海上风电场集电系统网络拓扑结构优化研究

海上风电场集电系统网络拓扑结构优化研究

0海上风电场集电系统的lcc集电系统是影响海上发电厂整体经济效益和运营的重要系统。未来,随着海上风电场容量增大,离岸距离变远,对海上风电场集电系统进行优化的需求将更为迫切目前,已有很多专家学者对海上风电场集电系统优化作了深入研究。在经济性优化方面,文献从上述文献可见,海上风电场集电系统投资是关乎风电场投资经济性的重要组成部分,集电系统拓扑优化能够较好地节省集电系统的初始投资。但同时,考虑到海上风电场25年的运行寿命及海缆故障修复困难的现状,集电系统的可靠运行也是关系风电场经济效益的重要方面。为了充分体现集电系统的经济性与可靠性,本文从全寿命周期成本(LCC)的角度出发,结合当前海上风电工程常用的两种拓扑形式的结构与运行特点,提出了一种通用性的海上风电场集电系统的LCC计算方法。该方法能够反映放射性网络结构自由多变的特性、满足环形结构运行方式多样的需要,包含海上风电场25年寿命周期中集电系统的初始投资成本、运行成本、维护成本以及停电损失成本等。本文通过一个典型的海上风电场算例,对上述两种拓扑形式的LCC及其构成进行计算与分析,算例结果与灵敏度分析对放射形结构与环形结构的使用条件进行说明,为海上风电场规划提供理论与数据依据。1运行维护成本c从海上风电场集电系统的整个运行年限来看,可将其按时间分为3个阶段,每个阶段的费用构成如表1所示购置阶段产生的费用主要包括海缆的购买与铺设费用以及断路器的购买与安装费,为一次性投资。船只航行、微生物和环境的侵袭,以及运行过程中的老化等原因会造成海缆故障,海缆或断路器故障后,采用事后维修的方式,维修时间包括维修设备所用时间、船只出海航行时间、因天气原因造成的等待时间等。故障维修、停电损失和运行过程中产生的网损共同构成了海上风电场的运行维护成本。海缆导线及断路器由有色金属构成,具有一定的回收价值,但是回收这类设备需要动用船只人力,且设备的回收价值不高,所以此处认为这部分成本相互抵消式中:N为风电场海缆馈线数(即海上风机串或环数);C停电损失C考虑到风电场运行年限较长,资金具有时间价值,除了C式中:C为海上风电场集电系统全寿命周期总成本现值和;I折现率r的计算方法如式(5)所示,r一般取8%。式中:r2不同连接方式的维成本计算方法2.1海缆编码编码放射形连接是集电系统中最为常见的结构,目前世界上大多数海上风电场都采用了这种连接方式。这种连接方式结构简单,投资少,但可靠性较差。放射形连接的初始投资成本、维护成本,以及回收成本如式(1)所示。此节主要分析风电场的运行成本与停电损失成本。放射形连接又可分为两种情况,即有分支结构与无分支结构。无分支放射形连接结构的风机图见附录A图A1。为了方便表达,需对某馈线每段海缆进行编号,编号数字代表该段海缆所带的风机数量。用q编号为m的海缆故障导致m(m≠n,其中n为该馈线所带的总风机数)台风机停运,产生的停电损失功率为式中:Pn(m=n)台风机全部故障的概率为:则这一串风机一年的停电损失期望可以表示为:式中:T为一年8760h;c为海上风电上网价格。海面上风速的波动性会导致风机出力具有不确定性,但由于故障发生时间的随机性,因此可以将风机的出力按年平均出力考虑。电能通过海缆会产生网损,对于某无分支结构的风机串来说,该馈线一年产生的运行网损期望值为:式中:I为均方根电流;R有分支的放射形连接情况较为复杂(见附录A图A2)。算法寻优时,会考虑各种不同的带分支的放射形连接结构,且分支位置不同,数量不同,其故障对该馈线中其他海缆的影响也不同,因此无法用一个统一的数学模型来表示其年网损期望与年停电损失期望。为了能使算法在寻优过程中识别某段海缆所处位置,判断出该海缆故障对其他海缆的影响,从而准确算出这一馈线海缆的年网损望期与年停电损失期望,本文需要对海缆进行编码,编码方式如图1所示。图2为一串复杂的放射形带分支结构的风机,其中黑点表示风机,黑线表示海缆,对其所有海缆进行编码,编码结果如表2所示。编码后,每一段海缆都有独一无二的一个新编码号,新编码号对应的老编码号表示的是该段海缆所带的风机数。新编码号里蕴含了该段海缆的位置以及与其他海缆的关系等信息。这些新编码号所含规律有:①新编码号数字都为1的海缆是主干海缆,有其他数字的都是分支海缆;②新编码号位数可表示该段海缆在馈线中所处的位置;③若某段海缆新编码号u出现m台风机停运的情况可分为两种,可以是某段带m台风机的海缆直接故障,也可以是分支海缆之间,或者分支海缆与主干海缆之间同时发生故障,其所带风机总数恰好为m台。发生这种情况的概率为:式中:k为故障海缆数(故障海缆之间为非从属关系);Q某段海缆故障会对其他海缆产生影响,以图4的风机串为例,当海缆d(新编码号为1111)故障时,它的上一级电缆(新编码号为1,11,111,即a,b,c)所流过的电流会减小7I,此时这些海缆的网损与无故障运行时相比相应减少;另外,海缆d所带的风机以及从属于海缆d的所有海缆(新编码号以1111开头的所有海缆,即e,f,g,m,n,o)都将停止运行,停运损失为7Pt通过此种编码方式,可以使得算法寻优过程中,无论放射形结构如何变化,都能计算出该馈线海缆的年网损期望值与停运损失期望值。2.2资、维护及回收成本环形连接与放射形连接相比,初始投资成本增加,但可靠性更高环形连接的初始投资成本、维护成本,以及回收成本如式(1)所示。虽然环形连接可靠性高,但当若干段海缆或断路器发生故障时,依然会导致部分风机无法运行。环形连接若干海缆发生故障导致m台机组停机的概率为:其中,q环形连接网损可以表示为:式中:CC3计算模拟3.1风机及变电站对福建某海域50台3.6MW的风机,利用本文提出的方法对其中压集电系统拓扑结构进行优化。风机及变电站位置见附录A图A4,风机前后间距在900m左右。中压海缆电压等级为35kV。海缆型号与价格按照设计院所提供的数据,故障次数取为0.05次/(a·km),海缆故障每次修复时间为1000h3.2两种连接方式的成本构成本文采用单亲遗传算法来求解海上风电场集电系统拓扑结构的LCC模型,对放射形与环形网络设计问题分别采用了基于prim算法的最小生成树技术(MST)和多旅行商问题解决思路(MTSP)分别对放射形连接和环形连接进行优化,得到了两者基于LCC的最优拓扑连接见附录A图A5与图A6。两种连接方式随年累计成本曲线如图3所示。从图中可以看出,本案例环形连接的初始投资成本接近放射形连接的2倍,但是因为环形连接的可靠性远高于放射形连接,而且环形连接所用的海缆电阻小,运行过程中的损耗低,因此环形连接的运行维护成本要远低于放射形连接,当运行年数到达16年时,两种连接方式的累计成本持平,当到达该风电场的寿命期限25年时,环形连接的总成本低于放射形连接。因此,对于本案例的海上风电场来说,附录A图A6所示的环形连接方式更加合适,并且随着运行年数的增加,环形连接的优越性会更加明显。图4显示了集电系统两种连接方式的各项成本在LCC中的比重。可以看出,放射形连接的LCC构成与环形连接差异明显。在放射形连接中,由于其可靠性较低,停运损失的占比最高,其次为初始投资和维修费用。环形连接中初始投资占了总成本的一半以上,而高可靠性使得此种连接方式的停运损失很小。此外,环形连接所用海缆的截面大、电阻小,因此运行过程中产生的网损也极小,其占比不足1%。3.3海缆故障对放射形连接的影响海缆故障率和单次维修成本都是导致放射形与环形LCC差异的重要因素,因此,本文通过海缆故障率和单次维修成本分别变化来观察其对两种连接方式LCC的影响,结果如图5和图6所示。从图5可以看出,海缆故障率变化对放射形连接的LCC影响很大,而对环形连接的影响十分小。当海缆故障率降低约15%时,即海缆故障次数降为0.043次/(a·km)或单次海缆维修时间降到850h时,两种连接方式的LCC持平,小于该值时,从全寿命周期的角度看,放射形连接比环形连接更加有优势。从图6可以看出,单次维修费用变化对环形连接的影响大于放射形连接。当单次维修用增加约18%,即达到236万元/次时,两者的LCC持平,超过该值时,从全寿命周期的角度看,则更适合使用放射形连接。4风电场及其基础设施本文针对放射形和环形两种海上风电场中压集电系统拓扑结构,建立了其全寿命周期的总成本模型,并构建了放射形连接拓扑结构复杂多变和环形结构运行方式多样条件下的集电系统运行成本与维护成本计算方法。通过分析一个典型的近海带海上变电站的风电场,可得出以下结论。1)在现有海上电气设备成本条件下,环形结构在风电场运行约16年之后相比放射形结构更加有优势。2)当海缆故障率超过0.043次/(a·km),或单次维修时间超过850h,或维修费