Development of Energy Science May 2015, Volume 3, Issue 2, PP.50-54
Wind Power Collection Mode Considering the Optimal Network Loss Youzhong Miao1#, Yicheng Huang2, Feiyang Huo2, Anjia Mao3, Zixia Pei3, Lanlan Chen3 1. Economy & Technology Research Institute of SGCC JIBEI, Beijing 100053, China 2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China #
Email: 342744702@qq.com
Abstract As the most development prospect new energy power generation mode, the large-scale development and utilization of the wind power has become an inevitable trend. When planning a wind farm, under the condition of obey the constraints such as wind resource utilization, geographical conditions, and power constraints etc., choosing reasonable collection modes of wind power in the purpose of reducing the network loss will bring huge economic benefits. This paper starting from the accessing voltage level of wind farm, basing on theoretical analysis of wind farm power collection modes, illustrating of the wind electric fields accessing Kang Bao 500kV collection station in Jibei, discuss the wind power collection modes considering the optimal of network loss. Keywords: Wind Farm, Net Loss, Collection Mode, Effect Mechanism
考虑网损最优的风电场功率汇集方式 苗友忠 1，黄毅臣 1，霍菲阳 1，毛安家 2，裴子霞 3，陈兰兰 3 1. 国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100053 2. 华北电力大学，北京 102206 摘 要：风电作为最具发展前景的新能源发电方式，其大规模开发及利用已成为必然趋势。规划风电场时，在满足风资源 利用率、地理条件、电网约束等条件下，以有效降低网损为目的选择合理的风电场功率汇集方式将会带来巨大的经济效 益。本文从风电场接入系统的电压等级入手，在理论分析风电场功率汇集方式的基础上，以冀北张家口地区接入康保 500kV 的风电场为例，讨论考虑网损最优的风电场功率汇集方式。 关键词：风电场；网损；汇集方式；影响机理
引言 近年来，由于在调整能源结构、减轻环境污染、解决偏远地区居民用电等多方面的优点，风力发电的开 发和利用越来越广泛，越来越受到世界各国的重视。现阶段，我国千万千瓦级风电基地建设进入了快速发展 的时期。 在风电场内部，风电机组的电力一般通过汇集母线汇集后升压接入电网，风电场功率汇集方式是风电场 规划和运行的一项重要内容。规划建设风电场时，首先要考虑当地风资源情况、地理状况、电网约束等条件， 在此基础上，以电网网损最优选择合理的风电场功率汇集方式，对合理地规划建设风电场，减少风电场运行 时的网损，提高经济效益具有非常重大的现实意义。 目前国内外对风电的相关研究主要集中在风电集群点规模风电接入及送出对电网损耗、电网电压及电能 质量的影响，对考虑网损最优的风电场功率汇集方式的研究较少。文献[1]分析了风电场接入对周边地区电网 电压稳定性的影响，并给出了提高地区电压稳定性的措施；文献[2~4]以酒泉风电基地为基础，研究大规模风 电接入对网损影响，并推导出影响因素为输电通道的有功潮流、接入电网的结构、风电场接入点位置以及风 - 50 http://www.ivypub.org/des
电场有功出力等；文献[5]研究了大型风电接入系统的方式，以 B 地区风电接入为例，对大型风电场接入系统 的电压等级、输电方式进行较全面阐述。 本文以冀北张家口地区接入康保 500kV 的风电场接入为例，研究考虑网损最优的风电场功率汇集方式， 为风电场规划及电网的经济运行提供理论依据。
风电场接入系统电压等级的选择
1
大型风电场内部大都通过 35kV 或 10～12kV 汇流母线（集电线）将多台风力发电机组的电力送入中心 升压站升压后接入电网。风电接入系统的电压等级一般根据风电场的规模、容量、地理位置、周边地区电 网的现状、发展规划等因素综合考虑选择。根据《风电场电气系统典型设计》指导意见，我国不同规模风 电场接入电压等级按如下方式确定： 1、大型风电场（1500MW 及以上）采用 500kV 电压等级直接接入主干电网，以保证风电容量的全额送 出。 2、较大规模风电场（100MW～1000MW），可根据中心升压站位置，以 220kV 电压等级接入短路容量 相对较大、负荷较重的 220kV 枢纽变电站。 小规模风电场（50MW 以下）电力可考虑就地平衡、消纳，在满足并网技术条件的前提下，可选择以 66kV 电压等级就近接入地区 66kV 变电站。 张家口地区本身电网网架较薄弱，供电负荷较少，其风电主要依赖于北京乃至华北电网消纳，因此， 张家口风电基地中各风电场风电功率汇集升压至 220KV 后，再汇集到 500kV 变电站送出。
2
风电场功率汇集方式对网损影响的理论分析
图 1 方案 1 接线方式
图 2 方案 2 接线方式
图 3 方案 3 接线方式
风电场规划建设后，风电机组经过升压站升压输送至风点汇集点集中送出，不同的风电场功率汇集方 - 51 http://www.ivypub.org/des
式引起的电网损耗也不尽相同。本小节从理论角度分析风功率汇集方式不同对网损的影响。 假设有 3 个风电场风电升压至 220kV 后向 500kV 汇集点汇集，有如下三种方案可供选择：1）各风电场 均直接输送到 500kV 汇集点；2）新建风电场就近输送到临近风电场 220kV 升压站，一起输送到 500kV 汇 集点；3）所有新建风电场均汇集到一个风电场 220KV 升压站，然后一起输送到 500kV 汇集点；三种汇集 方案分别如图 1~3 所示。 假设各风电场汇集到 220kV 线路的功率分别为 P1+jQ1，P2+jQ2，P3+jQ3，并且假设各升压站母线电压均 控制在额定值附近。则我们可以估算各接入方案下的网损情况。 方案 1 的网损为：
∆P1 =
3 P32 + Q32 P12 + Q12 P22 + Q22 + + ≈ R R R ( Pi 2 + Qi2 ) Ri ∑ 1 2 3 V12 V22 V32 i =1
(1)
方案 2 的网损为： 2
2
P12 + Q12 P12 + Q12 P P R Q Q X1 + − + + − 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 V1 V1 P1 + Q1 R + P3 + Q3 R R = ∆P2 + 1 2 3 V12 V22 V32
(2)
2 2 P12 + Q12 P12 + Q12 2 2 R1 + Q1 + Q2 − X 1 R2 + ( P32 + Q32 ) R3 ≈ ( P1 + Q1 ) R1 + P1 + P2 − 2 V12 V 1
方案 3 的网损为： 2
2
P32 + Q32 P32 + Q32 P12 + Q12 P12 + Q12 P P P R R Q Q Q X X1 + + − − + + − − 1 1 2 3 3 1 2 3 3 2 2 2 2 2 2 V3 V1 V3 V1 P1 + Q1 R + R R1 + = ∆P3 2 2 2 2 2 (3) V1 V2 V2 2
2
P2 + Q2 P2 + Q2 P2 + Q2 P2 + Q2 ≈ ( P + Q ) R1 + P1 + P2 + P3 − 3 2 3 R3 − 1 2 1 R1 R2 + Q1 + Q2 + Q3 − 3 2 3 X 3 − 1 2 1 X 1 R2 V3 V1 V3 V1 2 1
2 1
从上述公式可以看出，当所有条件都相同时，方案（1）网损最小，方案（2）次之，方案（3）网损最 大，这是显然的，方案（1）中，各节点风电功率只在自己的输电线路上产生损耗，而方案（2）中，风电 场 1 功率除在自身输电线路上产生损耗外，还要在风电场 2 汇集线路上产生额外损耗，方案（3）中，风电 场 2 汇集线路上除产生自身风电功率损耗外，还会对风电场 1、2 产生额外损耗。 在实际规划中，几种方案中风电汇集线路的阻抗并不相等，在分析时，假定所有汇集线路均为同一型 号，各种方案中线路长度不同。在误差允许范围内，可以认为线路损耗为与线路长度成正比
∆= Pi k ( Pi 2 + Qi2 ) li
(4)
因此，上述三种方案的网损情况可示成：
(
∆P1= k ( P12 + Q12 ) l11 + ( P22 + Q22 ) l12 + ( P32 + Q32 ) l13
∆= P2 k
(
(( P
2 1
+ Q12 ) l21 +
(( P + P ) 1
(
2
2
)
)
(5)
+ ( Q1 + Q2 ) l22 + ( P32 + Q32 ) l23 2
)
)
∆= P3 k ( P12 + Q12 ) l31 + ( P1 + P2 + P3 ) + ( Q1 + Q2 + Q3 ) l32 + ( P32 + Q32 ) l33 对比方案 1 和方案 2，
2
2
(
∆P2 −= ∆P 1 k ( P12 + Q12 ) ( l21 + l22 − l11 ) + 2 ( P1 P2 + Q1Q2 ) l22
)
(6)
)
(7)
(8)
当 P1 ≈P2, Q1≈Q2 时，上式可化简为：
(
∆P2 −= ∆P 1 k ( P12 + Q12 ) ( l21 + 3l22 − l11 ) - 52 http://www.ivypub.org/des
)
(9)
由式(9)可知，在方案 1 与方案 2 的对比中，当各风电场出力近似时，如果 l21+3l22<l11，则方案 2 优于 方案，否则，方案 1 优于方案 2。 对比方案 2 和方案 3，
(
)
= ∆P3 k ( 2 ( P1 + P2 ) * P3 + 2 ( Q1 + Q2 ) * Q3 ) l32 + ( P32 + Q32 ) ( l33 + l32 − l23 )
当 P1 ≈P2≈P3，Q1≈Q2≈Q3 时，上式可化简为：
(
∆= P3 k ( P32 + Q32 ) ( l33 − l23 + 5l32 )
)
(10) (11)
由式(11)可知，在方案 2 与方案 3 的对比中，当各风电场出力近似时，如果 l33+5l32<l23，则方案 3 优于 方案 2，否则方案 2 优于方案 3。 在方案 1 中，如果风电场位置已经确定，需要确定汇集点位置时，则根据：
l11 + l12 + l13 ≥ 3 3 l11l12l13 可知，当汇集点到各风场距离相等时，即：l11= l12= l13 时，网损最小。 以上结论可以推广到不同电压等级情况，及风电场内部功率汇集时，采用方案 1 的汇集方式网损最小， 且功率汇集点到各风机距离尽可能相等。
3
算例分析 本小节以冀北张家口地区，以康保 500kV 为风电汇集点的康保协合风电场、康保协合徐五林风电场、
康保桑德丹青河风电场汇集方式为例，对上述理论计算得到的结论进行仿真计算及验证。 冀北张家口地区风力资源丰富，平均风速在 5.4m/s~8 m/s，非常适合于大规模开发风力发电，在满足风 资源利用率、地理条件、电网约束等条件下，规划风电场时选择合理的风电场功率汇集方式，将会有效降 低网损，带来巨大的经济效益。 张家口地区康保 500kV 站建成后，张北坝上的一部分风电将汇集至康保 500kV 站送出，本文以接至康 保 500kV 康保协合风电场、康保协合徐五林风电场、康保桑德丹青河风电场汇集方式为例，讨论风电场规 划完成后汇集方式不同对网损的影响。上述方案中，风电场 1、风电场 2、风电场 3 分别为康保协合徐五林 风电场、康保协合风电场、以及康保桑德丹青河风电场，风电场功率汇集时不同方式采用的线路型号均为 为 JL/G1A-2×400。分别对方案 1~方案 3 做潮流计算，并统计其结果。计算中以方案 2 为基准方案，l21、l22、 l23 的长度分别为 42km、21km、161km，计算得知方案 2 的网损为 2.079MW；方案 1 中，l12、l13 长度分别为 21km、161km，l11 长度变化时网损的变化情况如表 1 所示；方案 3 中，l31、l32 长度分别为 42km、21km， l33 长度变化时网损的变化情况如表 2 所示。 表 1 五林风场-康保线路长度与网损之间的关系 l11 (km)
21
63
105
147
189
网损(MW)
1.887
2.269
2.644
3.009
3.368
表 2 丹青风场-协合风场之间线路长度与网损之间的关系 l33(km)
21
63
105
147
189
网损(MW)
0.777
1.159
1.533
1.899
2.258
从表 1 可以看出，当五林风场到康保之间的接入线路长 105km 时，方案 1 与方案 2 网损刚好相等，随 着该线路长度的增加，方案 1 的网损增大，反之，则方案 1 的网损减小，验证了前面的分析结论。同样，表 2 结果表明，当丹青和风场到协合风电场距离为 56km 时，方案 3 的网损和方案 2 相同，此时：l33+5l32=l23, 随着 l33 增加，网损增加，反之减小，由此亦验证了前述分析结果。 根据前面的理论分析和算例验证，说明了风电场就近接入汇集点时，网损最小，如果不能就近接入， - 53 http://www.ivypub.org/des
则应该选择电气距离最近的并网点接入方式。
4
结语 本文基于考虑网损最优的风电场功率汇集方式的理论分析，讨论冀北张家口接入康保 500kV 站的康保
协合风电场、康保协合徐五林风电场、康保桑德丹青河风电场汇集方式为例，论证了风电场功率汇集方式 对电网损耗的影响，研究以网损最优为目的的风电场功率汇集方式。
REFERENCES [1]
Lian Yin, Wenzhou Liu. “Wind Power Generation”.Beijing: Chinese Power Pres,2002: 29-54.[尹炼, 刘文洲. 风力发电[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002: 29-54.]
[2]
Huizhu Dai, Mozi Chen, Wensheng Wang etc. “The current situation of the development of China wind power and related technical service”. Chinese Power Pres, 2005, 38(1): 80-84. [戴慧珠, 陈默子, 王伟胜, 等. 中国风电发展现状及有关技术服务 [J]. 中国电力, 2005, 38(1): 80-84]
[3]
Bingsen Chen, Huali Hu.” China's wind power development situation and Prospects”. Grid technology: 2008, 32(S2): 279-282. [陈炳森, 胡华丽. 我国风电发展概况及展望[J]. 电网技术, 2008, 32(S2): 279-282]
[4]
Yongning Chi, Yanhua Liu, Weisheng Wang, etc.” Impact of wind power integration on power system” Grid technology: 2007, 31(3): 81-85. [迟永宁, 刘燕华, 王伟胜, 等. 风电接入对电力系统的影响[J]. 电网技术, 2007, 31(3): 81-85]
[5]
Wenqi Xing, Qin Chao.” Simulation study of wind power grid containing different wind turbines”. Grid technology: 2009, 33(7): 103-106. [邢文琦, 晁勤. 含不同风电机组的风电电网仿真研究[J]. 电网技术, 2009, 33(7): 103-106]
[6]
Youqing Tu.” Research of distribution network with distributed generation”. Hunan University: 2008: 29-32. [涂有庆. 分布式发 电的配电网网损研究[D]. 湖南大学, 2008: 29-32]
[7]
Yingtao Mo. ” Distributed generation and its impact on system planning”. Zhejiang University, 2006. [莫颖涛. 分布式发电及其 对系统规划的影响[D]. 浙江大学, 2006]
【作者简介】 苗友忠（1976-），男，汉，高级工程师学位，主要研究方向：电力系统规划，电力系统运行，电力系统 分析与控制，现供职于国网冀北电力有限公司经济技术研究院。
- 54 http://www.ivypub.org/des