CN104281737B - 一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，包括：评估海上风电场集电系统的建设成本；评估海上风电场的可靠性损失；评估海上风电场集电系统的经济成本；对海上风电场集电系统拓扑进行初步选型，获得最优拓扑集合；对海上风电场集电系统最优拓扑集合进行电气模块化建模仿真，在此基础上评估拓扑结构的送电量损失；评估海上风电场集电系统最优拓扑集合的综合成本；对海上风电场集电系统最优拓扑结构集合进行选型，选取最优海上风电场集电系统拓扑。本发明简单实用，将海上风电场拓扑结构选型中需要考虑的诸多因素统一归纳为成本，解决了量纲不一致的问题，使得结果更加简洁，有助于海上风电场集电系统拓扑结构的快速选型。

Description

一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法

技术领域

本发明属于海上风力发电技术领域，尤其是一种海上风电场集电系统拓扑结构设计选型方法。

背景技术

近年来，海上风力发电得到了越来越多的关注，根据《新兴能源产业发展规划》，我国初步规划到2020年全国风电规划装机1.5亿千瓦，其中海上风电3000万千瓦，随着相关鼓励政策的提出和技术瓶颈的突破，海上风电发电将成为我国一个极具前景的行业。

海上风电场内部集电系统的主要功能是汇集电能，是海上风电场的重要组成部分，随着海上风电场的大型化，集电系统的拓扑结构将越来越复杂和重要，目前，海上风电场集电系统的建设成本已经占了整个海上风电场建设成本的15％～30％，对海上风电场集电系统的研究已经成为当前海上风电领域一个重要的课题。随着海上风电场越来越大型化，风电场内部的风机数目越来越多。此时海上风电场集电系统的拓扑结构也越来复杂，而不同的集电系统结构对整个海上风电场的电气和经济性能影响不一，已经成为相关风电场设计人员不得不考虑的问题。

经对现有技术文献的检索发现，海上风电场内部电气接线系统的研究(靳静，艾芊，奚玲玲，张欣.海上风电场内部电气接线系统的研究[J].华东电力，2007,35(10):20-23)讨论了东海大桥海上风电场内部接线系统的不同设计方案，分析了单风速下变电站母线电压、输电功率因数和有功损耗等指标，但未考虑相关电气性能指标在切入风速至额定风速过程中的变化情况，也未进一步讨论不同拓扑下的经济性能优劣。考虑电缆故障时海上风电场电气系统开关配置方案的经济性比较与分析(王建东，李国杰.考虑电缆故障时海上风电场电气系统开关配置方案的经济性比较与分析[J].电网技术，2010,34(2):125-128)对几种集电系统拓扑进行了经济性能分析，但并未考虑其电气性能指标成本带来的影响。海上风电场电气系统布局经济性对比([11]王建东，李国杰.海上风电场内部电气系统布局经济性对比[J].电力系统自动化，2009,33(11):99-103.)对5种不同海上风电场集电系统拓扑的总成本进行了评估，对影响成本的几个重要参数进行了灵敏度分析，但是该作者并未考虑到由于不同拓扑结构带来的海上风电场输电能力的不同导致的输出电能损失。

针对以上不足，本发明综合了集电系统的电气性能和经济性，建立了一种评价海上风电场内部集电系统拓扑结构综合性能指标的方法，对海上风电场集电系统拓扑结构设计进行选型。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，为优化设计海上风电场集电系统拓扑结构，提供一种海上风电场集电系统拓扑结构设计选型方法，具体技术方案如下。

一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其包括如下过程：

基于中压电缆与中压开关设备计算海上风电场集电系统拓扑结构建设成本C_con；

通过判断海上风电场集电系统拓扑结构得到该拓扑下编号为i的单条馈线的正常工作概率q_i，i为整数且编号i从1开始顺次取值，并用P_i表示编号为i的单条馈线的额定功率输出值，计算编号为i的单条馈线的等效输出功率P_iq_i，再计算风电场内n台风机所构成集电系统拓扑的等效输出功率其中k为整数，表示海上风电场集电系统总馈线数，并进一步计算出该拓扑下风电场的等效停运率Q_n，从而得出海上风电场每年损失的发电量EENS，再算出海上风电场在整个生命周期内的可靠性损失成本C_reli；

基于建设成本C_con与可靠性损失成本C_reli相加后得到海上风电场集电系统拓扑结构经济成本C_eco；

将不同海上风电场集电系统拓扑按照上述计算所得的经济成本C_eco从低到高进行排序，选取经济成本最低的四种拓扑作为海上风电场集电系统的最优拓扑集合；

针对海上风电场集电系统的最优拓扑集合，运用Matlab/Simulink工具搭建参与选型的海上风电场集电系统拓扑结构的电气模型，通过仿真获取最优拓扑集合中每种拓扑结构的输电量损失P_lost；

针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将其输电量损失P_lost折算成海上风电场在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost，与集电系统经济成本C_eco进行加权后得到海上风电场集电系统的综合成本C；

针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将不同海上风电场集电系统拓扑按照计算所得的综合成本C从低到高进行排序，确定海上风电场集电系统选型的次序，排序位置越靠前的拓扑综合性能越优；

海上风电场集电系统拓扑结构的选型是建设海上风电场的重要工作之一；在进行海上风电场集电系统拓扑结构选型时，通过上述方法可选出综合成本最低的拓扑结构，对于降低风电场建设成本，提高集电系统综合性能具有重要意义。

进一步的，上述选型方法中，影响海上风电场内部集电系统拓扑结构建设成本：C_con＝(C_ca(A)+C_bca)N_cal_ca+C_cbN_cb

式中C_ca(A)为每千米海底电缆成本，为海底电缆的截面积A的函数；N_ca为海底电缆总根数，C_bca为每千米电缆施工成本，L_ca为每根海底电缆的长度，C_cb为每个开关设备的成本，N_cb为开关设备的数量。

进一步的，上述选型方法中，将海上风电场集电系统拓扑分成五类：链形、树形拓扑、单边环形、双边环形和双边环形；对于单边环形、双边环形、复合环形拓扑三种环形拓扑，由于包含冗余电缆，可靠性较高，其拓扑下编号为i的单条馈线正常工况的概率为q_i＝1；

式中，q_cb为集电系统断路器的故障率，q_Li为海底电缆j的故障率，r_cb为集电系统断路器的年故障次数，T_MTTRcb为集电系统断路器的典型修复时间，r_Lj为海底电缆j的每年故障次数，T_MTTRLj为海底电缆j的典型修复时间,m为编号为i的单条馈线的海底电缆总段数。

进一步的，上述选型方法中，n台风机所构成集电系统拓扑的等效停运率

式中P_i表示编号为i单条馈线的额定功率输出值，P_N是风机的额定功率，k为海上风电场集电系统总馈线数。

进一步的，上述选型方法中，海上风电场每年损失的发电量EENS＝Q_n×8760×nP_N；海上风电场在整个生命周期内的可靠性损失成本为C_reli＝μ×T×EENS，式中μ为海上风电场的上网电价，T表示风电场的生命周期。

进一步的，上述选型方法中，基于Matlab/Simulink工具包的海上风电场集电系统拓扑建模中，根据海上风力发电机组的风速与功率数据样本拟合相应的风速-功率曲线，并在此基础上对风电机组进行等效建模。

进一步的，上述选型方法中，基于Matlab/Simulink工具包的海上风电场集电系统拓扑建模中，风电机组模型排列分布与实际海上风电场相同，仅需根据实际拓扑结构改变其电缆接线方式即可。

进一步的，上述选型方法中，基于Matlab/Simulink工具包的海上风电场集电系统拓扑建模中，所求取的输电量损失P_lost为海上风电机组额定功率输出时升压站接收的实际有功功率与海上风电机组送出有功功率之和之间的差值。

进一步的，上述选型方法中，针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost的计算过程与可靠性损失成本相同，首先将额定功率下的输电量损失P_lost折算为等效停运率Q′_n＝P_lost/nP_N；其次推算出每年损失的发电量EENS′＝Q′_n×8760×nP_N；最后计算海上风电场在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost＝μ×T×EENS′。

进一步的，上述选型方法中，海上风电场集电系统拓扑的综合成本C＝σC_eco+(1-σ)C_lost

式中，σ为海上风电场集电系统经济成本占总成本的比例，变化范围为0～1。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明所提的方法简单实用，将海上风电场拓扑结构选型中需要考虑的诸多因素统一归纳为成本，解决了量纲不一致的问题，使得结果更加简洁，有助于海上风电场集电系统拓扑结构的快速选型；海上风电场集电系统拓扑结构的选型是建设海上风电场的重要工作之一；在进行海上风电场集电系统拓扑结构选型时，通过上述方法可选出综合成本最低的拓扑结构，对于降低风电场建设成本，提高集电系统综合性能具有重要意义。

附图说明

图1是海上风电场集电系统链形拓扑结构图；

图2是海上风电场集电系统树形拓扑结构图；

图3是海上风电场集电系统单边拓扑结构图；

图4是海上风电场集电系统双边拓扑结构图；

图5是海上风电场集电系统复合拓扑结构图；

图6是一种海上风电场集电系统拓扑结构设计选型流程图；

图7是一种海上风电场集电系统拓扑结构设计选型的电气仿真模型。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

以某海上风电场为例对其集电系统拓扑选型步骤进行说明，该海上风电场装机50MW，单台风机容量为2.5MW，内部电气系统电压等级为35kV。风机安装按照5×4排列，即每行5台风机，共4行，同一行相邻风机距离为0.5km,行间距为1km，该工程初步设计的5种具有代表性的集电系统拓扑如图1～图5所示。

图6是一种海上风电场集电系统拓扑结构选型流程图，以下对具体过程进行说明：

(1)基于中压电缆与中压开关设备计算海上风电场集电系统拓扑结构建设成本C_con＝(C_ca(A)+C_bca)N_cal_ca+C_cbN_cb

式中C_ca(A)为每千米海底电缆成本，为海底电缆的截面积A的函数。N_ca为海底电缆总根数，C_bca为每千米电缆施工成本，L_ca为每根海底电缆的长度，C_cb为每个开关设备的成本，N_cb为开关设备的数量。

目前，中压断路器开关柜成本的典型值为30万元/个，各电缆截面对应的造价和施工成本如表1所示。

表1各电缆截面对应造价及施工成本

考虑到每种拓扑结构下潮流的不同，分别对不同拓扑结构进行电缆选型，得到5种集电系统拓扑结构的建设成本C_con如下表2所示：

表25种集电系统拓扑结构的建设成本C_con

式中，q_cb为集电系统断路器的故障率，q_Li为海底电缆j的故障率，r_cb为集电系统断路器的年故障次数，T_MTTRcb为集电系统断路器的典型修复时间，r_Lj为海底电缆j的每年故障次数，T_MTTRLj为海底电缆j的典型修复时间，m为编号为i的单条馈线的海底电缆总段数。

其中，集电系统的主要元件的故障率及维修时间如下表所示：

表3集电系统主要元件的故障率及维修时间

计算n台风机所构成集电系统拓扑的等效停运率Q_n：

得到5种海上风电场集电系统等效停运率如下表所示：

表4 5种集电系统拓扑的等效停运率Q_n

得到海上风电场在整个生命周期内的损失成本C_reli＝μ×T×EENS＝μ×T×Q_n×8760×nP_N，式中μ表示海上风电场的上网电价，取0.8元/kW·h，T为风电场生命周期,一般取20年。则有5种海上风电场集电系统的可靠性损失成本如下表所示：

表5 5种集电系统拓扑的可靠性损失成本C_reli

(3)基于建设成本C_con与损失成本C_reli相加后得到海上风电场集电系统拓扑结构经济成本C_eco。

表6 5种集电系统拓扑的经济成本C_eco

(4)将5种海上风电场集电系统拓扑按照计算所得的经济成本从低到高进行排序，选取一定数量的经济成本最低拓扑作为海上风电场集电系统的最优拓扑集合。

本实例取前4种经济成本最优的拓扑为海上风电场集电系统的最优拓扑集合，为双边环形、复合环形、单边环形和链型拓扑。

(5)针对海上风电场集电系统的最优拓扑集合，运用Matlab/Simulink工具搭建参与选型的海上风电场集电系统拓扑结构的电气模型，通过仿真实验获取最优拓扑集合中每种拓扑结构的输电量损失P_lost，如下表7所示：

表7额定风速下海上风电场集电系统的最优拓扑集合有功损耗(×10²kW)

(6)针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将其输电量损失P_lost折算成海上风电场在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost，其具体步骤如下：

首先将额定功率下的输电量损失P_lost折算为等效停运率Q′_n＝P_lost/nP_N，如下表所示：

表8海上风电场集电系统最优拓扑集合输电量损失折算的等效停运率Q′_n

在此基础上推算出每年损失的发电量EENS′＝Q′_n×8760×nP_N，并进一步计算海上风电场在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost＝μ×T×EENS′，如下表所示：

表9海上风电场集电系统最优拓扑集合输电量损失折算成本C_lost

(7)针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将计算所得的输电量损失成本C_lost与经济成本C_eco进行加权后得到海上风电场集电系统的综合成本C，则有C＝σC_eco+(1-σ)C_lost。

当σ在0～1范围变化时，海上风电场集电系统最优拓扑集合的综合成本C如图7所示：

取典型加权系数为σ＝0.5，有海上风电场集电系统最优拓扑集合的综合成本C如下表所示，则有

表10海上风电场集电系统最优拓扑集合综合成本C

从图7中可以看出，该工程初步设计的5种具有代表性的集电系统拓扑中，双边环形拓扑为最优方案。

Claims (10)

1.一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于，包括如下过程：

基于中压电缆与中压开关设备计算海上风电场集电系统拓扑结构建设成本C_con；

通过判断海上风电场集电系统拓扑结构得到该拓扑下编号为i的单条馈线的正常工作概率q_i，i为整数且编号i从1开始顺次取值，并用P_i表示编号为i的单条馈线的额定功率输出值，计算编号为i的单条馈线的等效输出功率P_iq_i，再计算风电场内n台风机所构成集电系统拓扑的等效输出功率其中k为整数，表示海上风电场集电系统总馈线数，并进一步计算出该拓扑下风电场的等效停运率Q_n，从而得出海上风电场每年损失的发电量EENS，再算出海上风电场在整个生命周期内的可靠性损失成本C_reli；

基于建设成本C_con与可靠性损失成本C_reli相加后得到海上风电场集电系统拓扑结构经济成本C_eco；

将不同海上风电场集电系统拓扑按照上述计算所得的经济成本C_eco从低到高进行排序，选取经济成本最低的四种拓扑作为海上风电场集电系统的最优拓扑集合；

针对海上风电场集电系统的最优拓扑集合，运用Matlab/Simulink工具搭建参与选型的海上风电场集电系统拓扑结构的电气模型，通过仿真获取最优拓扑集合中每种拓扑结构的输电量损失P_lost；

针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将其输电量损失P_lost折算成海上风电场在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost，与集电系统经济成本C_eco进行加权后得到海上风电场集电系统的综合成本C；

针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将不同海上风电场集电系统拓扑按照计算所得的综合成本C从低到高进行排序，确定海上风电场集电系统选型的次序，排序位置越靠前的拓扑综合性能越优；

根据选出的综合成本最低的拓扑结构建设海上风电场，以降低风电场建设成本，提高集电系统综合性能。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于：影响海上风电场内部集电系统拓扑结构建设成本：C_con＝(C_ca(A)+C_bca)N_cal_ca+C_cbN_cb

式中C_ca(A)为每千米海底电缆成本，为海底电缆的截面积A的函数；N_ca为海底电缆总根数，C_bca为每千米电缆施工成本，L_ca为每根海底电缆的长度，C_cb为每个开关设备的成本，N_cb为开关设备的数量。

3.根据权利要求1所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于：将海上风电场集电系统拓扑分成五类：链形、树形拓扑、单边环形、双边环形和双边环形；对于单边环形、双边环形、复合环形拓扑三种环形拓扑，由于包含冗余电缆，可靠性较高，其拓扑下编号为i的单条馈线正常工况的概率为q_i＝1；

对于链形和树形拓扑，其拓扑下编号为i的单条馈线正常工况的概率为

式中，q_cb为集电系统断路器的故障率，q_Lj为海底电缆j的故障率，r_cb为集电系统断路器的年故障次数，T_MTTRcb为集电系统断路器的典型修复时间，r_Lj为海底电缆j的每年故障次数，T_MTTRLj为海底电缆j的典型修复时间,m为编号为i的单条馈线的海底电缆总段数。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于：n台风机所构成集电系统拓扑的等效停运率

式中P_i表示编号为i单条馈线的额定功率输出值，P_N是风机的额定功率，k为海上风电场集电系统总馈线数。

5.根据权利要求4所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于：海上风电场每年损失的发电量EENS＝Q_n×8760×nP_N；海上风电场在整个生命周期内的可靠性损失成本为C_reli＝μ×T×EENS，式中μ为海上风电场的上网电价，T表示风电场的生命周期。

6.根据权利要求1所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于:基于Matlab/Simulink工具包的海上风电场集电系统拓扑建模中，根据海上风力发电机组的风速与功率数据样本拟合相应的风速-功率曲线，并在此基础上对风电机组进行等效建模。

7.根据权利要求1所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于:基于Matlab/Simulink工具包的海上风电场集电系统拓扑建模中，风电机组模型排列分布与实际海上风电场相同，仅需根据实际拓扑结构改变其电缆接线方式即可。

8.根据权利要求1所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于:基于Matlab/Simulink工具包的海上风电场集电系统拓扑建模中，所求取的输电量损失P_lost为海上风电机组额定功率输出时升压站接收的实际有功功率与海上风电机组送出有功功率之和之间的差值。

9.根据权利要求5所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于：针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost的计算过程与可靠性损失成本相同，首先将额定功率下的输电量损失P_lost折算为等效停运率Q′_n＝P_lost/nP_N；其次推算出每年损失的发电量EENS′＝Q′_n×8760×nP_N；最后计算海上风电场在整个生命周期内的输电量损失成本C_lost＝μ×T×EENS′。

10.根据权利要求1所述的一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法，其特征在于：海上风电场集电系统拓扑的综合成本C＝σC_eco+(1-σ)C_lost

式中，σ为海上风电场集电系统经济成本占总成本的比例，变化范围为0～1。