CN108108871A - 风电场群输电设备的选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电场群输电设备的选型方法，所述方法包括：获取最近M年风电出力的分布模型；根据最近M年最近M年风电出力的分布模型，计算风电场群输电设备的高风速截尾风险；获取基于高风速截尾风险和输变电损耗的风电场群输电设备的评价指标，根据评价指标选择风电场群输电设备。该方法能够提高风电场群的经济性。

Description

风电场群输电设备的选型方法

技术领域

本发明属于电力系统规划技术领域，尤其涉及一种风电场群输电设备的 选型方法。

背景技术

大规模风电集群是风电发展的未来趋势，而大规模风电集群可以分为集电 系统、输电系统两部分。输电系统的关键设备主要包括输电高压电缆和升压站 的变压器，关键设备选型是风电集群输电系统规划的重要组成部分，输电系统 成本占到总成本的16％以上，影响到整个输电系统的经济性，为了解决目前存 在的风电场资产利用率较低的问题，可以从输电设备的选型入手。

目前，在风电场输电系统的规划过程中，其升压站的容量一般选为整个风 电场所有机组额定出力的总和，而送出的高压电缆的选型，也是依据整个风电 场的总额定出力计算出额定出力对应需要的载流量，进而选择满足要求且成本 最低的高压电缆。但是，风电场的出力不仅与装机容量有关，也与风电场位置 的风资源情况有关，风电场的出力往往无法达到其额定容量。而对于风电集群 而言，多个风电场之间也会存在空间上的容量平滑效应。

因此，采用风电场的额定容量作为高压电缆选型和升压站变压器容量选择 的依据是不合理的，影响了整个输电系统的经济性。

发明内容

综上所述，确有必要提出一种风电场群输电设备的选型方法，以提高输电 系统的经济性。

一种风电场群输电设备的选型方法，其中，所述方法包括：

获取最近M年风电出力的分布模型；

根据最近M年风电出力的分布模型，计算风电场群输电设备的高风速截尾 风险；

获取基于高风速截尾风险和全寿命周期损耗的风电场群输电设备的评价指 标，根据评价指标选择风电场群输电设备。

在其中一个实施例中，所述获取最近M年风电出力的分布模型的步骤包括：

获取最近M年风电出力历史数据；

根据风电出力历史数据建立最近M年风电出力的分布模型。

在其中一个实施例中，所述根据最近M年风电出力的分布模型，计算风电 场群输电设备的高风速截尾风险包括：

根据风电出力分布模型，计算风电场群出力累计概率η的分位点：

y_R(η)＝min(y:P(Y＞y_R)＜1-η)，

其中，风电出力的随机变量为Y，其取值为y，y_R为风电处理累计概率η 的分位点出力值；

利用所述风电出力累计概率η的分位点，计算高风速截尾风险；

计算风速截尾风险对应的高风速截尾风险成本。

在其中一个实施例中，所述风电场群输电设备的高风速截尾风险通过以下 公式计算：

其中，Δt为风电场出力分布统计的时间间隔。

在其中一个实施例中，所述高风速截尾风险成本的计算方法为：

其中，N为风电场生命周期，r为贴现率，P_e为风电电价，C_R,η为折算为现 值的高风速截尾风险成本，t为时间变量，N为风电场生命周期，所述高风速截 尾风险成本作为定量衡量选型的容量限制导致的运行风险的指标。

在其中一个实施例中，所述建立风电场群输电系统输电设备的选型模型的 步骤包括：

获取目标函数，该目标函数为综合考虑设备成本、高风速截尾风险、全寿 命周期电缆损耗和变压器损耗的设备选型评价指标TC。

在其中一个实施例中，所述设备选型评价指标TC通过以下方式获取：

TC＝C_invest+C_R,η+C_loss,tr+C_loss,l；

其中，C_invest表示设备的初始投资成本，C_loss,tr为全寿命周期变压器损耗成本，C_loss,l为全寿命周期电缆损耗成本。

在其中一个实施例中，所述全寿命周期电缆损耗成本C_loss,l通过如下方式获 取：

其中，τ_i为等效满负荷利用小时数，通过出力累计曲线获取；c代表上网电 价；R_i为电缆的单位长度电阻值；L_i为电缆的长度；I_i,r为电缆i所连风电场额定 出力下的电流值。

本发明提供的风电场群输电关键设备选型优化方法，通过引入高风速截尾 风险，对于风电输电系统的电缆和变压器选型经济性风险进行了定量评价，形 成了选型的综合评价指标，能够提高风电场群的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种风电场群输电设备的选型方法的流程图。

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。

请一并参阅图1，本实施例提供一种风电场群输电设备的选型方法，包括如 下步骤：

步骤S10，获取最近M年风电出力的分布模型；

步骤S20，根据最近M年风电出力的分布模型，计算风电场群输电设备的 高风速截尾风险；

步骤S30，获取基于高风速截尾风险和全寿命周期损耗的的风电场群输电设 备的评价指标，根据评价指标选择风电场群输电设备。

上述实施例提供的风电场群输电关键设备的选型方法，通过引入高风速截 尾风险，对于风电输电设备的经济性风险进行了定量评价，能够提高风电场群 的经济性，提高风电场资产利用率。

在其中一个实施例中，步骤S10中获取最近M年风电出力的分布模型的步 骤包括：

步骤S11，获取最近M年风电出力历史数据；M可大于等于2。

步骤S12，根据风电出力历史数据建立最近M年风电出力的分布模型。

通过获取风电出力历史数据，建立的最近M年风电出力的分布模型，使后 续能够更加准确的对高风速截尾风险进行计算。

在其中一个实施例中，步骤S20中根据最近M年风电出力的分布模型，计 算风电场群输电设备的高风速截尾风险，还包括：

步骤S21，利用风电出力分布模型，计算风电场群出力累计概率η的分位点。

设风电出力的随机变量为Y，其取值为y，Δt为风电场出力分布统计的时间 间隔，计算风电出力累计概率η的分位点y_R(η)如下式：

y_R(η)＝min(y:P(Y＞y_R)＜1-η) (1)

其中，y_R为风电处理累计概率η的分位点出力值。

步骤S22，利用风电出力累计概率分位点，计算高风速截尾风险。

以风电场群的出力分位点作为选型依据时，有可能存在很少的高风速情况 下，风电场群出力大于输电设备容量的情况，导致超过设备容量部分的电能无 法送出，从而造成电量的损失，影响风电运行的经济性。但事实上，由于全场 高风速出现的概率较小，类比于统计分析中的截尾，因此将这部分电量损失的 风险定义为高风速截尾风险。高风速截尾风险的计算方法如下式：

其中，f为风电出力分布的概率密度函数。

步骤S23，计算风速截尾风险对应的高风速截尾风险成本。

而高风速截尾风险成本的计算如下式所示：

其中，N为风电场生命周期，r为贴现率，P_e为风电电价，C_R,η为折算为现 值的高风速截尾风险成本，t为时间变量，N为风电场生命周期。该风险成本可 以作为定量衡量选型的容量限制导致的运行风险的指标。

在步骤S30中，获取基于全寿命周期的高风速截尾风险的风电场群输电设 备的评价指标，根据评价指标选择风电场群输电设备的步骤包括：

步骤S31中，获取风电场群输电设备的相关参数。

输电设备的相关参数包括电缆和变电站的相关参数，主要包括：各型号变 压器价格和容量、升压站平台成本、各型号电缆价格、电阻和电抗，风电场离 岸距离、输电系统电压等级、风电场厂用电比例、功率因数。电缆可包括海缆 等。

步骤S32，利用风电场群输电设备的相关参数，建立风电场群输电系统输电 设备的选型模型。

具体的，在步骤S32中，建立风电场群输电系统输电设备的选型模型包括：

步骤S321，获取目标函数，该目标函数为综合考虑设备成本和高风速截尾 风险的设备选型评价指标TC，计算方法如下式：

TC＝C_invest+C_R,η+C_loss,tr+C_loss,l (4)

其中，C_R,η的计算方法S23中给出，C_invest表示设备的初始投资成本，计算方 法如下：

其中，C_line是电缆的总成本(万元)，包括电缆成本和安装成本。C_tran是变 电站成本，包括变压器成本和升压站平台成本，L_line,i是电缆i的长度，UC_line,i,s是电缆i选型s的单位长度的价格，UC_tran,j,f是变电站j选择型号f的变压器单价， UC_build,j是升压站j的平台单位容量成本，S_tran,j是升压站j的容量。

另外，C_loss,tr为全寿命周期变压器损耗成本，C_loss,l为全寿命周期电缆损耗成 本，折算为现值的全寿命周期电缆损耗成本C_loss,l的计算方法如所示：

其中，τ_i为等效满负荷利用小时数，可以通过调整后的出力累计曲线计算； c代表上网电价；R_i为电缆的单位长度电阻值；L_i为电缆的长度；I_i,r为电缆i所连 风电场额定出力下的电流值；如i为电缆编号。

τ的计算方法如所示，为考虑电缆和变压器选型的容量约束后的t时段电缆 i能够送出的出力，这个值是t时段电缆i所连风电场群无约束出力P_t,i、风电场升 压站容量2P_tr,i和送出电缆容量P_line,i的最小值，T为全年小时数，P_r,i为电缆i所连 风电场群额定出力(装机容量)。

而对单个变压器而言，其年损耗电量W_tr的计算公式如所示：

W_tr＝P_0,trN+P_r,tr(S_js/S_r)²τ (4-4)

其中，P_0,tr为变压器空载损耗，P_r,tr为变压器负载损耗，这两个值可以在国 家标准GB/T 6451-2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》中查得。N为全 年小时数，τ为年变压器等效损耗小时数，计算方法与式(4-2)相同。S_js是变压 器所连接风电场的装机容量，S_r为变压器容量。

所以折算为现值的全寿命周期升压站损耗成本C_loss,tr计算公式如所示，W_tr,j是升压站j的单变压器年损耗电量：

在得到高压输电电缆和变压器损耗的全寿命周期成本之后，就可以计算全寿 命周期输电系统总成本C_T，包括初始设备投资成本C_invest、高风速截尾风险成本 C_R,η、变压器损耗成本C_loss,tr和输电高压电缆损耗成本C_loss,l。

步骤S322，根据目标函数建立风电场群输电系统输电设备的选型模型。

在所述设备选型的评价指标中引入约束条件，所述约束条件包括电缆载流量 约束、电缆电压降约束、变压器容量约束，建立风电场群输电系统输电设备的选 型模型。表达式如下：

y_R,i(η)是电缆i上承载的出力的累计概率η分位点的取值，N_L是电缆的集合， S是电缆型号的集合，s是所选的电缆型号，I_i,s是电缆i采用型号s的电缆时载流 量的上限，ΔU_i是电缆i上的电压降，r_s和x_s分别是型号s的电缆单位长度的电 阻和电抗，S_tr,j是升压站j采用型号为tr的变压器的容量上限，T是变压器的型号 集合，K_P为厂用电率，tr为变压器型号，为功率因数。

步骤S33，求解风电场群输电系统输电设备的选型模型，得到所需的输电设 备。

具体的，优化模型的目标函数和约束条件都存在非线性的因素，因此该模型 是非线性优化模型，无法直接采用现有的优化方法求解，需要转化为等价的线性 混合整数规划问题。模型的目标函数和约束条件的转化方法如下：

步骤S331，将风电场群的出力累计分布曲线转化为离散的概率取值，以将 原积分部分转化为代数求和。

目标函数的非线性源于高风速截尾风险的计算，积分的非线性可以通过离散 化的方法解决，由于风电场群的出力累计分布曲线已知，可以将其转化为离散的 概率取值，进而将原积分部分转化为代数求和，实现线性化。

具体表达如下式所示：

步骤S332，通过添加0-1变量的方式线性化表示约束条件中的电缆和变压器 的选型，获取高风速截尾风险。

若电缆型号集合S和变压器型号集合T中分别有N_S和N_T个元素，则建立0-1 变量U_S,ki和U_T,lj，电缆i选择k型号的电缆时U_S,ki＝1，否则U_S,ki＝0；变压器j选 择l型号的电缆时U_T,lj＝1，否则U_T,lj＝0。满足的约束为：

上式保证了对于每个电缆和变压器只能选择一种型号，同时线性表出了选型 对应的电缆载流量和变压器容量的上限。

上述实施例提供的风电场群输电关键设备选型优化方法，通过引入高风速截 尾风险，对于风电输电系统的电缆和变压器选型经济性风险进行了定量评价，形 成了选型的综合评价指标，能够提高风电场群的经济性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。

Claims (8)

1.一种风电场群输电设备的选型方法，其特征在于，所述方法包括：

获取最近M年风电出力的分布模型；

根据最近M年风电出力的分布模型，计算风电场群输电设备的高风速截尾风险；

获取基于高风速截尾风险和全寿命周期损耗的风电场群输电设备的评价指标，根据评价指标选择风电场群输电设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取最近M年风电出力的分布模型的步骤包括：

获取最近M年风电出力历史数据；

根据风电出力历史数据建立最近M年风电出力的分布模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据最近M年风电出力的分布模型，计算风电场群输电设备的高风速截尾风险包括：

根据风电出力分布模型，计算风电场群出力累计概率η的分位点：

y_R(η)＝min(y:P(Y＞y_R)＜1-η)，

其中，风电出力的随机变量为Y，其取值为y，y_R为风电处理累计概率η的分位点出力值；

利用所述风电出力累计概率η的分位点，计算高风速截尾风险；

计算风速截尾风险对应的高风速截尾风险成本。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述风电场群输电设备的高风速截尾风险通过以下公式计算：

<mrow> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <munder> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mi>y</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>R</mi> </msub> </mrow> </munder> <mi>y</mi> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> <mi>d</mi> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>;</mo> </mrow>

其中，Δt为风电场出力分布统计的时间间隔。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高风速截尾风险成本的计算方法为：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>r</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>t</mi> </msup> <mo>,</mo> </mrow>

其中，N为风电场生命周期，r为贴现率，P_e为风电电价，C_R,η为折算为现值的高风速截尾风险成本，t为时间变量，N为风电场生命周期，所述高风速截尾风险成本作为定量衡量选型的容量限制导致的运行风险的指标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述建立风电场群输电系统输电设备的选型模型的步骤包括：

获取目标函数，该目标函数为综合考虑设备成本、高风速截尾风险、全寿命周期电缆损耗和变压器损耗的设备选型评价指标TC；

根据目标函数建立风电场群输电系统输电设备的选型模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述设备选型评价指标TC通过以下方式获取：

TC＝C_invest+C_R,η+C_loss,tr+C_loss,l；

其中，C_invest表示设备的初始投资成本，C_loss,tr为全寿命周期变压器损耗成本，C_loss,l为全寿命周期电缆损耗成本。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述全寿命周期电缆损耗成本C_loss,l通过如下方式获取：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>r</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>t</mi> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>L</mi> </msub> </munderover> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mn>1000</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>c</mi> <mo>,</mo> </mrow>

其中，τ_i为等效满负荷利用小时数，通过出力累计曲线获取；c代表上网电价；R_i为电缆的单位长度电阻值；L_i为电缆的长度；I_i,r为电缆i所连风电场额定出力下的电流值。