综合考虑经济性与可靠性的海上风电场集电系统布局优化方法

综合考虑经济性与可靠性的海上风电场集电系统布局优化方法
摘要：本文在充分考虑了风电场风速分布、尾流效应等环境因素的基础上，提出了综合考虑海上风电场集电系统电气设备的投资成本、运行损耗等经济性指标和运行故障机会成本等可靠性指标来评价集电系统拓扑连接经济效益的方法，并将该全生命周期的评价方法应用于海上风电场集电系统拓扑的优化。

实验结果表明，该方法能够获得经济效益更好的集电系统拓扑连接形式。

关键词：海上风电场；集电系统；经济性评估；拓扑优化
0 引言
海上风力发电因其相比较于陆地发电的独特优势，近几年来在国内外得到了长足的发展。

虽然目前规模仍然不大，但确是目前被普遍看好的新能源发展方向，预计到2020年，中国海上风电累积装机容量将达到，占到风电装机总容量的30%以上。

海上风电场集电系统用于将风电场各台风力发电机发出的电能汇集到海上升压站，以便将电压进一步升高之后使电能输送到岸上并入电网。

国外的建设经验表明，集电系统的设备投资超过海上风电场总投资的5%，从建设成本角度优化集电系统的布局对降低风电场的建设成本就有着重要意义。

由于恶劣的工作环境，海上风电场每年因为集电系统的设备故障造成的发电损失也十分可观，如采用传统放射形拓扑的集电系统因故障损失的电量即其故障机会成本可能占到该风电场预计发电能力的10%以上，这样，集电系统的可靠性就成为优化集电系统布局所必须考虑的一个因素。

近年来，针对于海上风电场集电系统布局的优化方法的研究，国内外取得了许多成果，论文[1]提出了以集电系统中压海底电缆总长度最小为目标的集电系统优化方法；论文[2]应用模糊聚类和图论的方法提出了使得集电系统电气设备投资最小的优化方法；论文[3]采用混合遗传和免疫算法提出了使海上风电场集电系统电气设备投资和运行损耗最小的优化方法。

但是这些方法在对集电系统布局优化过程中都没有将集电系统的可靠性和运行损耗考虑在内。

在集电系统运营期间，由于故障和运行损耗引起的经济损失都是巨大的，需要引起设计和运营方的重视。

本文在已有的集电系统布局优化方法的基础上，综合考虑建设运营期间海上风电场集电系统的经济性和可靠性，提出了全生命周期的集电系统的优化方法。

1 海上风电场集电系统布局
本文所考虑的集电系统包括从风机箱式变压器高压侧到升压站汇流母线之间的部分，主要的电气设备包括连接各台风力发电机及海上升压站的中压海底电缆及中压断路器。

图1为一个典型的海上风电场集电系统示意图：
海上风电场的集电系统布局也就是集电系统内电缆的拓扑连接方式及开关的配置方式，而电缆的拓扑连接形式又是影响集电系统经济性和可靠性最主要的因素。

目前常用的集电系统电缆拓扑包括放射形和环形两种形式，由于海底电缆较高的造价及施工费用，带有冗余电缆的环形拓扑在目前的实际工程中很少采用。

本文在优化时所考虑的集电系统拓扑仍以放射形拓扑为主，暂不考虑环形拓扑。

2 海上风电场集电系统经济性与可靠性指标评估
海上风电场集电系统的经济性指标包括其建设投资成本和运行损失，可靠性指标主要是其故障机会成本。

影响这些指标大小的主要因素有风电场的规模、风力发电机本身的功率特性及风电场运行环境等。

2.1 影响风电场集电系统经济性和可靠性指标的主要因素
2.1.1 风电场的风速分布
风电场的风速分布可以通过统计获得，统计结果表明，大部分地区的风速分布可以用两参数的威布尔分布来表示，用威布尔分布表示的风电场的风速分布频率可以表示为：
式中参数为威布尔分布的形状参数，一般可以取2.0，参数是风电场的平均风速的函数。

2.1.2 风电场的尾流效应及温度影响
由于尾流效应（wake effects）的影响，坐落在风电场下风向的风速要低于坐落于风电场上风向的风速，风力发电机的功率输出因此要受到影响。

美国加州的风电场运行经验表明，尾流效应造成的典型的发电损失约为10%。

风力发电机正常发电的环境温度值在一定范围内，超出这个范围，风力发电机将停止发电。

将风力发电场的尾流效应和环境温度的影响结合起来，评估风电场的实际发电量时，可以按其理论发电能力再乘以一个效率常数，这个效率常数可以取为。

2.1.3 风力发电机的功率曲线
风力发电机在标准环境下的功率输出主要取决于风电场的风速，风力发电机生产厂家在风机出厂时会给出风力发电机的标准功率曲线，即风力发电机和风速的关系曲线，用函数表示即为。

风力发电机在实际运行时，其实际功率输出与风电场的空气密度有很大关系，而海上风电场的风机海拔处于海平面附近，海上风电场的空气密度接近于标准空气密度，可以认为海上风电场内风力发电机的标准功率曲线就是其实际功率曲线。

2.2 集电系统年均投资成本评估
由于海上风电场一般建设在距离海岸线10km之外的海域，这就使得海上风电场的建设成本远大于陆上风电场，据统计，陆上风电场风力发电机造价占到风电场总投资的75%左右，而在海上风电场，这一比例则降至30%到50%。

海上风电场电气系统的设备投资大约占到总投资的10%到15%。

选择合适的集电系统拓扑结构对于降低海上风电场的投资成本有重要的意义。

海上风电场集电系统的一次性投资取决于集电系统内部的电缆的长度和截面积、中压开关的造价与数量。

设某个海上风电场集电系统拓扑共有m条中压海底电缆和n台中压断路器构成，则其总的电气设备一次性投资费用为：
在式（3-1）中，Ctc为海上风电场集电系统的总造价；Psci为第i条电缆的单价，主要取决于电缆的截面积，Pc1为第i条电缆的铺设费用；li为第i条海缆的长度；Pmbj为第j台中压断路器的单价。

式中所有长度的单位均为米，价格的单位均为元。

设银行利率为r，设备的折旧年限为k，则风电场集电系统的年均投资成本Cyc为：2.3 海上风电场集电系统的运行损失评估
海上风电场集电系统的运行损失的主要由中压海底电缆的发热损失构成。

假设风电场的所有风力发电机均运行于最大功率状态，则风电场集电系统一年的运行损失可以通过下式计算：
式中Cnhlsos为所有风力发电机均运行于额定状态下风电场集电系统一年的运行损失，jnk（t）为风电场所有风力发电机均处于最大功率运行状态时第k条电缆在t时刻流过的电流，π为风电的上网电价。

rk为第k条海缆的交流电阻，主要取决于该条海缆导体部分的截面积和长度。

考虑到风电场风速分布及尾流效应，海上风电场集电系统的年实际运行损失Chlsos要小于Cnhlsos，令：
Khlsos=Chlsos/Cnhlsos
如果风电场所有的风力发电机的功率曲线均相同，则系数Khlsos可以通过下式计算：
式中为综合考虑到风电场尾流效应和温度影响的效率常数，一般取0.90，P （v）为风速为时风力发电机的输出功率，为风电场风速的出现频率，为风力发电机的最大输出功率。

2.4 海上风电场集电系统年故障机会成本评估
海上风电场电气设备工作环境远较陆地风电场恶劣，使得海上风电场集电系
统的电气设备的故障率明显比陆地风电场要大，而且由于海上作业的困难，海上电气设备的故障修复时间远高于陆地上的电气设备，这就使得因为海上风电场因为电气设备故障而损失的电量即故障机会成本十分可观。

论文[4]给出了较为详细的海上风电场集电系统的故障机会成本的计算方法。

根据论文[4]的方法，设海上风电场所有的风力发电机均发出最大功率，则该风电场故障机会成本可以计算如下：
Cnof = π（EENS）
其中Cnof为所有风力发电机均发出最大功率情况下风电场集电系统的故障机会成本，π为风电的上网电价，（EENS）n为所有的风力发电机均发出最大功率时的集电系统年电力不足期望值。

假设风电场所有的风力发电机的功率曲线相同，考虑到环境因素，海上风电场集电系统的年实际故障机会成本Cof可通过下式计算：
3 综合考虑经济性与可靠性的集电系统布局优化方法
由于集电系统的拓扑连接的建设投资及其故障机会成本都比较大，因此要全面地衡量一个海上风电场集电系统拓扑的经济效益，需要综合考虑该拓扑连接的电气设备投资成本、该拓扑结构下的故障损失以及集电系统的运行损失。

本文在已有的集电系统拓扑优化算法[4]的基础上，综合考虑风电场的投资成本、运行损失等经济性参数和故障机会成本等可靠性参数，得到改进的集电系统拓扑的优化方法。

已知一个风电场的基本信息，综合考虑经济性与可靠性的集电系统拓扑优化流程如图3所示：
具体操作步骤详述如下：
1、输入该风电场的基本数据，风电场基本数据包括3个主要部分：1）海上升压站和所有风力发电机的具体位置；2）可供选择的电气设备包括中压开关和中压海底电缆的相关参数；3）风电场所在区域的风速分布、风力发电机的功率曲线及其它环境参数。

2、根据已有的海上升压站和风力发电机的位置等数据，应用拓扑连线的优化方法【4】得到风电场的若干个备选的拓扑图。

3、根据第2步获得的集电系统拓扑图，选取其中的一个拓扑，假设所有风力发电机均发出最大功率，计算其潮流分布。

4、根据第3步计算出的每条电缆上流过的电流，在已有的开关和电缆数据库中选择集电系统中压海底电缆和中压开关的型号。

5、根据第3步潮流计算的结果、第4步所选择的电气设备型号以及已有的风电场的环境参数和风力发电机的功率曲线，计算出该集电系统拓扑年均投资成本Cyc、年运行损失Chlso和年故障机会成本Cof。

6、根据第5步的计算结果，得到该集电系统拓扑的全生命周期的经济成本Cytotal，n为风电场设计运行年限：
7、在对第2步得到的所有集电系统拓扑图都进行评估后，选择全生命周期经济成本Cytotal，最小的集电系统拓扑作为该集电系统的最优拓扑。

4 算例
4.1 风电场的基本信息
该风电场集电系统由1个建在海岛上的海上升压站和65台风力发电机组成，装机容量为195MW，设计运行年限为20年。

升压站和风力发电机的具体位置如图5所示，标号1的点为海上升压站的位置，标号2～66的点为65台风力发电机的位置。

集电系统电压为35千伏，整个风电场在运行期间的功率因数为1.0。

该风电场所有的风力发电机的额定功率均为3MW，所有风力发电机的功率曲线均相同。

集电系统可供选择的中压海底电缆的载流量及相应的费用单价如表1所列，由于表中海底电缆所能传输的最大功率为30MW，这就要求集电系统拓扑每条链上的风机数量不超过10台。

风力发电场集电系统的故障机会成本主要取决于主要电气设备的故障率及故障平均修复时间，在本算例中集电系统几种主要电气设备的故障率及平均修复时间如表2所示：
设该风电场风速分布频率图如图2所示，考虑尾流效应及温度影响的权系数仍取0.90。

即：。

4.2 实验结果
应用文献[16}的集电系统拓扑的生成方法，再根据图3的海上风电场集电系统优化方法，得到的拓扑如图5和图6所示：
图3所示的拓扑1为设备总投资最低的集电系统拓扑，图4所示的拓扑2为全生命周期经济成本最低的集电系统拓扑，表3列出了两个拓扑的主要经济指标。

拓扑连接1的建设费用要比拓扑连接2少150万元，年运行成本比拓扑连接2少2万元，而拓扑连接1的年故障机会成本比拓扑连接2多25万元。

考虑风
电场的全生命周期经济成本，即经济成本中考虑20年中风电场的运行成本和故障机会成本，拓扑2的全生命周期经济成本比拓扑1少近300万元。

综合考虑集电系统的建设成本、故障机会成本和运行损失费用，集电系统拓扑连接1要优于拓扑连接2。

5 结论
在海上风电场的设计，建设，运营中，不仅仅需要考虑海上风电场建设成本，还需要将后期运营维护费用考虑进来，已达到全生命周期经济效益的最大化。

论文分析了海上集电系统的建设成本、运行损耗费用和故障机会成本的组成和计算方法，建立了评估海上风电场集电系统全生命周期经济成本的评估模型，并提出了综合考虑经济性和可靠性的集电系统优化方法。

实验表明，改进后的集电系统优化方法综合考虑了集电系统建设和运营成本，通过优化方法能够得到综合经济效益更好的集电系统拓扑连接形式。

参考文献
[1] Dutta，S. and T.J. Overbye，Optimal Wind Farm Collector System Topology Design Considering Total Trenching Length. Sustainable Energy，IEEE Transactions on，2012. 3（3）：p. 339-348.陈宁. 大型海上风电场集电系统优化研究[D]. 上海电力学院，2011.
[2] Gonzalez-Longatt，F.M.，et al.，Optimal Electric Network Design for a Large Offshore Wind Farm Based on a Modified Genetic Algorithm Approach. Systems Journal，IEEE，2012. 6（1）：p. 164-172.
[3] Huang，L.，Y. Fu and X. Guo. Optimization of electrical connection scheme for large offshore wind farm with genetic algorithm. in Sustainable Power Generation and Supply，2009. SUPERGEN ‘09. International Conference on. 2009.
[4] 谭任深海上风电场集电系统的优化设计与研究[ D]. 华南理工大学，2013。