沙戈荒大基地風電項目集電線路選型及優(yōu)化研究

劉二偉 蘇桂曉 賈天翼 闞童利 陸海梅

摘??要：針對沙戈荒大基地風電項目的特殊氣候與地質(zhì)條件，系統(tǒng)進行了集電線路的選型及優(yōu)化研究。首先，對集電線路的回路數(shù)量與路徑進行了分析，根據(jù)負荷需求明確了回路劃分原則；其次，依據(jù)載流量需求確定了導線截面，選定了適宜的桿塔型式與構(gòu)造；再次，分析了地質(zhì)條件，優(yōu)化了基礎型式以降低基礎成本并提升穩(wěn)定性；最后，研究了防風拉線金具的設計與固沙方案的實施。項目預測集電線路優(yōu)化將實現(xiàn)成本節(jié)約并提高運行可靠性，為風電項目提供經(jīng)濟、有效的集電線路設計方案。

關鍵詞：集電線路??優(yōu)化設計??風電項目??沙戈荒

中圖分類號：TM614

Research?on?the?Selection?and?Optimization?of?the?Current?Collection?Lines?for?Wind?Power?Projects?in?the?General?Desert-Gobi-Huangriness?Base

LIU?Erwei??SU?Guixiao??JIA?Tianyi??KAN?Tongli??LU?Haimei

New?Energy?Technology?Development?Company，?China?Huadian?Engineering?Co.，?Ltd.，Beijing，?100160?China

Abstract：?This?paper?conducts?a?systematic?study?of?the?selection?and?optimization?of?current?collection?lines?in?view?of?the?special?climate?and?geological?conditions?of?wind?power?projects?in?the?general?desert-gobi-huangriness?base.?First，?it?analyzes?the?number?and?path?of?circuits?in?the?current?collection?line，?and?clarifies?the??division?principle?of?circuits?based?on?load?demand.?Then，?it?determines?the?cross-section?of?conductors?based?on?the?requirements?of?the?current?carrying?capacity，?and?selects?suitable?the?type?and?structure?of?poles?and?towers.?Again，?it?analyzes?geological?conditions?and?optimizes?foundation?forms?to?reduce?foundation?costs?and?improve?stability.?Finally，?it?studies?the?design?of?windproof?wire?fittings?and?the?implementation?of?sand?fixation?schemes.?The?project?predicts?that?the?optimization?of?current?collection?lines?will?save?costs?and?improve?operational?reliability，?which?provides?an?economical?and?effective?design?solution?of?current?collection?lines?for?wind?power?projects.

Key?Words：?Current?collection?line;?Optimization?design;?Wind?power?project;?Desert，?gobi?and?hungriness

隨著我國“碳達峰，碳中和”目標的提出，可再生能源尤其是風電項目的開發(fā)日益受到重視。沙戈荒地區(qū)因其特殊的氣候與地質(zhì)條件，使得風電項目集電線路面臨著更多挑戰(zhàn)。本研究旨在針對這一問題，提出集電線路選型及優(yōu)化方案，以期降低投資成本和提升系統(tǒng)的運行可靠性。通過對沙戈荒地區(qū)集電線路的專項分析與優(yōu)化設計，本項目將為風電場設計提供具有針對性的參考方案，有望實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下集電線路的經(jīng)濟性與可靠性的雙重提升。

1??項目背景和意義

隨著全球應對氣候變化的緊迫性日益提升，中國提出了2030年前碳達峰和2060年前實現(xiàn)碳中和的宏偉目標。為實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標，大力發(fā)展新能源項目，尤其是在沙漠、戈壁、荒漠等地區(qū)建設大型風電與光伏基地，成為推動國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與優(yōu)化的關鍵措施。沙戈荒地區(qū)由于其獨有的氣候與地質(zhì)條件，對風電項目的集電線路設計與施工提出了更高的要求。傳統(tǒng)的集電線路設計往往無法滿足該地區(qū)特殊環(huán)境下的運行需求，因此，對于大基地風電項目的集電線路進行優(yōu)化選型設計具有重大的實用意義。通過科學的規(guī)劃和先進技術(shù)的應用，不僅能夠有效降低投資成本，提升電能輸送的可靠性，還能在全生命周期內(nèi)顯著降低度電成本，進一步促進新能源的經(jīng)濟效益[1]。

2??風電項目集電線路選型及優(yōu)化方案

2.1??集電線路回路劃分優(yōu)化

2.1.1??回路數(shù)量與路徑分析

在沙戈荒大基地風電項目的集電線路設計中，對回路數(shù)量和路徑的細致規(guī)劃是確保能效和經(jīng)濟效益的關鍵。針對該項目，研究人員采取了一系列的路徑優(yōu)化算法和模擬評估方法，以確定最佳回路數(shù)量。通過系統(tǒng)地分析風電場的地理布局、風機分布及其與變電站的相對位置，結(jié)合電力流的模擬結(jié)果和線損計算，本研究綜合評估了不同回路配置對于整體系統(tǒng)效率的影響。

2.1.2?負荷分析與回路劃分

根據(jù)負荷的時間分布特性和空間分布特性，合理劃分集電線路的回路，確保在最大負荷時段內(nèi)，系統(tǒng)依然可以穩(wěn)定運行，同時也避免了在低負荷時段資源的浪費。針對沙漠環(huán)境下可能出現(xiàn)的突發(fā)性大風導致的負荷波動，本研究還特別考慮了回路設計的冗余和彈性，以保障系統(tǒng)在面對不確定因素時的可靠性。劃分回路時，還特別注意到避免或減少跨越沙丘等難以維護的地段，以降低后期的維護成本和風險。

2.2??導線截面與桿塔型式選型

2.2.1??載流量需求與導線截面確定

為滿足沙戈荒大基地風電項目的電力傳輸需求，準確確定導線的載流量是確保集電線路安全和高效運行的基礎。在這一過程中，首先對風電場的最大發(fā)電能力進行了預測，并以此為基準，計算了集電線路的最大負載需求。其次，考慮到導線在長期運行中的熱穩(wěn)定性和電氣性能，選取了能夠承受預期最高載流量的導線截面。

2.2.2?桿塔型式與構(gòu)造功能性選擇

結(jié)合地區(qū)特定的環(huán)境條件和土壤特性，選擇了最適宜的桿塔型式。在此基礎上，進一步考慮了桿塔設計的成本效益，確保在保障結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)固的同時，也能夠經(jīng)濟合理。針對沙戈荒地區(qū)桿塔基礎可能遇到的沙土流失問題，特別增加了對桿塔基礎的加固設計，以確保長期穩(wěn)定提供支撐功能[2]。

2.3??基礎型式的確定與優(yōu)化

2.3.1?地質(zhì)條件分析與基礎型式選型

針對沙漠地帶常見的松散沙質(zhì)土壤，通過地質(zhì)勘探和土壤承載力測試，評估了地表下不同深度的土壤穩(wěn)定性。基于勘探數(shù)據(jù)，結(jié)合集電線路塔架的荷載特點，選定了能適應軟土層和防止沙土流失的基礎型式。考慮到沙漠地區(qū)地基受力特點，選擇了深基礎或擴大型基礎設計，以確保足夠的承載力和穩(wěn)定性。

2.3.2?基礎成本與穩(wěn)定性能的優(yōu)化

在基礎成本與穩(wěn)定性能的優(yōu)化過程中，綜合考量了材料成本、施工難度以及長期維護費用。通過采用經(jīng)濟效益分析和生命周期成本分析方法，優(yōu)化了基礎設計，確保在不犧牲穩(wěn)定性的前提下最大程度地降低投資和運維成本。應用創(chuàng)新的建筑材料和施工技術(shù)，如使用高性能混凝土和地基加固新技術(shù)，提高了基礎的承載能力和抗風化能力，同時減少了材料的使用量，從而降低了整體成本。

2.4??防風壓沙與固沙技術(shù)

2.4.1??防風拉線金具的設計與選型

本項目中，設計團隊選擇了能夠承受極端風速影響的高強度拉線金具，并對其進行了氣候適應性評估，確保在沙塵暴等惡劣天氣下仍能保持穩(wěn)定。金具的選材也充分考慮了防腐蝕需求，以適應沙漠地區(qū)的高鹽堿環(huán)境。

2.4.2?固沙方案的研究與實施

項目中采取了一系列固沙技術(shù)，如植被恢復、風網(wǎng)設置和地表覆蓋等，來提高地表穩(wěn)定性和防止沙塵暴。植被方案考慮了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，選用了耐旱、耐鹽堿的植物，以減少對本地生態(tài)的干擾[3]。同時，通過設置風網(wǎng)和覆蓋物，減少了風在土壤表面的侵蝕作用。具體如表1所示。

3??項目實施與效果預測

3.1??集電線路設計方案的具體實施步驟

3.1.1??施工圖設計與審核

施工圖的設計是項目實施的藍圖，需綜合考慮地質(zhì)、氣候等因素，以及后期運維的便捷性。在設計階段，專業(yè)團隊會利用最新的工程軟件進行建模，模擬各種環(huán)境下的線路表現(xiàn)，從而優(yōu)化設計。設計完成后，通過內(nèi)外部審核以確保施工圖的科學性和合規(guī)性。

3.1.2??施工方案的制訂與實施

方案會詳述各類資源的配置、施工流程、時間管理以及風險應對策略。在具體實施前，施工團隊會接受相關的技術(shù)和安全培訓，以確保每個成員都能夠了解并遵守施工規(guī)程。實施過程中，項目管理團隊會密切監(jiān)控工程進度和質(zhì)量，及時調(diào)整施工計劃，確保項目在預定的時間內(nèi)完成。

3.2??經(jīng)濟效益分析

3.2.1??成本節(jié)約預測與分析

在沙戈荒大基地風電項目中，成本節(jié)約的預測與分析是項目可持續(xù)性的關鍵。項目團隊將運用先進的成本管理體系，精細跟蹤所有成本點，包括直接和間接成本。動態(tài)監(jiān)控這些成本要素有助于項目團隊及時調(diào)整策略，降低不必要開支。預測成本節(jié)約還需基于對市場動向的深入分析。項目采用的新技術(shù)會進行量化分析，以評估對整體成本的影響。項目團隊將綜合運用精益施工和價值工程原則，探索提高施工效率和降低材料浪費的方法。例如：通過優(yōu)化設計減少施工作業(yè)和采用模塊化施工技術(shù)縮短施工周期[4]。

3.2.2??全生命周期度電成本降低估算

度電成本的降低估算涉及項目從籌備、建設、運營到最后退役的整個周期。在估算過程中，項目團隊會綜合考慮資本投資、運營維護成本、設備更換成本以及項目融資成本等多個方面。首先，沙戈荒大基地風電項目在建設初期就通過采用高效的施工技術(shù)和管理方法，如同步化工程計劃和資源優(yōu)化配置，力求縮短建設時間，降低資本投資成本。

3.3??運行可靠性提升預測

3.3.1??線路運行可靠性的預測模型

建立預測模型對沙戈荒大基地風電項目很關鍵，能預測運維問題，確保項目順利運行。模型考慮多種因素，如歷史氣候、線路材料疲勞特性、運行負荷歷史和預測等。模型利用數(shù)據(jù)分析評估線路在特定條件下的失效概率，并采用統(tǒng)計和機器學習方法預測未來的可靠性表現(xiàn)。模型還會模擬不同維護方案對可靠性的影響，幫助決策者優(yōu)化資源分配和維護計劃。為提高預測準確性，模型會持續(xù)更新最新的運行數(shù)據(jù)和監(jiān)測信息。實現(xiàn)高級預測模型能及時識別風險，實施預防性維護，減少停電時間，提高風電場的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益。

3.3.2?可靠性提升措施的效果評估

為確保沙戈荒大基地風電項目線路運行可靠性，采取多項措施，評估措施效果通過定量和定性分析，量化措施成效，長期跟蹤分析以確定對運行穩(wěn)定性的持續(xù)影響[5]。例如：高材料質(zhì)量或改進設計，監(jiān)控歷史故障數(shù)據(jù)并與改進后性能數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證改進措施有效性。

4??結(jié)語

通過針對沙戈荒大基地風電項目的集電線路選型及優(yōu)化研究，本項目提出了一系列切實可行的設計方案和技術(shù)措施。這些成果不僅預計將實現(xiàn)成本的有效節(jié)約，而且還有望大幅提升風電項目集電線路在極端氣候條件下的運行可靠性。本研究的實施，將為沙漠、戈壁等特殊區(qū)域風電場集電線路的開展提供理論與實踐的支持，從而促進新能源項目在更廣闊區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 張仲香，劉寶鋒，方晨鑫，等.沙戈荒環(huán)境下風電葉片中復合材料耐高溫性能研究[J/OL].復合材料科學與工程：1-5[2023-12-19]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1683.TU.20230718.1004.004.html.

[2] 謝輝，陳眾，古純松，等.基于多重雷擊的風電機組集電線路雷電暫態(tài)過電壓分析[J].電瓷避雷器，2022（4）：43-51.

[3] 辛雙喬.雙饋風電場送出線路與集電線路單相接地故障測距方法研究[D].?天津：天津大學，2022.

[4] 楊樂.論規(guī)模化儲能在風、光發(fā)電項目中的應用[J].中國設備工程，?2021（16）：181-182.

[5] 趙裕童.風電場集電線路及其T接送出線路保護方案研究[D].北京：華北電力大學（北京），2019.