CN104680243A - 计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，包括根据海上风电场总装机容量，给出汇集变电站主变压器容量选择方案，按裕度从小到大选择三个值，计算出所选各个方案的主变压器投资成本；计算出在整个变压器的经济寿命周期内，将所选方案由于主变压器损耗造成的经济损失，将主变压器损耗造成的经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本；基于海上风资源出力特性，计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失，并根据上网电价转化为收益损失值；将各方案的总成本和收益损失值的和作为各方案的效益的评估标准，对变压器各选型方案进行成本效益分析，得到变压器选型方案。
Description
技术领域
本发明属于海上风电场优化设计技术领域。尤其涉及一种海上风电场主变压器容量优化方法。
背景技术
风力资源逐步成为除水力发电以外最成熟、最现实的一种可再生能源。相对于陆上风电场，海上风力发电的运行环境较为独特。海上风电场具有平均风速高、年利用小时数高、风电机组单机容量更大等优点。但同时海上环境条件更为严酷，海上风电场设备更易受到盐雾、台风、海浪等恶劣自然条件影响，风电机组部件失效加快，机械与电气系统故障率上升，另外，海上的风浪条件极大地限制了海上风电场的可进入性，阻碍运行维护方案的实施，导致机组停运时间延长、机组可利用率下降。海上风电场设备的可靠性极大影响风电场的功率送出和效率，比内陆风电场有更高的可靠性要求，设备冗余度也要求更大。海上风电场汇集变电站主变压器容量优化作为海上风电场设计的一个环节，直接对未来风电场的网络结构、可靠性供电及经济性产生影响。
海上风电场汇集变电站主变压器一般设置为两台，当一台主变压器发生故障时，另一台可发出大部分风力发电机组装机容量。主变压器的容量越大，变压器的转供能力越强，即在一台主变压器发生故障时，另一台能多送出的风力发电量越大，对保障海上风电场的发电效益具有积极的作用，但是变压器容量大意味着高的投资成本和变压器损耗。从可靠性的角度上讲，变压器转供能力与其故障率、评价修复时间等可靠性参数密切相关，所以要结合主变压器的可靠性数据来进行转供能力的分析。因此选择合理的主变压器容量，需要综合考虑可靠性和经济性的平衡优化。目前主变压器容量选择多是根据风电场装机容量留出一定裕量。但对于留出多少裕量，一般为经验决策，对于变压器留出裕量与海上风电场的经济效益之间的关系缺少一定的理论研究。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种合理选择主变压器容量的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法。
一种计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，包括以下步骤：步骤1，根据海上风电场总装机容量，给出汇集变电站主变压器容量选择方案，包括基准方案和一系列留有部分裕量 的方案，按裕度从小到大选择三个值，计算出所选各个方案的主变压器投资成本，记为；步骤2，计算出在整个变压器的经济寿命周期内，将所选方案由于主变压器损耗造成的经济损失，记为，将主变压器损耗造成的经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本，记为；步骤3，基于海上风资源出力特性，并根据风力发电机的风功率曲线和风电场区的风速风能直方图相关数据，计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失，并根据上网电价转化为收益损失值，记为；以及步骤4：将各方案的总成本和收益损失值的和记为，并以此作为各方案的效益的评估标准，对变压器各选型方案进行成本效益分析，得到变压器选型方案。
相对于现有技术，本发明提供的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，结合海上风资源的出力特性，考虑了主变压器容量对海上风电场经济效益的影响，综合考虑了投资、损耗、收益三个方面，提出了一种海上风电场汇集升压站主变容量选择的优化方案，得到了海上风电场汇集变电站可靠性和经济性的最优关系。
附图说明
图1为计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法的流程图。
图2为图1所示方法中海上风电场风力发电机组的功率曲线。
图3为图1所示方法中海上风电场轮毂高度风速、风能频率直方图。
图4为图1所示方法中主变压器选型方案的成本效益分析图。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参阅图1，本发明提供的计及转供能力的海上风电场主变压器容量的优化方法包括如下步骤：
步骤1，根据海上风电场总装机容量，给出汇集变电站主变压器容量选择方案，包括基准方案和一系列留有部分裕量的方案，按裕度从小到大选择三个值，计算出所选各个方案的主变压器投资成本，记为；
步骤2，计算出在整个变压器的经济寿命周期内，将所选方案由于主变压器损耗造成的经济损失，记为，将主变压器损耗造成的经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本，记为；
步骤3，基于海上风资源出力特性，并根据风力发电机的风功率曲线和风电场区的风速风能直方图相关数据，计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失，并根据上网电价转化为收益损失值，记为；以及
步骤4：将各方案的总成本和收益损失值的和记为，并以此作为各方案的效益的评估标准，对变压器各选型方案进行成本效益分析，得到最优的变压器选型方案。
在步骤1中，所述基准方案是指：两台主变压器容量之和等于海上风电场总装机容量。具体的，设风电场装机容量为，当两台主变的容量分别为时，称为主变容量的基准方案。采用基准方案时，当一台主变压器故障时，由于主变压器容量限制，风电场最多只能输送出与一台主变压器容量相等的风电装机容量。
所述一系列留有部分裕量的方案是指：为了提高另一台主变压器的转供能力，在选择主变压器时，选择两台主变压器容量分别为，为所留裕量。采用留有部分裕量的方案时，当一台主变压器故障时，另一台主变压器可以多输出部分装机容量。为一系列不同的值。具体的，在基准方案的基础上，适当增加两台主变压器的容量，使其在满足海上风电场装机容量的基础上留10%或20%等。所述选择三个裕量值主要是用于成本效益有效区间的判断。
所述留有部分裕量的方案与标准方案相比，每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失并根据上网电价转化为收益损失值：对标准方案和各个有裕量的方案。因为每种方案的主变压器装机容量都大于或者等于风电场装机容量，所以在变压器不发生故障时，对于相同的风资源条件，每种方案能送出的风力发电机发电容量是相同的；但是当一台主变压器故障时，每种方案所发出的风力发电机发电容量不再相同。
另外，为了通过成本效益分析曲线得出最优的裕量值，所以需保证最优点是在所计算的系列值之中的，如果整个取值就是在最优点的左半支或者右半支，这样的计算结果无效。因此，步骤1中先选择三个点来做边界点的试算。
在步骤2中，主变压器的损耗与通过主变压器的风电容量有关。因为主变压器损耗造成的经济损失，可视为各方案在变压器经济寿命周期内的运行成本，所以将主变压器损耗造成的经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本，记为。
具体的，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：计算单台主变压器全年电能损耗：
（2）
其中，为单台主变压器空载损耗，为负载损耗，为全年小时数，为年等效损耗时间，可查GB/T 6451-2008《油浸式电力变压器技术参数和要求》得到。为实际通过主变压器的容量，为主变压器的额定容量。
步骤2.2：计算每种方案中实际通过主变压器的容量；
实际通过主变压器的容量可分为两种情况计算：情况一，变压器都不出现故障；情况二，一台变压器出现故障两种情况。
请一并参阅图2及图3，在情况一中，实际通过主变压器的容量可以直接通过风电场区轮毂高度风速风能直方图和单台风力发电机组的风功率曲线得到，两台主变压器中通过的容量相同，分别为：
（3）
其中，是风速对应的概率，是风力发电机组在该风速时能发出的功率，是风力发电机组可以发电的风速区间，是海上风电场的风力发电机组台数。
在情况二中，当一台主变压器出现故障时，只有一台变压器可以输送电量，计算送至主变压器相应容量时单台风力发电机组的发电功率，并根据风力发电机组的风功率曲线得到风力发电机组在此理论发电量时对应的风速。根据风电场区轮毂高度风速风能直方图，计算风电机组发电量，原则如下：风速在以下时，发电量为风力发电机组的风功率曲线上该风速对应的发电量，记为，风速在以上时，由于受主变压器容量限制，单台风力发电机组发电量为。从概率角度分析，求出风电场所有风电机组年理论发电量，即为通过主变压器的容量。
（4）
实际通过主变压器的电量为两种情况所通过容量的依概率求和。
步骤2.3：计算在变压器的经济寿命周期内每种方案中由两台主变压器容量损耗造成的运行成本，并折现。
（5）
其中，为各方案中单台主变压器损耗容量， 为利率，为风电场运行生命周期，为上网电价。
步骤2.4：对每种方案，将经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本，记为。
在步骤3中，通过综合考虑海上风资源出力特性，以及由风力发电机的风功率曲线和风电场区的风速风能直方图及其他相关数据，计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失，并根据上网电价转化为收益损失值，记为。具体的，
步骤3.1：在变压器不发生故障时，计算每种方案能送出的风力发电机发电容量及海上风电场能够获得的收益记为。
在此情况下，对于标准方案和各个有裕量的方案，因为每种方案的主变压器装机容量都大于或者等于风电场装机容量，所以在变压器不发生故障时，对于相同的风资源条件，每种方案能送出的风力发电机发电容量是相同的，这时的发电容量值实际上就是步骤2中通过两台主变压器的电量；变压器不发生故障时海上风电场能够获得的收益记为。
步骤3.2：当一台主变压器故障时，计算每种方案一台主变压器发生故障时另一台主变压器能够发送的电量，将其转化为收益值，记为。
在此情况下，对于标准方案和各个有裕量的方案，当一台主变压器故障时，每种方案所发出的风力发电机发电容量不再相同，综合考虑海上风资源出力特性，由风力发电机的风功率曲线和风电场区的风速风能直方图及其他相关数据，计算每种方案一台主变压器发生故障时另一台主变压器能够发送的电量，计算方法同步骤2.2。将其转化为收益值，记为。
步骤3.3：计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失，并根据上网电价转化为收益损失值，记为。
其中，每种方案中由主变压器故障造成的收益损失值计算公式为：
（6）
在步骤4中，请一并参阅图4，通过将各方案的总成本和收益损失值的和记为，并以此作为各方案的效益的评估标准。对变压器各选型方案进行成本效益分析，得到最优的变压器选型方案。具体的，
步骤4.1：对变压器初始选型方案进行初步判断，如果中间点的不低于两边的点，则证明所选区间是无效区间，需返回步骤1，重新选择三个点进行边界点的试算，直到得到有效区间为止。
步骤4.2：如果中间点的低于两边的点，则证明最优点一定在这个范围内。将由这三个点确定的区间分段，选择步长，按上述步骤逐点计算每个点的总效益值，对这些点的的值做曲线拟合，曲线的最低点对应的裕量值就是最优的变压器选型方案。
所述曲线拟合可以采用最小二乘法。
基本最小二乘法,其统计学原理是：
设物理量与个变量间的依赖关系式为：
,
其中是方程中需要确定的个参数。
最小二乘法就是通过个实验点确定出一组参数值,（其中），使由这组参数得出的函数值：
；
与实验值间的偏差平方和：
，
取得极小值。
对于变压器裕量值选型方案，其成本效益曲线可认为是一条抛物线，所以可以用最小二乘法进行二次曲线拟合，得出曲线的函数表达式后，求出曲线的最低点对应的横坐标，即为变压器的最优选型方案的裕量值。
本发明提供的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，针对目前汇集变电站主变压器的容量选择多为经验决策的现状，结合海上风资源的出力特性，重点分析了海上升压站一台主变压器发生故障时，另一台主变压器的转供能力对海上风电场经济效益的影响，综合考虑了投资、损耗、收益三个方面，提出了一种海上风电场汇集升压站主变压器容量选择的优化方案，以得到海上风电场汇集变电站可靠性和经济性的最优关系。该综合方法具有普遍适用性，能为海上风电场汇集变电站主变压器容量选择提供参考。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，包括以下步骤：
步骤1，根据海上风电场总装机容量，给出汇集变电站主变压器容量选择方案，包括基准方案和一系列留有部分裕量 的方案，按裕度从小到大选择三个值，计算出所选各个方案的主变压器投资成本，记为；
步骤2，计算出在整个变压器的经济寿命周期内，将所选方案由于主变压器损耗造成的经济损失，记为，将主变压器损耗造成的经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本，记为；
步骤3，基于海上风资源出力特性，并根据风力发电机的风功率曲线和风电场区的风速风能直方图相关数据，计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失，并根据上网电价转化为收益损失值，记为；以及
步骤4：将各方案的总成本和收益损失值的和记为，并以此作为各方案的效益的评估标准，对变压器各选型方案进行成本效益分析，得到变压器选型方案。
2.如权利要求1所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，所述基准方案为两台主变压器容量之和等于海上风电场总装机容量，设风电场总装机容量为，两台主变压器的容量分别为。
3.如权利要求1所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，所述一系列留有部分裕量的方案为在选择主变压器时，选择两台主变压器容量分别为，为所留裕量值。
4.如权利要求3所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，两台主变压器的容量在满足海上风电场装机容量的基础上留10%或20%等三个裕量值。
5.如权利要求1所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，主变压器损耗造成的经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本通过以下方式计算：
步骤2.1：计算单台主变压器全年电能损耗：
，
其中，为单台主变压器空载损耗，为负载损耗，为全年小时数，为年等效损耗时间，为实际通过主变压器的容量，为主变压器的额定容量；
步骤2.2：根据风力发电机的风功率曲线和风电场区的风速风能直方图相关数据计算每种方案中实际通过主变压器的容量；
步骤2.3：计算在变压器的经济寿命周期内每种方案中由两台主变压器容量损耗造成的运行成本，并折现：
；
其中，为各方案中单台主变压器损耗容量，为利率，为风电场运行生命周期，为上网电价；
步骤2.4：对每种方案，将经济损失和变压器投资成本之和作为该方案的总成本，记为。
6.如权利要求5所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，实际通过主变压器的容量直接通过风电场区轮毂高度风速风能直方图和单台风力发电机组的风功率曲线得到，两台主变压器中通过的容量相同，分别为：
；
其中，是风速对应的概率，是风力发电机组在该风速时发出的功率，是风力发电机组可发电的风速区间，是海上风电场的风力发电机组台数。
7.如权利要求5所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，实际通过主变压器的容量通过以下方式计算：
计算送至主变压器相应容量时单台风力发电机组的发电功率，并根据风力发电机组的风功率曲线得到风力发电机组在此理论发电量时对应的风速；根据风电场区轮毂高度风速风能直方图，计算风电机组发电量，原则如下：
风速在以下时，发电量为风力发电机组的风功率曲线上该风速对应的发电量，记为，风速在以上时，由于受主变压器容量限制，单台风力发电机组发电量为；从概率角度分析，求出风电场所有风电机组年理论发电量，即为通过主变压器的容量：
。
8.如权利要求1所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，所述收益损失值通过以下步骤获取：
步骤3.1：在变压器不发生故障时，计算每种方案能送出的风力发电机发电容量及海上风电场能够获得的收益记为；
步骤3.2：当一台主变压器故障时，计算每种方案一台主变压器发生故障时另一台主变压器能够发送的电量，将其转化为收益值，记为；
步骤3.3：计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，由一台主变压器故障造成的电量损失，并根据上网电价转化为收益损失值，记为。
9.如权利要求1所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，变压器各选型方案进行成本效益分析包括以下步骤：
步骤4.1：对变压器初始选型方案进行初步判断，如果中间点的不低于两边的点，则所选区间是无效区间，需返回步骤1，重新选择三个点进行边界点的试算，直到得到有效区间为止；
步骤4.2：如果中间点的低于两边的点，则证明最优点在这个范围内，将由这三个点确定的区间分段，选择步长并逐点计算每个点的总效益值，对这些点的的值做曲线拟合，曲线的最低点对应的裕量值为变压器选型方案。
10.如权利要求9所述的计及转供能力的海上风电场主变压器容量优化方法，其特征在于，所述曲线拟合采用最小二乘法。
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