新能源風力發(fā)電項目66kV系統(tǒng)應用前景研究

[摘 要]隨著“3060”碳達峰、碳中和目標的實施，大容量風電基地將不斷出現(xiàn)，未來風電機組單機容量越來越大，集電線路采用66 kV電壓等級，由于其在投資和電能損耗方面的優(yōu)勢，將是風電場發(fā)展的必然趨勢。文章對35 kV與66 kV集電線路的經(jīng)濟性進行分析，以期為相關人員提供參考。

[關鍵詞]碳達峰；碳中和；大型風電基地；集電線路；66 kV

[中圖分類號]TM862 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0066–03

Research on the Application Prospects of 66kV System in New Energy Wind Power Projects

LI Taobo

[Abstract]With the implementation of the \"3060\" carbon peak and carbon neutrality goals， large capacity wind power bases will continue to emerge. In the future， the single unit capacity of wind turbines will become larger， and the collection line will adopt a 66 kV voltage level. Due to its advantages in investment and energy loss， it will be an inevitable trend for the development of wind farms. The article analyzes the economic feasibility of 35 kV and 66 kV collector lines in order to provide reference for relevant personnel.

[Keywords]carbon peak； carbon neutrality； large scale wind power base； collecting line； 66 kV

1 項目研究背景

隨著風機單機容量不斷增大，風電場集電線路電壓選擇很大程度上會影響到風電場的建設運營成本，不同集電線路電壓等級風電場網(wǎng)架結構、損耗、電氣設備配置均不同，風電場建設運營成本存在很大差異。電能在風機箱變升至66 kV，風機內所有配套設備按66 kV電壓等級設計，體積相較于35 kV會發(fā)生變化，機艙或塔筒也可能會相應變化。目前，各主流風機廠商已能夠提供66 kV風機的解決方案，相關設備已通過型式認證，但缺乏實際運行數(shù)據(jù)，可靠性有待驗證。海上升壓平臺內的66 kV設備較成熟，只需相應調整設備電壓等級。

目前，國內陸上風電場向大容量不斷邁進，傳統(tǒng)的35kV集電系統(tǒng)出現(xiàn)了串聯(lián)風機臺數(shù)少、桿塔征地過多、無法長距離輸送等弊端。文章嘗試用66kV電壓等級作為陸上風電場集電系統(tǒng)的主流電壓，驗證其可行性及經(jīng)濟性。

2 研究的意義及必要性

由于風電場的安裝費用昂貴，陸上土地資源稀缺，為了提高經(jīng)濟性，風機的單臺容量隨著技術的進步而不斷增大，導致同樣截面的35 kV線路上可以連接的風機臺數(shù)越來越少。目前國內風電場通用35 kV導線最大截面為300 mm2，常用導線截面為240 mm2。以常用導線為例，考慮其熱極限及同流限制，通常允許傳輸?shù)淖畲蠊β始s為28 MW，1根240 mm2截面的導線最多可以連接6臺4.5 MW的風機。如果單臺風機容量增加至6.5 MW，則1根導線只能連接4臺風機。這樣在未來使用大容量風機的風電場中，會導致35 kV集電系統(tǒng)的導線長度增加，回路數(shù)增加，導線投資、鐵塔重量和相應工程費用增加，施工難度增大。雖然可以通過增加導線的截面積來增加線路串聯(lián)的風機數(shù)量，但這樣會增加運輸及安裝成本。

隨著風電單機容量的不斷增長，以35 kV作為場內集電系統(tǒng)的電壓等級逐漸成為制約集電系統(tǒng)設計的瓶頸。升高集電線路系統(tǒng)電壓等級，以傳輸更大功率是解決這個難題的方法之一。與35 kV集電系統(tǒng)相比，應用于同樣規(guī)模的風電場，66 kV集電系統(tǒng)導線重量減少，相應的投資費用也下降。

3 實際項目中35 kV集電線路和66 kV集電線路對比分析

研究風電場集電線路電壓的經(jīng)濟性優(yōu)選，需要建立考慮時間價值經(jīng)濟性評估模型，模型綜合考慮風電場的年建設和年運行費用，分析風電場裝機規(guī)模、風電場發(fā)電能量密度對集電線路電壓等級優(yōu)選的影響。集電線路電壓等級優(yōu)選流程為：①根據(jù)風電場的規(guī)劃容量和各電壓等級輸電線路經(jīng)濟輸送容量，確定集電線路電壓等級。②根據(jù)經(jīng)濟性評估模型對各電壓等級進行全面評估，最后根據(jù)評估結果得出結論。

3.1 35 kV集電線路和66 kV集電線路對比

以一個23臺8 MW的風電場為例，進行估算及對比，在采用66 kV電壓等級后，集電線路造價無論是線路電氣還是結構，都有一定比例的下降，且由于電壓等級的提升，減少了110 kV升壓站的投資。但因為現(xiàn)在以66 kV為電壓等級的相關變電設備較少，價格較為昂貴。在綜合考慮包括場內線纜、風機設備、升壓平臺設備在內的所有因素后，66 kV方案的工程總造價比35 kV方案造價低，考慮征租地、減少的110 kV線路、升壓站投資后，整個場區(qū)66 kV集電線路造價有顯著優(yōu)勢。35 kV集電線路方案與66 kV集電線路方案如圖1、圖2所示，不同電壓等級集電線路方案對比見表1。

經(jīng)過一系列相關的試驗和對比可得出，在集電線路系統(tǒng)中，傳輸功率相同時35 kV線路中的電流比66 kV大，導致35 kV集電系統(tǒng)的有功損耗比66 kV系統(tǒng)高26%～43%。盡管風電場年運營成本大部分由機組運維成本決定，但是66 kV集電線路方案的系統(tǒng)有功損耗較低。

經(jīng)過計算，66 kV集電線纜比相應的35 kV集電線纜長度可減少30%～35%，線纜成本可降低20%～25%。由于單回66kV線纜上可連接的風電機組數(shù)目較35 kV線纜多，對于相同容量的風電場，66 kV集電系統(tǒng)的回路數(shù)減少，因此與之配套的開關設備數(shù)量相應較少，整個風電場的開關設備的總成本增加有限，從而帶動整個風電場的投資下降。

3.2 66 kV集電線路電纜選型

66 kV電纜生產和標準化已經(jīng)較成熟，一般為單芯電纜，66 kV電纜常見型號及其適用條件見表2。

3.3 66 kV配電裝置

經(jīng)咨詢高壓配電裝置廠家，當前66 kV配電裝置主要用于東北電網(wǎng)部分電站，設備型號均為用110 kV電壓等級配電裝置對應設備及元件代替使用，布局時安全間距按66 kV電壓進行修正，因此選型不存在困難。

在研究中初步整理了66 kV鐵塔的設計模塊和基礎類型，為將來集電線路電壓等級提升做好技術儲備。

經(jīng)咨詢國內主流變壓器廠家，并參加技術交流會，就箱變一次系統(tǒng)設計、基本技術參數(shù)等初步達成一致意見，目前已研發(fā)設計額定容量為8 000 kVA的66 kV油浸式雙分裂箱式變壓器。

具體來看，箱變外形為長9 000 mm×寬3 000 mm×高3200 mm；高壓側采用GIS方案，斷路器、隔離接地開關、互感器等設備采用GIS裝置；低壓側為雙分裂，有效控制短路電流水平，也便于選擇開關設備。高壓配電、低壓配電及變壓器均安裝于箱體內，安裝方便，整體性好，箱體外殼防護等級可達IP54，環(huán)境適應性強，適合作為風電場就地升壓變使用。

市面現(xiàn)有66 kV變壓器為油浸式變壓器，接線端子裸露在外，需要設油池、圍欄、格柵及卵石等，占地面積較大，施工和安裝成本較高，對66 kV集電線路來說技術經(jīng)濟性差，設計中很難選用此型式變壓器作為風電場就地升壓變使用。

因此，66 kV箱變主要面向風電場66 kV集電線路，要求箱變具有類似于箱式成套、集成度高、運維成本低、安全性高、外殼防護性能高等特點。

4 經(jīng)濟效益

隨著陸上風電風機數(shù)量增多，分布越來越稀疏，距離升壓站的距離越來越遠，基礎工程和送出工程等方面的成本將逐漸增大，對運維服務的要求也不斷提高，運維成本將隨之增大。

線路電壓等級高則線路有功損耗小，考慮到風電場的高利用小時數(shù)，對于500 MW的風電場而言，其運行期減小的總損耗較可觀。

根據(jù)估算，綜合考慮包括場內線纜、風機設備、升壓平臺設備在內的所有因素，66 kV方案的工程總造價比35 kV方案低15%左右。一個500 MW的風電場，考慮場內系統(tǒng)投資和電能損耗，66 kV方案比35 kV方案投資成本低3 000多萬元。

由于66 kV機電方案的系統(tǒng)有功損耗較低，所以以大單機容量風電機組組成的風電場，經(jīng)過計算采用66 kV集電系統(tǒng)的年運維成本相比35 kV集電系統(tǒng)低2.7%，度電成本低1.8%。在采用新型節(jié)能導線后，66 kV集電線路的成本優(yōu)勢更加明顯。

5 結束語

文章采用66 kV集電線路具備可實施性，與35 kV電壓等級相比，其可以減少回路數(shù)，節(jié)省投資，減少征地，降低電能損耗。隨著“3060”碳達峰、碳中和目標的實施，大容量風電基地不斷出現(xiàn)，未來的風電機組容量越來越大，場內集電線路采用更高電壓等級在連接風機數(shù)量、電能損耗等方面有更大優(yōu)勢，且經(jīng)濟效益非常顯著。

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