一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法，包括以下步骤：1)根据海上风电场风机坐标、海缆和电气设备数据，设计海上风电场集电系统的冗余结构；2)根据海上风电场集电系统冗余结构的设计结果，定义集电系统冗余度表示集电系统冗余结构的冗余程度，并计算不同冗余度下集电系统的各项成本；3)根据各项成本计算不同冗余度下集电系统的海上风电场集电系统的全寿命周期成本，以全寿命周期成本最低为集电系统冗余度最优的设计。与现有技术相比，本发明专利技术具有可靠性高、经济性好、考虑不同冗余度等优点。

A redundancy optimization method for large offshore wind farm collection system

The invention relates to a method of optimization of redundant power system in large offshore wind farms, which comprises the following steps: 1) according to the offshore wind field coordinates, cable and electrical equipment data, redundant structure of wind farm collector system design of the sea; 2) according to the design of offshore wind farm in the redundant structure of electric system. The definition of collector system redundancy in power system said the degree of redundancy redundant structure, and the calculation of the cost in power system under different redundancy; 3) according to the life cycle cost of the cost calculation of different redundant offshore wind farm collector system of the collecting system, to design the lowest life-cycle cost for set power system optimal redundancy. Compared with the existing technology, the invention has the advantages of high reliability, good economy, and consideration of different redundancy.

【技术实现步骤摘要】
一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法
本专利技术涉及风电场集电系统设计领域，尤其是涉及一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法。
技术介绍
集电系统是海上风电场的命脉，是海上风电场安全可靠运行的关键。随着海上风电开发的规模化、深远海化发展，海洋的更多不确定因素对集电系统的可靠性提出了更高的要求，迫切需要提出新的、更适应深远海风电发展趋势的集电系统优化模型与方法。现已有专家学者对海上风电场集电系统的优化模型做了一定的研究。符杨，吴靖等人在电网技术发表篇名为：大型海上风电场集电系统拓扑结构优化与规划的文章，文章中建立了以海底中压电缆投资成本为目标的集电系统优化模型，并给出了集电系统的可靠性评估；ShurongWei,LuZhang在IEEE发表篇名为：HierarchicalOptimizationfortheDouble-SidedRingStructureoftheCollectorSystemPlanningofLargeOffshoreWindFarms的文章，文章中将可靠性折算成经济成本统一考虑，考虑的是中高压海缆的网损成本。随着研究的进一步深入，符杨，徐涵璐等人在电力系统自动化发表篇名为：海上风电场集电系统全寿命周期成本分析的文章，文章中给出了集电系统的运维成本模型，并建立海上风电场集电系统的全寿命周期成本(LCC)模型。从25年运行期整体考虑，海上风电场的运行成本、维修成本以及故障成本之和甚至大于其建设成本，所以综合考虑海上风电场集电系统的全寿命周期成本具有重要意义。目前这些模型都聚焦于工程上已有的放射形结构或环形结构，放射形结构具有更低的成本但是可靠性较低，环形结构具有更高的可靠性但是成本较高。杨进，JohnO’REILLY,JohnE.FLETCHER在电力系统自动化发表篇名为：基于冗余度分析的海上风电场可靠性提高方法的文章，文章中提出了可以通过冗余设计提高集电系统的可靠性，但是未给出冗余的程度以及具体的优化模型与方法。因此，迫切需要寻求一种具有一定冗余度的结构，将经济性、可靠性这对矛盾的变量进行最优规划，使其在具有更高可靠性的基础上，亦具有一定的成本优势。
技术实现思路
本专利技术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大型海上风电场集电系统冗余度优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法，包括以下步骤：1)根据海上风电场风机坐标、海缆和电气设备数据，设计海上风电场集电系统的冗余结构；2)根据海上风电场集电系统冗余结构的设计结果，定义集电系统冗余度表示集电系统冗余结构的冗余程度，并计算不同冗余度下集电系统的各项成本；3)根据各项成本计算不同冗余度下集电系统的海上风电场集电系统的全寿命周期成本，以全寿命周期成本最低为集电系统冗余度最优的设计。所述的步骤2)中，集电系统冗余度γ定义为：限制条件为：Ilmax≤Kl·Ilo其中，f(i)为集电系统拓扑串数的非线性函数，g(i)为集电系统分区数量的非线性函数，nv为集电系统拓扑串数中每串路径的段数，nz为集电系统总分区内风机全部可能路径的段数，W为集电系统风机总台数，ISmax为中压海缆最大截面载流量，ISmin为中压海缆最小截面载流量，I为风电场风机正常运行的额定电流，Ilmax为任一段海缆流过的最大持续负荷电流，Kl为海缆长期允许载流量的总修正系数，Ilo为海缆长期载流量，Slmin为海缆的短路热稳定要求的最小截面，Il∞为海缆稳态短路电流，tl为海缆短路时间，Cl为海缆热稳定系数。所述的步骤2)中，计算不同冗余度下集电系统的各项成本具体包括以下步骤：21)计算初始投资C1(γ)：C1(γ)＝CCB(γ)+CSW(γ)其中，CCB(γ)为电缆成本，CSW(γ)为开关设备成本；22)计算运维成本CM(γ)：CM(γ)＝Ka(γ)·Cm,a+Ks(γ)·Cm,s其中，Ka(γ)为馈线一年发生故障的总次数，Cm,a为馈线单次维修所需的费用，Ks(γ)为馈线开关设备一年发生故障的总次数，Cm,s为馈线开关设备单次维修所需的费用；23)计算停电损失CF(γ)：其中，c为海上风电上网价格，λ(γ)为风电场一年内风机的故障次数，tMTTR为平均恢复时间，Prate为停运风机的额定功率，Tequal为风机年利用小时数；24)计算网损CO(γ)：其中，j为馈线i故障导致风机停运数，m为馈线i所带的总风机数，pj(γ)为馈线i有j台风机停运时的概率，Pj(γ)为馈线i有j台风机停运时的有功损耗，pc(γ)为馈线i无风机停运时的概率，Pc(γ)为馈线i无风机停运时的有功损耗。所述的步骤3)中，海上风电场集电系统的全寿命周期成本的计算式为：minC(γ)＝C1(γ)+β·(CO(γ)+CF(γ)+CM(γ))约束条件为：Isfc＜Irated(θ)|ΔVsfc|＜ΔVmaxFx∪Fy＝S其中：C(γ)为集电系统全寿命周期成本，Isfc、ΔVsfc分别为第s个变电站上第f个馈线中第c段海缆上流过的电流及该段海缆的电压降落，Irated(θ)为海缆截面积为θ的载流量，ΔVmax为海缆最大允许的电压降落(与每段海缆的长度相关)，Fx、Fy为风机节点集合，S为风力发电机组簇，即约束条件要求风力发电机组簇间没有交集，所有风力发电机组都要包含在风力发电机组簇中，Fi为风机节点集合，β为年度投资费用的现值和折算系数，τ为折现率，t为整个寿命周期，取值为20-25年。所述的步骤2)中，由于回收海缆导线及开关设备的价值与回收成本相互抵消，计算中忽略回收成本。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术提出的集电系统冗余度，可以有效的表示集电系统不同的冗余设计，比较海上风电场集电系统不同冗余度下的全寿命周期成本，寻求集电系统最优的冗余设计，使深远海风电场集电系统在满足较高可靠性的要求下，且具有一定的经济优势。附图说明图1为具有一定冗余的集电系统可能的几种拓扑结构，其中，图(1a)为放射形拓扑结构，图(1b)为部分环形结构，图(1c)为双边环形结构。图2为海上风电机组排布。图3为集电系统冗余度为0.3822的优化设计结构。图4为集电系统冗余度为0.41313的优化设计结构。图5为集电系统冗余度为0.43243的优化设计结构。图6为不同冗余度下集电系统的各项成本。图7为不同冗余度下集电系统的全寿命周期成本。图8为三种不同拓扑最优连接方式的累计成本曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例本专利技术针对大型海上风电场集电系统冗余优化设计的问题，通过采用冗余设计提高深远海海上风电场集电系统的可靠性，提出了集电系统拓扑结构的冗余度来表示集电系统不同的冗余程度，建立了基于集电系统冗余度的多目标优化模型，包括集电系统不同冗余度下的初始投资成本计算、网损计算、运维成本计算、停电损失计算等。1)为了对集电系统不同冗余程度的优化结构经济性与可靠性进行研究，提出了冗余度表示集电系统的冗余程度。定义集电系统冗余度为：其中：nz为集电系统分区内风机全部可能路径的段数，nv为集电系统拓扑串数中每串路径的段数，g(i)为表示集电系统分区数量的非线性函数，f(i)为表示集电系统拓扑串数的非线性函数，是一个离散变量，给定了集电系统拓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据海上风电场风机坐标、海缆和电气设备数据，设计海上风电场集电系统的冗余结构；2)根据海上风电场集电系统冗余结构的设计结果，定义集电系统冗余度表示集电系统冗余结构的冗余程度，并计算不同冗余度下集电系统的各项成本；3)根据各项成本计算不同冗余度下集电系统的海上风电场集电系统的全寿命周期成本，以全寿命周期成本最低为集电系统冗余度最优的设计。

【技术特征摘要】
1.一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据海上风电场风机坐标、海缆和电气设备数据，设计海上风电场集电系统的冗余结构；2)根据海上风电场集电系统冗余结构的设计结果，定义集电系统冗余度表示集电系统冗余结构的冗余程度，并计算不同冗余度下集电系统的各项成本；3)根据各项成本计算不同冗余度下集电系统的海上风电场集电系统的全寿命周期成本，以全寿命周期成本最低为集电系统冗余度最优的设计。2.根据权利要求1所述的一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法，其特征在于，所述的步骤2)中，集电系统冗余度γ定义为：限制条件为：Ilmax≤Kl·Ilo其中，f(i)为集电系统拓扑串数的非线性函数，g(i)为集电系统分区数量的非线性函数，nv为集电系统拓扑串数中每串路径的段数，nz为集电系统总分区内风机全部可能路径的段数，W为集电系统风机总台数，为中压海缆最大截面载流量，为中压海缆最小截面载流量，I为风电场风机正常运行的额定电流，Ilmax为任一段海缆流过的最大持续负荷电流，Kl为海缆长期允许载流量的总修正系数，Ilo为海缆长期载流量，Slmin为海缆的短路热稳定要求的最小截面，Il∞为海缆稳态短路电流，tl为海缆短路时间，Cl为海缆热稳定系数。3.根据权利要求1所述的一种大型海上风电场集电系统冗余度优化方法，其特征在于，所述的步骤2)中，计算不同冗余度下集电系统的各项成本具体包括以下步骤：21)计算初始投资C1(γ)：C1(γ)＝CCB(γ)+CSW(γ)其中，CCB(γ)为电缆成本，CSW(γ)为开关设备成本；22)计算运维成本CM(γ)：CM(γ)＝Ka(γ)·Cm,a+Ks(γ)·Cm,s其中，Ka(γ)为馈线一年发生故障的总次数，Cm,a为馈线单次维修所需的费用，Ks(γ)为馈线开关设备一年发生故障的总次数，Cm,s为馈线开关设备单次维修所需的费用；23)计算停电损失CF(γ)：

【专利技术属性】
技术研发人员：魏书荣，刘昆仑，符杨，方陈，柳劲松，任子旭，吴锐，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31