一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种海上风电场集电系统拓扑结构选型方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] -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：
[0008] 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_ ;
[0009] 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％，i为整数且编号i从1开始顺次取值，并用Pi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&，再计算风电场内η台风机所 构成集电系统拓扑的等效输出功率；￡作;，其中k为整数，表示海上风电场集电系统总馈线 ι=\ 数，并进一步计算出该拓扑下风电场的等效停运率Qn，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(；eli ;
[0010] 基于建设成本c_与可靠性损失成本CMli相加后得到海上风电场集电系统拓扑结 构经济成本c e。。；
[0011] 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Ce。。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；
[0012] 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 1()St ;
[0013] 针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将其输电量损失P1()St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 1()St，与集电系统经济成本C；。。进行加权后得到海上 风电场集电系统的综合成本C ;
[0014] 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；
[0015] 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。
[0016] 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： Cc〇n = (Cca(A)+Cbca)Ncalca+C cbNcb
[0017] 式中Cea⑷为每千米海底电缆成本，为海底电缆的截面积A的函数；凡3为海底电 缆总根数，C bM为每千米电缆施工成本，为每根海底电缆的长度，(；b为每个开关设备的成 本，I为开关设备的数量。
[0018] 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1 = 1 ；
[0019] 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
【权利要求】
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_; 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di，i为整数且编号i从1开始顺次取值，并用Pi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&，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， ；=1 并进一步计算出该拓扑下风电场的等效停运率Qn，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CMli ; 基于建设成本C_与可靠性损失成本CMli相加后得到海上风电场集电系统拓扑结构经 济成本C6。。； 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Ce。。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P1()St ; 针对海上风电场集电系统最优拓扑集合，将其输电量损失P1()St折算成海上风电场在整 个生命周期内的输电量损失成本C1()St，与集电系统经济成本C；。。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
式中CM(A)为每千米海底电缆成本，为海底电缆的截面积A的函数；为海底电缆总 根数，Cbc;a为每千米电缆施工成本，为每根海底电缆的长度，(；b为每个开关设备的成本， 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1 = 1 ; 对于链形和树形拓扑，其拓扑下编号为，的单条馈线正常工况的概率为
式中，q%为集电系统断路器的故障率，％i为海底电缆j的故障率，为集电系统断路 器的年故障次数，TMTTKc;b为集电系统断路器的典型修复时间，ru为海底电缆j的每年故障次 数，Tmttku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2
r=i f 式中Pi表示编号为i单条馈线的额定功率输出值，PN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： 海上风电场每年损失的发电量EENS = QnX8760XnPN ;海上风电场在整个生命周期内的可 靠性损失成本为(；eli = ii XTXEENS，式中y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设计选型方法，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 P1()St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： 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C1()St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P1()st折算为等效停运率Q' n 次推算出每年损失的发电量EENS' =Q' nX8760XnPN;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C1()St= yXTXEENS'。
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 = 〇 (；。。+(1-〇 ) C1()St 式中，〇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。
【文档编号】G06F17/50GK104281737SQ201410385121
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】杨苹, 尹旭, 许志荣, 郑群儒, 赵卓立, 揭敢新 申请人:华南理工大学, 中国电器科学研究院有限公司