海上風電場集電系統網絡拓撲結構優化研究

0海上風電場集電系統的lcc集電系統是影響海上發電廠整體經濟效益和運營的重要系統。未來,隨著海上風電場容量增大,離岸距離變遠,對海上風電場集電系統進行優化的需求將更為迫切目前,已有很多專家學者對海上風電場集電系統優化作了深入研究。在經濟性優化方面,文獻從上述文獻可見,海上風電場集電系統投資是關乎風電場投資經濟性的重要組成部分,集電系統拓撲優化能夠較好地節省集電系統的初始投資。但同時,考慮到海上風電場25年的運行壽命及海纜故障修復困難的現狀,集電系統的可靠運行也是關系風電場經濟效益的重要方面。為了充分體現集電系統的經濟性與可靠性,本文從全壽命周期成本(LCC)的角度出發,結合當前海上風電工程常用的兩種拓撲形式的結構與運行特點,提出了一種通用性的海上風電場集電系統的LCC計算方法。該方法能夠反映放射性網絡結構自由多變的特性、滿足環形結構運行方式多樣的需要,包含海上風電場25年壽命周期中集電系統的初始投資成本、運行成本、維護成本以及停電損失成本等。本文通過一個典型的海上風電場算例,對上述兩種拓撲形式的LCC及其構成進行計算與分析,算例結果與靈敏度分析對放射形結構與環形結構的使用條件進行說明,為海上風電場規劃提供理論與數據依據。1運行維護成本c從海上風電場集電系統的整個運行年限來看,可將其按時間分為3個階段,每個階段的費用構成如表1所示購置階段產生的費用主要包括海纜的購買與鋪設費用以及斷路器的購買與安裝費,為一次性投資。船只航行、微生物和環境的侵襲,以及運行過程中的老化等原因會造成海纜故障,海纜或斷路器故障后,采用事后維修的方式,維修時間包括維修設備所用時間、船只出海航行時間、因天氣原因造成的等待時間等。故障維修、停電損失和運行過程中產生的網損共同構成了海上風電場的運行維護成本。海纜導線及斷路器由有色金屬構成,具有一定的回收價值,但是回收這類設備需要動用船只人力,且設備的回收價值不高,所以此處認為這部分成本相互抵消式中:N為風電場海纜饋線數(即海上風機串或環數);C停電損失C考慮到風電場運行年限較長,資金具有時間價值,除了C式中:C為海上風電場集電系統全壽命周期總成本現值和;I折現率r的計算方法如式(5)所示,r一般取8%。式中:r2不同連接方式的維成本計算方法2.1海纜編碼編碼放射形連接是集電系統中最為常見的結構,目前世界上大多數海上風電場都采用了這種連接方式。這種連接方式結構簡單,投資少,但可靠性較差。放射形連接的初始投資成本、維護成本,以及回收成本如式(1)所示。此節主要分析風電場的運行成本與停電損失成本。放射形連接又可分為兩種情況,即有分支結構與無分支結構。無分支放射形連接結構的風機圖見附錄A圖A1。為了方便表達,需對某饋線每段海纜進行編號,編號數字代表該段海纜所帶的風機數量。用q編號為m的海纜故障導致m(m≠n,其中n為該饋線所帶的總風機數)臺風機停運,產生的停電損失功率為式中:Pn(m=n)臺風機全部故障的概率為:則這一串風機一年的停電損失期望可以表示為:式中:T為一年8760h;c為海上風電上網價格。海面上風速的波動性會導致風機出力具有不確定性,但由于故障發生時間的隨機性,因此可以將風機的出力按年平均出力考慮。電能通過海纜會產生網損,對于某無分支結構的風機串來說,該饋線一年產生的運行網損期望值為:式中:I為均方根電流;R有分支的放射形連接情況較為復雜(見附錄A圖A2)。算法尋優時,會考慮各種不同的帶分支的放射形連接結構,且分支位置不同,數量不同,其故障對該饋線中其他海纜的影響也不同,因此無法用一個統一的數學模型來表示其年網損期望與年停電損失期望。為了能使算法在尋優過程中識別某段海纜所處位置,判斷出該海纜故障對其他海纜的影響,從而準確算出這一饋線海纜的年網損望期與年停電損失期望,本文需要對海纜進行編碼,編碼方式如圖1所示。圖2為一串復雜的放射形帶分支結構的風機,其中黑點表示風機,黑線表示海纜,對其所有海纜進行編碼,編碼結果如表2所示。編碼后,每一段海纜都有獨一無二的一個新編碼號,新編碼號對應的老編碼號表示的是該段海纜所帶的風機數。新編碼號里蘊含了該段海纜的位置以及與其他海纜的關系等信息。這些新編碼號所含規律有:①新編碼號數字都為1的海纜是主干海纜,有其他數字的都是分支海纜;②新編碼號位數可表示該段海纜在饋線中所處的位置;③若某段海纜新編碼號u出現m臺風機停運的情況可分為兩種,可以是某段帶m臺風機的海纜直接故障,也可以是分支海纜之間,或者分支海纜與主干海纜之間同時發生故障,其所帶風機總數恰好為m臺。發生這種情況的概率為:式中:k為故障海纜數(故障海纜之間為非從屬關系);Q某段海纜故障會對其他海纜產生影響,以圖4的風機串為例,當海纜d(新編碼號為1111)故障時,它的上一級電纜(新編碼號為1,11,111,即a,b,c)所流過的電流會減小7I,此時這些海纜的網損與無故障運行時相比相應減少;另外,海纜d所帶的風機以及從屬于海纜d的所有海纜(新編碼號以1111開頭的所有海纜,即e,f,g,m,n,o)都將停止運行,停運損失為7Pt通過此種編碼方式,可以使得算法尋優過程中,無論放射形結構如何變化,都能計算出該饋線海纜的年網損期望值與停運損失期望值。2.2資、維護及回收成本環形連接與放射形連接相比,初始投資成本增加,但可靠性更高環形連接的初始投資成本、維護成本,以及回收成本如式(1)所示。雖然環形連接可靠性高,但當若干段海纜或斷路器發生故障時,依然會導致部分風機無法運行。環形連接若干海纜發生故障導致m臺機組停機的概率為:其中,q環形連接網損可以表示為:式中:CC3計算模擬3.1風機及變電站對福建某海域50臺3.6MW的風機,利用本文提出的方法對其中壓集電系統拓撲結構進行優化。風機及變電站位置見附錄A圖A4,風機前后間距在900m左右。中壓海纜電壓等級為35kV。海纜型號與價格按照設計院所提供的數據,故障次數取為0.05次/(a·km),海纜故障每次修復時間為1000h3.2兩種連接方式的成本構成本文采用單親遺傳算法來求解海上風電場集電系統拓撲結構的LCC模型,對放射形與環形網絡設計問題分別采用了基于prim算法的最小生成樹技術(MST)和多旅行商問題解決思路(MTSP)分別對放射形連接和環形連接進行優化,得到了兩者基于LCC的最優拓撲連接見附錄A圖A5與圖A6。兩種連接方式隨年累計成本曲線如圖3所示。從圖中可以看出,本案例環形連接的初始投資成本接近放射形連接的2倍,但是因為環形連接的可靠性遠高于放射形連接,而且環形連接所用的海纜電阻小,運行過程中的損耗低,因此環形連接的運行維護成本要遠低于放射形連接,當運行年數到達16年時,兩種連接方式的累計成本持平,當到達該風電場的壽命期限25年時,環形連接的總成本低于放射形連接。因此,對于本案例的海上風電場來說,附錄A圖A6所示的環形連接方式更加合適,并且隨著運行年數的增加,環形連接的優越性會更加明顯。圖4顯示了集電系統兩種連接方式的各項成本在LCC中的比重?？梢钥闯?放射形連接的LCC構成與環形連接差異明顯。在放射形連接中,由于其可靠性較低,停運損失的占比最高,其次為初始投資和維修費用。環形連接中初始投資占了總成本的一半以上,而高可靠性使得此種連接方式的停運損失很小。此外,環形連接所用海纜的截面大、電阻小,因此運行過程中產生的網損也極小,其占比不足1%。3.3海纜故障對放射形連接的影響海纜故障率和單次維修成本都是導致放射形與環形LCC差異的重要因素,因此,本文通過海纜故障率和單次維修成本分別變化來觀察其對兩種連接方式LCC的影響,結果如圖5和圖6所示。從圖5可以看出,海纜故障率變化對放射形連接的LCC影響很大,而對環形連接的影響十分小。當海纜故障率降低約15%時,即海纜故障次數降為0.043次/(a·km)或單次海纜維修時間降到850h時,兩種連接方式的LCC持平,小于該值時,從全壽命周期的角度看,放射形連接比環形連接更加有優勢。從圖6可以看出,單次維修費用變化對環形連接的影響大于放射形連接。當單次維修用增加約18%,即達到236萬元/次時,兩者的LCC持平,超過該值時,從全壽命周期的角度看,則更適合使用放射形連接。4風電場及其基礎設施本文針對放射形和環形兩種海上風電場中壓集電系統拓撲結構,建立了其全壽命周期的總成本模型,并構建了放射形連接拓撲結構復雜多變和環形結構運行方式多樣條件下的集電系統運行成本與維護成本計算方法。通過分析一個典型的近海帶海上變電站的風電場,可得出以下結論。1)在現有海上電氣設備成本條件下,環形結構在風電場運行約16年之后相比放射形結構更加有優勢。2)當海纜故障率超過0.043次/(a·km),或單次維修時間超過850h,或維修費