一种海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法与流程

本发明涉及电网配置优化技术领域，尤其是涉及一种海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法。

背景技术：

海上风电具有资源丰富、发电利用小时数相对较高、临近负荷中心等特点，是可再生能源最具规模化发展潜力的领域，近些年得到了快速的发展。海上风电场通常由海上风电机组、海上升压站、陆上集控中心及海底电缆组成，海上风电机组发出的电能由集电海底电缆汇集，经海上升压站升压后通过高压海底电缆经陆上集控中心送往电网。

海上风电场通常建设在离岸10km以外的海域，装机规模在200mw以上。如海上风电场所在海域有需要电力供应的海岛，可将海上风电场的建设与海岛的电力供应统筹考虑，利用海上风电场的海底电缆输电网络将海岛与大陆电网相联，同时配套建设海岛微电网，使得海岛用电更加灵活可靠，并充分利用海岛上丰富的风光资源。

构建海上风电与海岛微电网联合发供电系统，通过制定合理的运行策略实现多种运行方式，满足不同工况下海岛电力供应以及海上风电场的发电运行。海上风电与海岛微电网联合发供电系统由海上风电场和一个或多个海岛微电网组成，电气主接线图见图2。

海上风电场的海上升压站以平台形式建设在海上风电场海域，电压等级为220kv或110kv。海上升压站经2回220kv海底电缆将电能送至陆地，经陆上集控中心后接入电网。海上升压站设两台220kv/35kv的主变压器。220kv侧采用单母线接线，共2回主变进线、2回出线。35kv侧采用单母线分段接线。风电机组经35kv集电海缆汇集后接入35kv母线。

海岛微电网经35kv联岛海缆与海上升压站相联，多个海岛微电网可分别接至2段35kv母线上。每一回联岛海缆可为一个或多个海岛供电。海岛微电网设1台降压变压器，微电网电压等级可根据微电网规模选择为10kv或400v。联岛海缆为一个海岛供电时，35kv侧采用线变组方式；当为多个海岛供电时，35kv侧采用单母线接线，连接的其它海岛微电网经海底电缆接至35kv母线。

海上风电与海岛微电网联合发供电系统可具有多种运行模式：

模式1：海上风电场与海岛微电网分别独立发电。

模式2：海上风电场与海岛微电网相联，由海上风电场向海岛微电网供电。

模式3：海上风电场与海岛微电网相联，由海上风电场向海岛微电网供电，海岛微电网作为海上风电场的可调负荷。

模式4：海上风电场与海岛微电网相联，海上风电场与大电网脱开，海岛微电网作为海上风电场的应急备用电源，由海岛微电网向海上风电场提供应急电源。

现有技术一的方案中，海上风电场和海岛微电网的柴油发电机各自独立设置，海上风电场大孤岛用柴油发电机安装在海上升压站，海岛微电网柴油发电机仅作为微电网孤网运行模式时的主电源。这种方案存在以下缺点：各自配置柴油发电机组，总投资昂贵；海上风电场升压站安装柴油发电机组及配套的油箱设备，占地面积大、增大海上升压站荷载和基础结构费用、需要定期检修维护。

现有技术二的方案中，海上风电场不配置大孤岛用柴油发电机。这种方案存在以下缺点：海上风电场高压送出海底发生故障或台风造成陆上电网架空线路故障时，海上风电场失去与外部大电网联系而形成的孤岛状态。风电机组内事故照明、通风、自动消防、逃生和导航等辅助设备在电网断电一定时间后将失去备用电源供电，风机环境条件劣化，影响机组安全和设备元件使用寿命；风电机组偏航、变桨等大功率电机失去电源，当遭遇台风时，风电机组面临巨大安全风险。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法，以解决上述技术问题，能够统一规划和配置海上风电场和海岛微电网的柴油发电机组，使其满足实现多种运行模式的要求，从而使得海上风电场和海岛微电网的安全性和效益最优。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法，包括：

根据计算得到的应急负荷计算功率对海上风电场应急柴油发电机组进行容量配置；

根据海岛微电网相距海上风电场的距离从海岛微电网的柴油发电机组中选择出大孤岛备用电源和非大孤岛备用电源；

根据预设的大孤岛运行工况的需求容量对所述大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述大孤岛运行工况包括第一工况、第二工况、第三工况和第四工况；

根据预设的非大孤岛运行工况的需求容量对所述非大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述非大孤岛运行工况包括所述第一工况和所述第二工况。

进一步地，所述根据海岛微电网相距海上风电场的距离从海岛微电网的柴油发电机组中选择出大孤岛备用电源和非大孤岛备用电源，具体为：

选择与海上风电场连接于同一母线、且距离海上风电场预设范围内的海岛微电网的柴油发电机组作为该海上风电场的大孤岛备用电源；

选择距离海上风电场超出预设范围的海岛微电网的柴油发电机组作为该海上风电场的非大孤岛备用电源。

进一步地，所述第一工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海岛微电网孤网运行时的供电电源。

进一步地，所述第二工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海岛微电网孤网运行时的黑启动电源。

进一步地，所述第三工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海上风电场大孤岛时的辅助设备供电电源。

进一步地，所述第四工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海上风电场大孤岛时的抗台风应急电源。

进一步地，所述根据预设的大孤岛运行工况的需求容量对所述大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述大孤岛运行工况包括第一工况、第二工况、第三工况和第四工况，具体为：

分别计算所述第一工况、所述第二工况、所述第三工况和所述第四工况的需求容量；

以第一最大需求容量和第二最大需求容量的和作为所述大孤岛备用电源的容量；其中，所述第一最大需求容量为所述第一工况的需求容量和所述第二工况的需求容量中的最大值，所述第二最大需求容量为所述第三工况的需求容量和所述第四工况的需求容量中的最大值。

进一步地，根据预设的非大孤岛运行工况的需求容量对所述非大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述非大孤岛运行工况包括所述第一工况和所述第二工况，具体为：

分别计算所述第一工况和所述第二工况的需求容量；

以第一最大需求容量作为所述非大孤岛备用电源的容量；其中，所述第一最大需求容量为所述第一工况的需求容量和所述第二工况的需求容量中的最大值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法，包括：根据计算得到的应急负荷计算功率对海上风电场应急柴油发电机组进行容量配置；根据海岛微电网相距海上风电场的距离从海岛微电网的柴油发电机组中选择出大孤岛备用电源和非大孤岛备用电源；根据预设的大孤岛运行工况的需求容量对所述大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述大孤岛运行工况包括第一工况、第二工况、第三工况和第四工况；根据预设的非大孤岛运行工况的需求容量对所述非大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述非大孤岛运行工况包括所述第一工况和所述第二工况。本发明通过优化海上风电场和海岛微电网联合发供电系统柴油发电机组配置，使其满足实现多种运行模式的要求，从而使得海上风电场和海岛微电网的安全性和效益最优。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的现有技术的海上风电联合发供电系统电气示意图；

图3是本发明一实施例提供的海上风电场与海岛微电网联合系统的典型结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法的原理示意图；

图5是本发明一实施例提供的海岛微电网柴油发电机组容量计算流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明实施例提供了一种海上风电联合发供电系统的柴油发电机组配置方法，包括步骤：

s1、根据计算得到的应急负荷计算功率对海上风电场应急柴油发电机组进行容量配置；

s2、根据海岛微电网相距海上风电场的距离从海岛微电网的柴油发电机组中选择出大孤岛备用电源和非大孤岛备用电源。

在本发明实施例中，进一步地，步骤s2具体为：

选择与海上风电场连接于同一母线、且距离海上风电场预设范围内的海岛微电网的柴油发电机组作为该海上风电场的大孤岛备用电源；

选择距离海上风电场超出预设范围的海岛微电网的柴油发电机组作为该海上风电场的非大孤岛备用电源。

s3、根据预设的大孤岛运行工况的需求容量对所述大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述大孤岛运行工况包括第一工况、第二工况、第三工况和第四工况。

在本发明实施例中，所述第一工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海岛微电网孤网运行时的供电电源。所述第二工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海岛微电网孤网运行时的黑启动电源。所述第三工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海上风电场大孤岛时的辅助设备供电电源。所述第四工况为海岛微电网的柴油发电机组作为海上风电场大孤岛时的抗台风应急电源。

在本发明实施例中，进一步地，步骤s3具体为：

分别计算所述第一工况、所述第二工况、所述第三工况和所述第四工况的需求容量；

以第一最大需求容量和第二最大需求容量的和作为所述大孤岛备用电源的容量；其中，所述第一最大需求容量为所述第一工况的需求容量和所述第二工况的需求容量中的最大值，所述第二最大需求容量为所述第三工况的需求容量和所述第四工况的需求容量中的最大值。

s4、根据预设的非大孤岛运行工况的需求容量对所述非大孤岛备用电源进行容量配置，其中，所述非大孤岛运行工况包括所述第一工况和所述第二工况。

在本发明实施例中，进一步地，步骤s4具体为：

分别计算所述第一工况和所述第二工况的需求容量；

以第一最大需求容量作为所述非大孤岛备用电源的容量；其中，所述第一最大需求容量为所述第一工况的需求容量和所述第二工况的需求容量中的最大值。

请参见图3-5，基于上述方案，为便于更好的理解本发明实施例，以下为本发明方案的具体步骤流程：

(1)海上风电场升压站柴油发电机组配置和容量选择：

海上风电场升压站配置应急柴油发电机组，保证海上升压站应急供电。应急柴油发电机组接入升压站400v应急段母线。应急柴油发电机容量大于应急负荷计算功率。

pc＝ks1∑ks2ps

其中，pc：海上升压站应急负荷计算功率；ks1：同时系数；ks2：负荷系数；ps：海上升压站应急负荷；sgs：海上升压站柴油发电机组容量；pc：孤网运行时需要供电的海岛负荷计算功率；η：所带负荷的综合效率；柴油发电机额定功率因数。

需要说明的是，海上风电场升压站不配置大孤岛用柴油发电机。

(2)海岛微电网柴油发电机组配置：

海岛微电网建设柴油发电机组。海上风电场与海岛微电网联合系统正常工作状态为联网状态，即海上风电场通过高压海底电缆与陆地大电网相连，海岛微电网通过35kv联岛海缆与海上风电场相连。其运行方式如下：

1、海岛微电网正常运行在并网模式下：柴油发电机不工作；

2、海岛风机和光伏按最大化处理运行，尽可能利用可再生清洁能源；

3、储能系统在海岛风机和光伏功率超过负荷功率时启动，储存多余的风光电能。

海岛微电网1的柴油发电机组g1和海岛微电网3的柴油发电机组g3分别接入微电网10kv或400v系统，通过升压变接入微电网35kv母线，再经35kv联岛海缆与海上风电场升压站35kv系统相连。

海岛微电网2的柴油发电机组g2接入微电网10kv或400v系统，经升压变升压后通过联岛海缆接入上一级微电网1的35kv母线，再通过联岛海缆与海上风电场升压站35kv系统相连。

(3)海岛微电网柴油发电机组容量选择：

本发明综合考虑以下四种工况，提出安装在海岛微电网的柴油发电机组容量计算方法：

a)工况1：作为海岛微电网孤网运行时的供电电源：

在联网海缆线路出现故障或海上风电场停电检修时，海岛微电网需转为孤网运行状态，柴油发电机作为主电源，与海岛风机和光伏系统一同提供为海岛负荷供电。

由于风电和光伏的间歇性和波动性，海岛微电网柴油发电机组容量按大于各自海岛微电网中重要负荷的计算功率。

pc＝kw1∑kw2pw

其中，pc：孤网运行时需要供电的海岛负荷计算功率；kw1：同时系数；kw2：负荷系数；pw：海岛负荷；sga：按工况a计算的柴油发电机组视在功率(视在功率也就是柴油发电机的容量，下同)；pc：孤网运行时需要供电的海岛负荷计算功率；η：所带负荷的综合效率；柴油发电机额定功率因数。

b)工况2：作为海岛微电网孤网运行时的黑启动电源：

海岛微电网失去外部电源后，柴油发电机组作为黑启动电源恢复供电，建立微电网系统的电压和频率。

柴油发电机组容量大于微电网系统的空载损耗，并能承担非黑启动电源启动时产生的短时功率冲击。

sgb≥sloss+∑scj(2)

其中，sgb：按工况b计算的柴油发电机组视在功率；sloss：微电网系统的空载损耗；∑scj：非黑启动电源在启动时产生的短时功率冲击。

c)工况3：作为海上风电场大孤岛时的辅助设备供电电源

在海上风电场脱离陆上大电网停止发电时，连于风电场升压站35kv母线的海岛微电网柴油发电机为同一母线所接的海上风电机组辅助设备(加热除湿、通信、助航、照明等)提供电源。大孤岛用柴油发电机组的容量选择应考虑风电场内所需供电风机的辅助设备总负荷容量并考虑一定的供电同时率。同时柴油发电机组容量还应考虑所连接联岛海缆、集电海缆及各变压器等设备的有功损耗等。

p1js＝∑kip1i(4)

其中，sgc：按工况c计算的柴油发电机组视在功率；k1：同时系数；n：供电风机台数；p1js：单台风机辅助设备计算负荷；ploss：所连接海缆及变压器有功损耗之和；柴油发电机额定功率因数；k1i：风机各类辅助设备换算系数；p1i：风机各类辅助设备有功功率。

该工况下微电网需配置电抗器补偿联岛海缆和所供电风机集电海缆的充电功率。

d)工况4：作为海上风电场大孤岛时的抗台风应急电源

在台风期间海上风电场脱离陆上大电网时，海岛微电网柴油发电机为同一母线所接的海上风电机组提供抗台风(偏航、变桨)应急电源。

其中，sgd：按工况c计算的柴油发电机组视在功率；k2：同时系数；n：供电风机台数；p2js：单台风机抗台风计算负荷；ploss：所连接海缆及变压器有功损耗之和；柴油发电机额定功率因数。

e)容量选择：

1、选择直接接于海上风电场升压站35kv母线，且距离风电场距离较近的海岛微电网为风电场提供大孤岛状态下风机辅助设备电源和抗台风应急电源，柴油发电机配置需同时考虑上述4种工况。如图3中柴油发电机组g1为同一母线上的风机wg1～wgn提供大孤岛电源，g3为另一母线上的风机提供大孤岛电源。柴油发电机组容量取工况1、工况2计算容量的最大值与工况3、工况4计算容量最大值的和。

sg1＝max(sga,sgb)+max(sgc,sgd)(6)

sg1：为风电场提供大孤岛电源的海岛微电网柴油发电机组视在功率。

2、不为风电场提供大孤岛电源的海岛微电网柴油发电机组容量计算只考虑工况1和工况2。如图3中柴油发电机组g2。柴油发电机组容量取工况1、工况2计算容量的最大值。

sg2＝max(sga,sgb)(7)

sg2：不为风电场提供大孤岛电源的海岛微电网柴油发电机组视在功率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)将海上风电场和海岛微电网的柴油发电机组统筹考虑，降低柴油发电机设备投资，实现了经济性最优。

2)由安装在海岛微电网中的柴油发电机组实现海上风电场大孤岛柴油发电机的功能，节省海上升压站空间、降低海上升压站基础结构投资、便于维护检修。

需要说明的是，本发明方案的关键点在于：

1)针对海上风电场和海岛微电网联合发供电系统，统一规划配置海上风电场升压站和海岛微电网柴油发电机组。选择直接接于海上风电场升压站35kv母线，且距离风电场距离较近的海岛微电网柴油发电机组为海上风电场提供大孤岛状态下风机辅助设备电源和抗台风应急电源。海上风电场升压站不设置大孤岛柴油发电机组。

2)考虑4种工况的海岛微电网柴油发电机组容量计算方法。

需要说明的是，对于以上方法或流程实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。