一种基于全寿命周期的海上风电场集电系统成本计算方法与流程

本发明涉及风电场规划领域，尤其是涉及一种基于全寿命周期的海上风电场集电系统成本计算方法。

背景技术：

海上风电具有发电量大，无土地资源限制，噪声小等优势，现已成为新能源领域的热点问题。海上风机矗立在海面上，通过集电系统将风机所发出的电汇集起来，再经过海上升压站将电能输送到电网。集电系统有多种连接方式，其特点各异。最常用的连接方式是放射形连接和环形连接。放射形连接初始投资少但可靠性差；环形连接初始投资多但可靠性好。所以仅从初始投资最优的角度去选择海上风机的拓扑连接结构会与可靠性产生矛盾。

现已有专家学者对海上风电场集电系统做了一定的研究，《大型海上风电场集电系统拓扑结构优化与规划》在基于遗传算法的基础上，用prim算法和多旅行商思想优化了集电系统初始投资最优的拓扑结构，考虑了放射性和环形两种情况，但是并没有定量的分析出具体的最优连接，《大型海上风电场集电系统优化研究》用Dijkstra算法对风机进行拓扑连接，但只考虑了放射性的连接情况，《OuahidDahmani,SalvyBourguet,Mohamed Machmoum》对集电系统拓扑结构的初始投资成本采用了遗传算法结合新的二进制字符串编码方式来进行优化。

以上现有技术都只从初始投资成本最优的角度去优化拓扑结构，而从已有的海上风电场运行情况来看，风电场的停电损失、维修费用都十分可观，因此从全寿命周期的角度，考虑可靠性，从而来优化海上风电场集电系统拓扑结构则更为合适。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于全寿命周期的海上风电场集电系统成本计算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于全寿命周期的海上风电场集电系统成本计算方法，包括以下步骤：

1)建立海上风电场集电系统全寿命周期成本计算模型，该模型为：

P_V.sum＝[(1+r)^t-1]/[r(1+r)^t]

P_V＝1/(1+r)^t

其中，C为海上风电场集电系统全寿命周期总成本现值和，C_o为网损，C_M为维护成本，C_F为停电损失成本，C_I为初始投资成本，C_D为残值回收与处理成本，P_V.sum为年度投资费用的现值和折算系数，P_V为折现系数，r为折现率，t为整个寿命周期，I_imax为，K_i为海缆i长期允许载流量的总修正系数，I_i0为海缆i的长期载流量，S_imin为海缆i的短路热稳定要求的最小截面，I_i∞为海缆i的稳态短路电流，t_i为海缆i的短路时间，C_ir为海缆i的热稳定系数；

2)根据海上风电场集电系统全寿命周期成本计算模型获取海上风电场集电系统全寿命周期总成本最小现值和，并据此获取整个寿命周期内成本最小的集电系统拓扑结构。

所述的初始投资成本C_I的计算公式为：

C_I＝C_cab+C_inst

其中，C_cab为集电系统中电缆的购买费用，C_inst为集电系统中电缆铺设费用。

所述的集电系统拓扑结构包括放射形结构和环形结构，所述的放射形结构包括无分支放射形结构和有分支放射形结构。

所述的无分支放射形结构的网损年期望值C_ow为：

其中，c为海上风电上网价格，T为一年的小时数，I为风机以平均功率运行时的电流值，R_i为编号为i的海缆的电阻，q_i为编号为i的海缆的故障率，m为海上风电场集电系统中停机的机组台数，n为馈线海缆所带的风机总数，(iI)²中的i为第i段海缆所带的风机数。

所述的环形结构的网损年期望值C_oi为：

C_oi＝C′_oi+C″_oi

其中，C′_oi为海上风电场集电系统有机组停运部分的网损期望值，C″_oi为海上风电场集电系统无机组停运部分的网损期望值，m为海上风电场集电系统中停机的机组台数，c为海上风电上网价格，T为一年的小时数，I为风机以平均功率运行时的电流值，n为一个环形结构所含的风机数，q_i为编号为i的海缆的故障率，q_j为编号为j的海缆的故障率，q_h为编号为h的海缆的故障率，R_k为编号为k的海缆的电阻，R_u为编号为u的海缆的电阻，R_i为编号为k的海缆的电阻，q₁为编号为1的海缆的故障率，即与变电站连接的海缆的故障率。

所述的维护成本C_M的计算公式为：

C_M＝kc_m

其中，k为一串海缆一年发生故障的总次数，c_m为单次维修所需的费用

所述的停电损失成本包括无分支放射形结构的停电损失成本、有分支放射形结构的停电损失成本和环形停电损失成本：

所述的环形停电损失成本与无分支放射形结构的停电损失成本期望值C_Fi为：

其中，n为馈线海缆所带的总风机数，c为海上风电上网价格，T为一年的小时数，为风机的平均出力，P_m为海缆发生故障导致m台机组停机的概率。

所述的有分支结构的放射形停电损失成本及网损通过以下步骤获得：

1)根据有分支放射形结构的海缆拓扑连接图中的主干海缆和分支海缆的位置和相互联系对每段海缆进行编码；

2)根据编码判断任意两段海缆是否为从属关系；

3)根据从属关系获取馈线海缆的停电损失成本及网损。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明从全寿命周期的角度，分析了海上风电场整个运行年限的费用构成，对中压集电系统拓扑结构进行优化，比较了环形和放射性两种连接方式，通过算例，可以给出具体的连接方案，以及成本构成，并可比较两种连接方式的随年成本上升曲线。

附图说明

图1为一串放射形无分支连接结构的风机。

图2为一串放射形带分支连接结构的风机。

图3为一簇环形结构的风机。

图4为编码方法流程图。

图5为某海上风电场风机及海上变电站分布。

图6为放射形连接的最优拓扑图。

图7为环形连接的最优拓扑图。

图8为放射形与环形连接的全寿命周期成本随年数增加曲线。

图9为实施例中有分支放射型结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

海上风电场全寿命周期成本主要包括初始投资成本、网损、维护成本、停电损失成本，各个成本的计算方式如下。

(1)初始投资计算：初始投资主要是海缆的购买与铺设费用，即：

C_I＝C_cab+C_inst (1)

其中：C_cab表示的是电缆的购买费用，C_inst表示的电缆铺设费用。

(2)网损计算：放射形和环形的网损都通过通过年期望值表示。

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如图1所示。为了方便表达，需对某馈线每段海缆进行编号，编号数字代表该海缆所带的风机数量。用q_i表示某段海缆的故障率。则对于某无分支结构的风机串来说，该馈线海缆一年产生的运行网损期望值为：

其中：T为一年的小时数，c为海上风电上网价格，I为风机以平均功率运行时的电流大小，R_i为某段海缆的电阻。

对于放射形带分支电缆(如图2所示)的网损需要通过编码与算法相结合来计算，编码将在下面进行介绍。

环形连接(如图3所示)网损可以表示为：

C_oi＝C′_oi+C″_oi (5)

其中：C_oi为一环海缆一年的网损期望，m为停机的机组台数，C_o′_i为有机组停运的部分，C″_oi为无机组停运的部分。对于式4的前两部分，若n为奇数，则将n/2改为(n+1)/2。

(3)维护费用计算：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，海缆故障后，采用事后维修的方式，维修时间包括维修海缆所用时间，船只出海航行时间，因天气原因造成的等待时间等。维修次数与故障次数有关，即：

C_M＝kc_m(6)

其中：K为一串电缆一年发生故障的总次数，c_m为单次维修所需的费用。

(4)停电损失计算：对于放射形无分支结构来说，编号为m的海缆故障导致m台风机停运，产生的停电损失功率为其概率为：

则这一串风机一年的停电损失期望可以表示为：

m为故障海缆编号，n为该馈线海缆所带的总风机数，p为风机的平均出力。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。

放射形带分支结构的停电损失同样需要通过编码与算法相结合来计算。

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：q₀等于0，m为停机的机组台数，n为一个环所带的风机数量。

一个环的海缆一年产生的停机损失期望表达式与放射形连接相同(式8)。

编码方法：

放射形带分支连接结构的情况较为复杂，且连接结构多样，无法用一个统一的式子表示其网损和停电损失成本，所以需要将放射形连接结构中的规律反应到编码上，然后让计算机程序来进行计算，在计算其网损与停电损失时，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它海缆的影响也不同，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。为了识别某段海缆所处位置，判断出该海缆故障对其它海缆的影响，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，需要对海缆进行编码，编码方式如图4所示。编码后，如图9和表1所示，每一段海缆都有独一无二的一个新编号(即表中的编码号)，新编号对应的老编号表示的是该段海缆所带的风机数。新编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。

表1编码后的海缆号和编码号

某段海缆故障会对其它海缆产生影响，以上图的风机串为例，假如当海缆d(编码号为1111)故障时，它的上一级电缆(编码号为1,11,111，即a,b,c)所流过的电流会减小7I(I为风机以平均功率运行时的电流大小)，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(编码号以1111开头的所有海缆，即e,f,g,m,n,o,g)都将停止运行，停电损失为7Pt，t为故障修复时间。这些步骤都通过计算机程序实现。

这些新编号所含规律有：

(1)新编号数字都为1的海缆是主干海缆，有其它数字的都是分支海缆。

(2)新编号位数可表示该段海缆在馈线中所处的位置。

(3)若新编号ui为uj的起始部分，则两段海缆为从属关系，有从属关系的海缆在故障时会相互影响。

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。

因此，海上风电场集电系统的总成本可以表示为：

P_V.sum＝[(1+r)^t-1]/[r(1+r)^t]

P_V＝1/(1+r)^t

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_imax为海缆i流过的最大持续负荷电流，I_i0为其长期载流量，K_i为海缆长期允许载流量的总修正系数；S_imin为海缆i的短路热稳定要求的最小截面，I_i∞为其稳态短路电流，t_i为其短路时间，C_ir为其热稳定系数。P_V.sum为年度投资费用的现值和折算系数，P_V为折现系数，其中r为折现率，t为整个寿命周期，海上风电场一般为20-25年。

对于海上风电场集电系统全寿命周期成本模型将采用单亲遗传算法来求解，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和多旅行商问题解决思路。

本发明提出的全寿命周期各项成本的计算方法，可以有效的计算出海上风电场集电系统的全寿命周期成本，从而解决了仅考虑初始投资与可靠性不能兼得的问题。

对某海域58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。风机及变电站位置如图5所示，*表示的是海上风机，圈为海上变电站的位置，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0.03次/(年·公里)，海缆故障每次修复时间为1000小时。每一次故障维修费用取为100万元，上网价格0.85元/度，风电场使用年限为25年，风机年利用小时数取2470小时，则平均功率为1.02MW。

放射形和环形连接的优化结果分别如图6和图7所示。两种连接方式的随年累计成本上升曲线如图8所示，从图8中可以看出环形连接的初始投资成本要远高于放射形连接，随着运行年数的增加，两者的成本不断缩小，但到了25年运行年限时放射形连接的全寿命周期成本仍要优于环形连接，所以图6的方案更加合适。从两种连接方式的全寿命周期成本构成看，两者差异较为明显，放射形连接的初始投资最高但不足50％，由于其可靠性较差，因此停电损失成本的占比也很高，占了31％，然后是维护成本与网损。环形连接的初始投资占了大半，但由于高可靠性使得其停电损失仅占1％，环形连接所使用的海缆截面积大，电阻小，因此网损也十分的小。

通过该案例可以看出，本专利提出的方法有效可行，可以帮助解决仅考虑初始投资与可靠性不能兼顾的问题，可为今后海上风电场集电系统规划提供参考。