一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法，包括：1)根据风电场风机坐标、海缆以及电气设备数据，对集电系统进行分区优化；2)对分区优化后的集电系统拓扑结构进行优化，以全寿命周期成本C作为优化模型的目标函数，并且设置磁场限制条件进行约束，获取多个备选优化方案；3)计算不同约束梯度下每个备选优化方案下集电系统的电磁污染整体范围，并对多个备选优化方案进行多方博弈评估，最终获得最优方案。与现有技术相比，本发明专利技术具有实现经济性、亲环境性和可靠性的最优规划等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法
本专利技术涉及海上风电集电系统优化设计领域，尤其是涉及一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法。
技术介绍
海上风场资源丰富、发电时长高、适宜大规模开发，已成为可再生能源发展领域的焦点。随着开发强度的加大，海上风电场的数量正在全世界范围内不断增加，且选址范围逐渐推向远海海域，其装机容量、电缆传输功率、电压等级均有明显提升。长远来看，海上风场的数量和容量大幅提高是必然趋势，由此带来的海洋生态失衡问题不可小觑。随着对海洋认识的加深，如何合理有序开发，保持海洋生产力的持续发展逐渐成为各国共识。欧洲在海上风电方面起步较早，技术成熟，风场运行对于海洋环境的影响已经引起各国的广泛关注。海上风电场在其数十年的运行过程中，海底电缆产生电磁污染具有累积性和长期性，英国、丹麦等国家基于风电场感应磁场对海洋生态的影响已开展一系列研究。FariaJB,NevesMGD在TransactionsonPowerDelivery发表篇名为Accurateevaluationofindoortriplexcablecapacitancestakingconductorproximityeffectsintoaccount的文章，提出海上风电场感应磁场的主要包括三部分，即风机感应磁场、升压站磁场和海缆运行感应磁场，其中升压站以及海缆的感应磁场影响程度较高。感应磁场对鱼类的繁殖和生理等均有一定影响，SadowskiM,WinnickiA,FormickiK等人在ActaIchthyologicaEtPiscatoria发表篇名为Theeffectofmagneticfieldonpermeabilityofeggshellsofsalmonidfishes的文章，研究显示磁场暴露能够延缓海胆以及鱼类的胚胎发育,并能改变其循环运动。KrzemieniewskiM,TeodorowiczM,DebowskiM等人在AquacultureResearch发表篇名为EffectofaconstantmagneticfieldonwaterqualityandrearingofEuropeansheatfishSilurusglanisL.larvae的文章，提及到当欧洲鲇鱼暴露于一个磁场强度为0.4—0.6T的磁场中时，其生物量下降，死亡率升高。海上风电集电系统作为对风电进行汇集的重要环节，是连接风机与升压站之间的中压电气网络，其规划方案的优劣直接影响海缆磁场整体干扰情况，因此对集电系统进行优化规划具有重要意义。目前，国内外关于海上风电集电系统的研究已逐渐成熟。Gonzalez-LongattFM在IEEE发表篇名为：Optimaloffshorewindfarms'collectordesignbasedonthemultipletravellingsalesmanproblemandgeneticalgorithm的文章，基于改进遗传算法和多旅行商问题建立了一种海上风电集电系统优化模型，优化过程中充分考虑不同截面电缆的使用，算法相对快速有效；黄玲玲，符杨等人在电网技术发表名为海上风电场集电系统可靠性评估的文章，基于解析法，将海上风力发电机组群等效为一个常规发电机组，提出了一种针对树形拓扑集电系统可靠性评估模型和算法，按照传统的可靠性模型和方法对海上风电场集电系统的等效强迫停运率进行了计算和分析。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。现有的海上风电集电系统的大部分研究是从经济性和可靠性角度出发，未在规划时充分考虑海上风场迅速发展造成的海缆磁扰问题，我国海上风电处于井喷式增长时期，日后多个大型超大型海上风电场投入运行后，如何兼顾经济效益最优和海洋环境的可持续发展，亟待开展相关量化研究并建立精确数学模型，为海上风电场的环境友好建设提供参考。
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考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法，包括以下步骤：1)根据风电场风机坐标、海缆以及电气设备数据，对集电系统进行分区优化；2)对分区优化后的集电系统拓扑结构进行优化，以全寿命周期成本C作为优化模型的目标函数，并且设置磁场限制条件进行约束，获取多个备选优化方案；3)计算不同约束梯度下每个备选优化方案下集电系统的电磁污染整体范围，并对多个备选优化方案进行多方博弈评估，最终获得最优方案。所述的步骤2)中，优化模型的目标函数为：C＝(Co+CM+CF)×PV.sum+CI+CD×PV其中，CI为初始投资成本，Co为运行损耗成本，CM为维护成本，CF为故障损失成本，CD为设备回收成本，PV.sum为年度投资费用现值和的折算系数，PV为折现系数。所述的步骤2)中，优化模型的约束条件为：Isfc·max≤min{KsfcIsfc·o,Il}|ΔUsfc|＜|ΔUmax|Fi∪Fj＝S其中，Isfc·max为中压海缆流过的最大持续负荷电流，Ksfc为海缆长期允许载流量的总修正系数，Isfc·o为持续负荷电流的长期载流量，Il为磁场限制电流，ΔUsfc为电缆的电压降落，Fi、Fj均为风力发电机组节点集合，S为风电场中的所有风机的集合。所述的磁场限制电流Il的表达式为：其中，Bl为电磁环境曝露控制限值，μ为海水磁导率，r为各芯线与海缆中心的距离，y为观测点P距海缆中心的纵向距离，即Y轴方向距离，x为观测点P距海缆中心的横向距离，即X轴方向距离，ρC、ρB为芯线B、C距离观测点P的距离，αl为限定范围边界与海缆中心的最大距离。所述的步骤3)具体包括以下步骤：采用纳什均衡理论将风电场集电系统全寿命周期成本作为经济性评价指标、风电场整体辐射影响范围作为环境方面评价指标并且将风电场可用容量作为风电场可靠性指标，确定各个指标的支付函数，获取不同约束梯度下各个备选优化方案的最佳方案，实现经济效益最大化以及海洋电磁环境可持续发展的多目标优化。所述的风电场整体辐射影响范围采用体积V表述为：其中，Ssfc为该段电缆在最大持续负荷电流情况下，磁场强度超出控制限值100的影响范围的截面面积，Lsfc为电缆长度，s为风电场分区编号，f为第s分区中的风机串编号，c为第S分区中第f个风机串所带的风机编号，Ns为风场分区数，Nsf为第S个分区所含的风机串数，Nsfc为第S分区中第f个风机串所带的风机数。所述的限定范围边界与海缆中心的最大距离αl在约束梯度1下的取值为1.7，在约束梯度2下的取值为1.5。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术提出对海缆磁场分布和集电系统成本结构特征进行综合分析，优化过程中以全寿命周期成本作为经济模型，并重点考虑了磁场约束限值，此外，提出的集电系统备选方案多方博弈评估的算法及模型，可以进一步实现经济性、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据风电场风机坐标、海缆以及电气设备数据，对集电系统进行分区优化；2)对分区优化后的集电系统拓扑结构进行优化，以全寿命周期成本C作为优化模型的目标函数，并且设置磁场限制条件进行约束，获取多个备选优化方案；3)计算不同约束梯度下每个备选优化方案下集电系统的电磁污染整体范围，并对多个备选优化方案进行多方博弈评估，最终获得最优方案。

【技术特征摘要】
1.一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据风电场风机坐标、海缆以及电气设备数据，对集电系统进行分区优化；2)对分区优化后的集电系统拓扑结构进行优化，以全寿命周期成本C作为优化模型的目标函数，并且设置磁场限制条件进行约束，获取多个备选优化方案；3)计算不同约束梯度下每个备选优化方案下集电系统的电磁污染整体范围，并对多个备选优化方案进行多方博弈评估，最终获得最优方案。2.根据权利要求1所述的一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法，其特征在于，所述的步骤2)中，优化模型的目标函数为：C＝(Co+CM+CF)×PV.sum+CI+CD×PV其中，CI为初始投资成本，Co为运行损耗成本，CM为维护成本，CF为故障损失成本，CD为设备回收成本，PV.sum为年度投资费用现值和的折算系数，PV为折现系数。3.根据权利要求2所述的一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方法，其特征在于，所述的步骤2)中，优化模型的约束条件为：Isfc·max≤min{KsfcIsfc·o,Il}|ΔUsfc|＜|ΔUmax|Fi∪Fj＝S其中，Isfc·max为中压海缆流过的最大持续负荷电流，Ksfc为海缆长期允许载流量的总修正系数，Isfc·o为持续负荷电流的长期载流量，Il为磁场限制电流，ΔUsfc为电缆的电压降落，Fi、Fj均为风力发电机组节点集合，S为风电场中的所有风机的集合。4.根据权利要求3所述的一种考虑电磁环境约束的海上风电集电系统优化设计方...

【专利技术属性】
技术研发人员：符杨，杨赛松，魏书荣，刘璐洁，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31