一种风电场增建光伏电站的集电系统网络优化方法与流程

本发明涉及风光互补发电系统集电系统技术领域，是一种风电场增建光伏电站的集电系统网络优化方法。

背景技术：

风能属于低密度能源，大型风电场土地利用率较低，大规模开发占用很大面积的国有荒滩地，随着各地(市)、县新能源规划开发的推进，闲置的可利用荒漠土地骤然减少，可利用土地直接决定了新能源的远期开发容量，所以，在风电场中增建光伏电站也将成为未来开发新能源的发展方向。

相同容量的风电场和光伏电站占用土地面积相差约6～10倍，以50MW容量为例，风电场需要有效面积约为15～20平方公里，而光伏电站需要有效面积约为2～2.5平方公里。所以，在已建风电场中增建光伏发电阵列具有可行性。根据已有风力发电机布置规划光伏阵列可建区域并结合风电场外送容量，一般情况下场区内总的可建光伏阵列区域数目要多于风光互补容量计算后应建单元发电阵列数目，这就导致光伏阵列选址时面临可建光伏区域冗余问题，科学的选择建设区域可以节约电缆的投资成本。我国西北地区风能和太阳能资源都很丰富，在同一块土地上风电和光伏共建开发能够极大提高土地利用率，增加新能源开发容量。

在已建风电场中增建光伏发电阵列的集电系统不同于传统海上风电或光伏电站的集电系统。传统海上风电或光伏电站的发电单元较为集中且各发电单元所占区域不存在冗余。然而，在风电场中增建光伏发电阵列，由于大规模光伏电站一般选择1MW单元光伏阵列作为基本发电单元，从数值上看，增建光伏电站的容量等于增建光伏阵列的个数。所以，其集电系统设计不仅要考虑在冗余的可建光伏区域中选择多少数目的1MW单元光伏阵列的问题，还要考虑如何对风电场内离散的光伏阵列进行网络优化的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种具有科学合理，计算简单，易于实现，应用价值高，效果佳的风电场增建光伏电站的集电系统网络优化方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种风电场增建光伏电站的集电系统网络优化方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)光伏阵列建设区域聚类方法

根据已有风力发电机布置规划光伏阵列建设区域，对光伏阵列建设区域采用聚类算法进行分组，模糊C-均值(FCM)聚类算法通过优化目标函数得到每个样本点对所有类中心的隶属度，从而决定样本点的类属以达到自动对样本数据进行分类的目的，在直角坐标系中设定场区内可建设光伏阵列区域坐标，由进线数目确定可建设区域被分为K类，应用FCM聚类算法实现可建设光伏阵列区域聚类，绘制可建设光伏阵列区域分类图，显示每个聚类区域可建设光伏阵列区域个数；

设每个聚类区域包含可建设光伏阵列区域数目为m，设定判断选择聚类区域条件，

式中：N为各聚类区域最多可建光伏阵列的个数；K为升压站进线数目；S为光伏电站容量；floor(x)是取整函数；mod(x)是取余函数，

通过筛选出满足判断条件的聚类区域，采用FCM聚类算法得到各聚类区域聚类中心的坐标为(x_i,y_i)，升压站坐标(x₀,y₀)，则各聚类中心到升压站距离为式(2)，

式中：l_i为各接入端到升压站距离；i∈[1,K]；

对l_i由小到大进行排序，选取与升压站距离最近的K个聚类区域，选出的聚类区域作为一组基本集合；

当经过FCM聚类算法计算聚类区域内的可建设光伏区域少于设定判断条件数，即λ≤m≤N时，保留该组可建设光伏发电阵列数目；若可建设光伏区域多于设定判断条件数即m＞N时，则对该聚类区域再次进行分类，最终使每个聚类区域可建设光伏区域数目均满足λ≤m≤N，其中λ为聚类区域包含可建设发电区域下限；

①根据公式(1)和公式(2)确定基本集合，判断基本集合聚类区域可建光伏区域数N₁是否等于S。如果N₁＜S，则还需确定S-N₁个区域，设各剩余聚类区域聚类中心坐标为(x_i,y_i)，基本集合聚类区域中心坐标用(x_j,y_j)表示，则各聚类中心到各基本集合中心可用式(3)表示。

式中：l_i,j为各聚类中心到基本集合中心距离；Q为场区聚类区域总数；K为基本集合数目；i∈[1,Q-K],j∈[1,K]。

由式(3)可知，首先选取到基本集合中心距离近的聚类区域进行光伏建设区域选址，则在待选区域中可建设光伏阵列接入端坐标为(x_i,y_i)，该区域距离基本集合中较近的聚类区域坐标为(x₀,y₀)，则各发电单元到聚类中心距离为式(4)，

式中：l_i为各接入端到聚类中心距离；i∈[1,M],M为待选区域内可建设光伏阵列数目，

选择距离最小的接入端并入基本集合聚类区中，然后计算该区域剩余发电阵列的聚类中心，重复上述过程，逐一选取可建设光伏发电区域，直至N₁＝S；

②根据公式(1)和公式(2)确定基本集合，判断基本集合聚类区域可建光伏区域数N₁是否等于S。

如果N₁＞S，则还需去除N₁-S个区域，设各基本集合聚类区域中心坐标为(x_i,y_i)，升压站坐标为(x₀,y₀)，则各基本集合中心到升压站距离为式(5)，

式中：l_i为各基本集合中心到升压站距离；i∈[1,Q]，Q为场区聚类区域总数；

由式(5)可知，首先选取到升压站距离最远的基本集合聚类区域进行去除冗余光伏建设区域，则在待选区域可建设光伏阵列接入端坐标为(x_i,y_i)，该区域聚类中心坐标为(x₀,y₀)，则各发电单元到聚类中心距离为式(6)，

式中：l_i为各接入端到聚类中心距离；i∈[1,M],M为待选区域内可建光伏阵列数目，

在基本集合聚类区中去除最远的一个发电单元区域，然后计算该剩余发电阵列区域的聚类中心，重复上述过程，逐一去除可建设光伏发电区域，直至N₁＝S，

当基本集合聚类区域中可建设光伏阵列数目等于应建设光伏阵列数即N₁＝S时，对基本集合内可建设光伏区域再次聚类进而完成光伏区域的分组；

2)光伏阵列接线选择方法

集电系统接线方式分为放射形接线、星形接线、单边环形接线、双边环形接线或复合环形接线，其中放射形接线和星形接线被归为无备用接线方式，单边环形、双边环形和复合环形可称为有备用接线方式或环形接线方式，常见的接线方式为放射形、单边环形或双边环形。

若接线方式为放射形，则采用Prim算法求解被选出离散的光伏阵列间路径最小的接线方式；若接线方式为单边环形或双边环形，则采用多旅行商问题求解被选出离散的光伏阵列间路径最小的接线方式，在现有典型三类接线方式，通过对集电系统不同接线方式可靠性进行评价，选择满足供电可靠性要求的接线方式，最终确定风电场内离散的光伏阵列间最优接线方式。

本发明的一种风电场增建光伏电站的集电系统网络优化方法具有如下优点：

1.采用FCM聚类算法对离散光伏阵列进行归类筛选，与传统扇面分割法相比降低光伏阵列网络接线总长度；

2.无需对现有风电场进行大规模改造，在充分利用风电场剩余土地的前提下，实现对光伏电站集电系统的设计优化；

3.其科学合理，计算简单，易于实现，应用价值高，效果佳。

附图说明

图1是风电场内可建设光伏区域规划示意图；

图2是光伏阵列聚类情况示意图；

图3是放射形接线方式示意图；

图4是单边环形接线方式示意图；

图5是双边环形接线方式示意图；

图6是采用FCM聚类算法集电系统网络优化示意图；

图7是传统扇面分割法集电系统网络优化示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的一种风电场增建光伏电站的集电系统网络优化方法，包括以下步骤：

1)光伏阵列建设区域聚类方法

根据已有风力发电机布置规划光伏阵列建设区域，对光伏阵列建设区域采用聚类算法进行分组，参照图1。模糊C-均值(FCM)聚类算法通过优化目标函数得到每个样本点对所有类中心的隶属度，从而决定样本点的类属以达到自动对样本数据进行分类的目的，在直角坐标系中设定场区内可建设光伏阵列区域坐标，由进线数目确定可建设区域被分为K类，应用FCM聚类算法实现可建设光伏阵列区域聚类，绘制可建设光伏阵列区域分类图，显示每个聚类区域可建设光伏阵列区域个数，参照图2。

设每个聚类区域包含可建设光伏阵列区域数目为m，设定判断选择聚类区域条件，

式中：N为各聚类区域最多可建光伏阵列的个数；K为升压站进线数目；S为光伏电站容量；floor(x)是取整函数；mod(x)是取余函数，

通过筛选出满足判断条件的聚类区域，采用FCM聚类算法得到各聚类区域聚类中心的坐标为(x_i,y_i)，升压站坐标(x₀,y₀)，则各聚类中心到升压站距离为式(2)，

式中：l_i为各接入端到升压站距离；i∈[1,K]；

对l_i由小到大进行排序，选取与升压站距离最近的K个聚类区域，选出的聚类区域作为一组基本集合；

当经过FCM聚类算法计算聚类区域内的可建设光伏区域少于设定判断条件数，即λ≤m≤N时，保留该组可建设光伏发电阵列数目；若可建设光伏区域多于设定判断条件数即m＞N时，则对该聚类区域再次进行分类，最终使每个聚类区域可建设光伏区域数目均满足λ≤m≤N，其中λ为聚类区域包含可建设发电区域下限；

①根据公式(1)和公式(2)确定基本集合，判断基本集合聚类区域可建光伏区域数N₁是否等于S。如果N₁＜S，则还需确定S-N₁个区域，设各剩余聚类区域聚类中心坐标为(x_i,y_i)，基本集合聚类区域中心坐标用(x_j,y_j)表示，则各聚类中心到各基本集合中心可用式(3)表示。

式中：l_i,j为各聚类中心到基本集合中心距离；Q为场区聚类区域总数；K为基本集合数目；i∈[1,Q-K],j∈[1,K]。

由式(3)可知，首先选取到基本集合中心距离近的聚类区域进行光伏建设区域选址，则在待选区域中可建设光伏阵列接入端坐标为(x_i,y_i)，该区域距离基本集合中较近的聚类区域坐标为(x₀,y₀)，则各发电单元到聚类中心距离为式(4)，

式中：l_i为各接入端到聚类中心距离；i∈[1,M],M为待选区域内可建设光伏阵列数目，

选择距离最小的接入端并入基本集合聚类区中，然后计算该区域剩余发电阵列的聚类中心，重复上述过程，逐一选取可建设光伏发电区域，直至N₁＝S；

②根据公式(1)和公式(2)确定基本集合，判断基本集合聚类区域可建光伏区域数N₁是否等于S。

如果N₁＞S，则还需去除N₁-S个区域，设各基本集合聚类区域中心坐标为(x_i,y_i)，升压站坐标为(x₀,y₀)，则各基本集合中心到升压站距离为式(5)，

式中：l_i为各基本集合中心到升压站距离；i∈[1,Q]，Q为场区聚类区域总数；

由式(5)可知，首先选取到升压站距离最远的基本集合聚类区域进行去除冗余光伏建设区域，则在待选区域可建设光伏阵列接入端坐标为(x_i,y_i)，该区域聚类中心坐标为(x₀,y₀)，则各发电单元到聚类中心距离为式(6)，

式中：l_i为各接入端到聚类中心距离；i∈[1,M],M为待选区域内可建光伏阵列数目，

在基本集合聚类区中去除最远的一个发电单元区域，然后计算该剩余发电阵列区域的聚类中心，重复上述过程，逐一去除可建设光伏发电区域，直至N₁＝S，

当基本集合聚类区域中可建设光伏阵列数目等于应建设光伏阵列数即N₁＝S时，对基本集合内可建设光伏区域再次聚类进而完成光伏区域的分组；

2)光伏阵列接线选择方法

集电系统接线方式分为放射形接线、星形接线、单边环形接线、双边环形接线或复合环形接线，其中放射形接线和星形接线被归为无备用接线方式，单边环形、双边环形和复合环形可称为有备用接线方式或环形接线方式，常见的接线方式为放射形、单边环形或双边环形。放射形见图3所示，单边环形见图4所示，双边环形见图5所示。

参照图1，根据式(1)～式(6)计算并选出满足条件的光伏阵列建设区域。参照图2，采用Prim算法计算被选出离散的光伏阵列放射形接线方式下的最小路径；采用多旅行商问题计算被选出离散的光伏阵列单边环形和双边环形接线方式下的最小路径。在现有典型三类接线方式，通过对集电系统不同接线方式可靠性进行评价，选择满足供电可靠性要求的接线方式。最终确定风电场内离散的光伏阵列间最优接线方式。

表1可靠性计算分析结果

当风电场不存留母线接入端时，需要新建光伏升压站。由35kV光伏母线结果得出单边环形结构相对复杂，设备增多导致平均故障率变高，2.8494>0.6966，但平均停电时间变短，1.48<2.74，而放射形与双边环形指标结果基本相同。由于含有母线接入端与不含有母线接入端相比110kV侧接入设备增多，平均故障率变小，0.2452<0.4704，不过110kV侧母线平均停电时间变短，3.41<5.31，含有母线接入端放射形与原风电场相比平均故障率变大，1.5964>1.146，由于风光互补电站容量增加，但其结构简单，操作快速，35kV风电场母线平均停电时间变短，1.95<2.19，且这种接线方式基本不会对110侧造成影响。

当增建光伏升压站时，若风光互补电站35kV出线侧无负荷，推荐选用放射形接线方式；若风光互补电站35kV侧有负荷，为减少平均停电时间，可采用单边环形。当风电场35kV升压站留有扩建所需接入端，则放射形接线方式最优。对于本发明中实施例，采用放射形接线方式，其结果参照图6。

若采用传统扇面分割法对图1中可建设光伏阵列进行分组，其结果参照图7。

表2FCM算法与扇面分割法对比

与扇面分割法对比，FCM聚类算法能够降低光伏阵列使用电缆总长度，减少电缆设备投资。

从各图表分析结果可以明显看出，本发明对于风电场内增建光伏电站的集电系统接线方式设计，具有实际应用价值。

本发明的实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。