风电场集电线路回路数量及路径优化研究

田建

摘要：近年来随着我国经济的发展，风力发电事业也得到了质的飞跃，这对于我国人们生活水平的提高和社会的稳定有着非常重要的意义。但是从2011年开始我国电网事故频出，经过调查研究发现，导致出现事故的最主要原因就是场内集成线路的架空线和电缆头出现故障，因此现代风电场必须要重视对风力发电集成电路的设计，在保证风电场安全运行的前提下提高线路的质量。

关键词：风电场;集电线路;回路数量;路径优化研究

引言

风电场内部组成中的集电线路，作为风电场运行的基础设施，用于连接风电场各个环节，承载着风电场的核心工作内容：汇集每台风机产出电量，输送汇集电量至升压站。风电场的风机数量较多，容量设置在50MW，集电线路的电压等级标准在35kV。在输送容量、线路长度等标准化背景下，集电线路拥有2～3个线路输送电量。在集电线路设计中，回路数量成为设计人员的工作重点。

1概述

风电场集中接入电网后，由于其复杂的短路电流特性和剧烈变化的运行方式，会影响传统电流的保护性能。发生故障时，风机提供的短路电流包含特殊的暂态分量和序分量;双馈型风机（DoubleFeedInductionGenerator，DFIG）的撬棒保护动作时，风场内部的运行方式和短路电流分布会产生较大的变化。针对这些问题，传统的电流保护整定需要做出相应的改进，从而满足应用要求。

2选择集电线路接线形式时应当考虑的问题

通常情况下，风电场的集电线路有三种形式，分别为架空线方式、电缆连接的方式以及架空和电缆相结合的方式。架空线的方式一般是在风电机组在经过箱式变电组的升压之后利用电缆来接入到最近的架空线路杆塔内;电缆连接的方式一般是利用风电机组的电能经过箱式变电站的升压之后，通过电缆连接到相临近的箱式变电站高压侧。通常情况下，在施工的过程中要对影响风力发电场质量的因素进行分析，进而找出合适的方案。从投资资金的方面来看，风电场集成线路要选择架空线路，因为这种线路相对来说经济性比较强，可以在确保风力发电质量的前提下减少施工的成本。如果发电厂是在一些林区或者海滨等旅游区域的时候就可以采取架空、电缆线路或者是电缆线路。除此之外，发电场在选择集电线路的电压时要要综合考虑现有的资源以及发电的具体要求。如果风力发电厂距离升压站比较近并且风机的容量比较的大，这个时候就可以采用35kV的集电线路来保证发电的质量;如果风力发电场离升压站比较的近，并且风机的容量比较小，就可以选择10kV的电压等级。

3风电场集电线路回路数量及路径优化

3.1优化线路的路径以及敷设的方式

首先在对风力发电成的电缆敷设路径进行设计的时候为了避免线路会受到外界的自然损害，通常会采取场内道路来确保线缆电路的安全性，在此基础上还要尽可能地缩短距离。通常情况下在进行风力发电厂线路敷设的时候会采取直理的方式来进行，并且为了减少直埋电路冻土地区时出现冻胀的情况损坏线路，会将电缆敷设在比较干燥的冻土层中。其外，在对风力发电场的敷设线路设计的时候遇到一些不适合电缆开挖的地形，就要采用明敷的方式。比如在一些石油管线交叉的困难地区就要利用拉管的形式来进行敷设，这样一来通过导向钻机和导向仪的作用可以帮助更好地完成电缆牵引以及套管敷设工作。最后，在选择电缆导体材质的时候，应当从工程的造价上来选择。如果集电线路的路径比较长，考虑到工程造价的问题，通常会让电缆的截面面积不超过300平方毫米。要知道，如果截面的面积过大的话，电缆的中间接头就会增多，这样不仅会增加工程的造价，也不利于电缆电路的长期运行。另外在选择电缆材料的时候也应当充分考虑到单回线路的容量，风力发电场也应当确保在集电线路设计的过程中各个环节都严格按照相应的规章典范来进行。

3.2粒子群择优路径

（1）粒子群算法描述。粒子群算法在回路数择优期间，具有计算速度高效率，并且收敛性极佳，并且结合遗传算法原理，使用交叉与变异的计算思想，是集电线路回路择优的最佳方案。将粒子群m初始化，自动随机生成序列为m个1与33+M-1之间的数列集合，计算粒子个体优秀值Pi，将Xi初始化，将全部优秀值g初始化，在所有粒子中选择最优秀的Xi值，形成矩阵K。每个单独粒子与其他粒子进行最优交换，如果交换期间发生的适应值更为优秀，则保留粒子替换结果，并且输出优秀值;粒子具有动态变化特征，变化规律参考矩阵K，如果变化结果的适应值更为优秀，则粒子替换成功，保留优秀值。更新单独粒子的优秀值Pi：将每个粒子的适应值与自身优秀值Pi进行对比分析，如果适应值高于Pi，则替换优秀值。更新所有粒子的优秀值g：每个独立的粒子，令其适应值与全局优秀值进行对比分析g，如果其适应值高于g，则以其适应值替换g。检查结束条件，如若条件，结束择优流程，如果不满足条件，从第二条重复择优过程。（2）回路择优分析。拟建风电场，其装机容量假设为49.5MW，安装风机设备为33台，对应的发电机组33个，每个机组的容量为1500kW，风电机组的连接方式为：一对一连接。择优运算参数设定：选择粒子群的序列集为50，择优次数为100，回路数为1～33;计算结果：6～9回路较为优秀;将取值扩大10倍，序列集为50，择优次数1000，回路数选择6～9，进行回路择优，计算结果为：7回路数;将择优次数扩大到2000，运行程序次数增加至10次，对比择优结果，均为7回路数。

3.3传统电流保护Ⅱ段整定方法存在的主要问题和调整策略

在电流保护Ⅱ段整定中，关键在于正确计算流过待整定集电线的最大短路电流Imax。传统的整定计算方法在计算Imax时，将风机看作传统发电机的电压源串接内阻抗的等效电源，故计算条件为所有风机全部投入运行。根据前述分析，故障发生时，DFIG的短路计算模型与传统发电机的等效模型有很大的不同：若DFIG的撬棒保护动作，则DFIG等效为异步电动机;若DFIG的撬棒保护没有动作，则DFIG等效为受控电流源模型，向外提供短路电流。此时，其他集电线上的风机会向待整定集电线上输出短路电流。故传统的整定方法的计算条件不一定适用于风电场集中时集电线电流保护Ⅱ段的整定。

结语

风电场内部集电线路，其回路选择问题，应结合风电场实际规划、风机布置特征、升压站的具体位置、风电场建设地理位置等因素，并且参考工程造价，开展综合分析后，再行确定。当风电场规划容量不小于200MW时，或者是风电场地理位置在丘陵山区时，应采用2回路。当风电场集电线路布置期间，途经林地、高度路等地段时，应选择2回路。风电场规划容量不大于200MW时，并且风电场内部环境地势平坦，风机数量较多时，应选择3回路。运用粒子群算法，分析风电场集电线路中回路数的最优状态;详细开展模型设定，明确分析流程，并且依据粒子群择优原则，开展回路数择优程序。计算结果为：回路数为7时，集电线路为最优状态。

参考文献：

[1] 喻錕，林湘宁，童宁，等.基于双曲正切函数动作特性的风电场集电线路反时限保护方法[J].中国电机工程学报，2018，38（13）：3846-3857，4025.

[2] 彭东虎，曹娜，于群.风电场对继电保护选相元件的影响与改进[J].可再生能源，2014，32（4）：418-423.

（作者单位：辽宁大唐国际新能源有限公司）