面Sm可以作為增加電纜截面在經(jīng)濟上是否可行的簡化判據(jù)，假定集電線路電纜線路在滿足其載流量、短路熱穩(wěn)定等技術(shù)條件下確定的電纜截面積為S1，則當(dāng)S1＜Sm時，增加電纜截面在經(jīng)濟上是可行的，否則經(jīng)濟上不可行，且從經(jīng)濟性判據(jù)上允許增加的電纜截面為S2≤S2m/S1。

4實例分析

以某風(fēng)電項目的場內(nèi)集電線路為例，根據(jù)其可研風(fēng)資源分析結(jié)論，風(fēng)電場等效年利用小時數(shù)為約2200h，風(fēng)機額定功率4.5MW，上網(wǎng)電價按平價上網(wǎng)考慮，為0.378元/（kW·h）；場內(nèi)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(wěn)定以及電壓損失等均滿足要求的情況下，根據(jù)電纜線路所連接的風(fēng)機數(shù)量不同，集電線路按連接1～5臺風(fēng)機分別選擇電纜，電纜規(guī)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(fā)展有限公司