海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

0海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的lcc集電系統(tǒng)是影響海上發(fā)電廠整體經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)營(yíng)的重要系統(tǒng)。未來,隨著海上風(fēng)電場(chǎng)容量增大,離岸距離變遠(yuǎn),對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的需求將更為迫切目前,已有很多專家學(xué)者對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)優(yōu)化作了深入研究。在經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化方面,文獻(xiàn)從上述文獻(xiàn)可見,海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)投資是關(guān)乎風(fēng)電場(chǎng)投資經(jīng)濟(jì)性的重要組成部分,集電系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化能夠較好地節(jié)省集電系統(tǒng)的初始投資。但同時(shí),考慮到海上風(fēng)電場(chǎng)25年的運(yùn)行壽命及海纜故障修復(fù)困難的現(xiàn)狀,集電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行也是關(guān)系風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的重要方面。為了充分體現(xiàn)集電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性,本文從全壽命周期成本(LCC)的角度出發(fā),結(jié)合當(dāng)前海上風(fēng)電工程常用的兩種拓?fù)湫问降慕Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn),提出了一種通用性的海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的LCC計(jì)算方法。該方法能夠反映放射性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自由多變的特性、滿足環(huán)形結(jié)構(gòu)運(yùn)行方式多樣的需要,包含海上風(fēng)電場(chǎng)25年壽命周期中集電系統(tǒng)的初始投資成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本以及停電損失成本等。本文通過一個(gè)典型的海上風(fēng)電場(chǎng)算例,對(duì)上述兩種拓?fù)湫问降腖CC及其構(gòu)成進(jìn)行計(jì)算與分析,算例結(jié)果與靈敏度分析對(duì)放射形結(jié)構(gòu)與環(huán)形結(jié)構(gòu)的使用條件進(jìn)行說明,為海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃提供理論與數(shù)據(jù)依據(jù)。1運(yùn)行維護(hù)成本c從海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行年限來看,可將其按時(shí)間分為3個(gè)階段,每個(gè)階段的費(fèi)用構(gòu)成如表1所示購置階段產(chǎn)生的費(fèi)用主要包括海纜的購買與鋪設(shè)費(fèi)用以及斷路器的購買與安裝費(fèi),為一次性投資。船只航行、微生物和環(huán)境的侵襲,以及運(yùn)行過程中的老化等原因會(huì)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(shí)間包括維修設(shè)備所用時(shí)間、船只出海航行時(shí)間、因天氣原因造成的等待時(shí)間等。故障維修、停電損失和運(yùn)行過程中產(chǎn)生的網(wǎng)損共同構(gòu)成了海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)成本。海纜導(dǎo)線及斷路器由有色金屬構(gòu)成,具有一定的回收價(jià)值,但是回收這類設(shè)備需要?jiǎng)佑么蝗肆?且設(shè)備的回收價(jià)值不高,所以此處認(rèn)為這部分成本相互抵消式中:N為風(fēng)電場(chǎng)海纜饋線數(shù)(即海上風(fēng)機(jī)串或環(huán)數(shù));C停電損失C考慮到風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行年限較長(zhǎng),資金具有時(shí)間價(jià)值,除了C式中:C為海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)全壽命周期總成本現(xiàn)值和;I折現(xiàn)率r的計(jì)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(jì)算方法2.1海纜編碼編碼放射形連接是集電系統(tǒng)中最為常見的結(jié)構(gòu),目前世界上大多數(shù)海上風(fēng)電場(chǎng)都采用了這種連接方式。這種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,投資少,但可靠性較差。放射形連接的初始投資成本、維護(hù)成本,以及回收成本如式(1)所示。此節(jié)主要分析風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)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(jié)構(gòu)與無分支結(jié)構(gòu)。無分支放射形連接結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)圖見附錄A圖A1。為了方便表達(dá),需對(duì)某饋線每段海纜進(jìn)行編號(hào),編號(hào)數(shù)字代表該段海纜所帶的風(fēng)機(jī)數(shù)量。用q編號(hào)為m的海纜故障導(dǎo)致m(m≠n,其中n為該饋線所帶的總風(fēng)機(jī)數(shù))臺(tái)風(fēng)機(jī)停運(yùn),產(chǎn)生的停電損失功率為式中:Pn(m=n)臺(tái)風(fēng)機(jī)全部故障的概率為:則這一串風(fēng)機(jī)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(fēng)電上網(wǎng)價(jià)格。海面上風(fēng)速的波動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力具有不確定性,但由于故障發(fā)生時(shí)間的隨機(jī)性,因此可以將風(fēng)機(jī)的出力按年平均出力考慮。電能通過海纜會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)損,對(duì)于某無分支結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)串來說,該饋線一年產(chǎn)生的運(yùn)行網(wǎng)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(fù)雜(見附錄A圖A2)。算法尋優(yōu)時(shí),會(huì)考慮各種不同的帶分支的放射形連接結(jié)構(gòu),且分支位置不同,數(shù)量不同,其故障對(duì)該饋線中其他海纜的影響也不同,因此無法用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來表示其年網(wǎng)損期望與年停電損失期望。為了能使算法在尋優(yōu)過程中識(shí)別某段海纜所處位置,判斷出該海纜故障對(duì)其他海纜的影響,從而準(zhǔn)確算出這一饋線海纜的年網(wǎng)損望期與年停電損失期望,本文需要對(duì)海纜進(jìn)行編碼,編碼方式如圖1所示。圖2為一串復(fù)雜的放射形帶分支結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī),其中黑點(diǎn)表示風(fēng)機(jī),黑線表示海纜,對(duì)其所有海纜進(jìn)行編碼,編碼結(jié)果如表2所示。編碼后,每一段海纜都有獨(dú)一無二的一個(gè)新編碼號(hào),新編碼號(hào)對(duì)應(yīng)的老編碼號(hào)表示的是該段海纜所帶的風(fēng)機(jī)數(shù)。新編碼號(hào)里蘊(yùn)含了該段海纜的位置以及與其他海纜的關(guān)系等信息。這些新編碼號(hào)所含規(guī)律有:①新編碼號(hào)數(shù)字都為1的海纜是主干海纜,有其他數(shù)字的都是分支海纜;②新編碼號(hào)位數(shù)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(hào)u出現(xiàn)m臺(tái)風(fēng)機(jī)停運(yùn)的情況可分為兩種,可以是某段帶m臺(tái)風(fēng)機(jī)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(shí)發(fā)生故障,其所帶風(fēng)機(jī)總數(shù)恰好為m臺(tái)。發(fā)生這種情況的概率為:式中:k為故障海纜數(shù)(故障海纜之間為非從屬關(guān)系);Q某段海纜故障會(huì)對(duì)其他海纜產(chǎn)生影響,以圖4的風(fēng)機(jī)串為例,當(dāng)海纜d(新編碼號(hào)為1111)故障時(shí),它的上一級(jí)電纜(新編碼號(hào)為1,11,111,即a,b,c)所流過的電流會(huì)減小7I,此時(shí)這些海纜的網(wǎng)損與無故障運(yùn)行時(shí)相比相應(yīng)減少;另外,海纜d所帶的風(fēng)機(jī)以及從屬于海纜d的所有海纜(新編碼號(hào)以1111開頭的所有海纜,即e,f,g,m,n,o)都將停止運(yùn)行,停運(yùn)損失為7Pt通過此種編碼方式,可以使得算法尋優(yōu)過程中,無論放射形結(jié)構(gòu)如何變化,都能計(jì)算出該饋線海纜的年網(wǎng)損期望值與停運(yùn)損失期望值。2.2資、維護(hù)及回收成本環(huán)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(huán)形連接的初始投資成本、維護(hù)成本,以及回收成本如式(1)所示。雖然環(huán)形連接可靠性高,但當(dāng)若干段海纜或斷路器發(fā)生故障時(shí),依然會(huì)導(dǎo)致部分風(fēng)機(jī)無法運(yùn)行。環(huán)形連接若干海纜發(fā)生故障導(dǎo)致m臺(tái)機(jī)組停機(jī)的概率為:其中,q環(huán)形連接網(wǎng)損可以表示為:式中:CC3計(jì)算模擬3.1風(fēng)機(jī)及變電站對(duì)福建某海域50臺(tái)3.6MW的風(fēng)機(jī),利用本文提出的方法對(duì)其中壓集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。風(fēng)機(jī)及變電站位置見附錄A圖A4,風(fēng)機(jī)前后間距在900m左右。中壓海纜電壓等級(jí)為35kV。海纜型號(hào)與價(jià)格按照設(shè)計(jì)院所提供的數(shù)據(jù),故障次數(shù)取為0.05次/(a·km),海纜故障每次修復(fù)時(shí)間為1000h3.2兩種連接方式的成本構(gòu)成本文采用單親遺傳算法來求解海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LCC模型,對(duì)放射形與環(huán)形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題分別采用了基于prim算法的最小生成樹技術(shù)(MST)和多旅行商問題解決思路(MTSP)分別對(duì)放射形連接和環(huán)形連接進(jìn)行優(yōu)化,得到了兩者基于LCC的最優(yōu)拓?fù)溥B接見附錄A圖A5與圖A6。兩種連接方式隨年累計(jì)成本曲線如圖3所示。從圖中可以看出,本案例環(huán)形連接的初始投資成本接近放射形連接的2倍,但是因?yàn)榄h(huán)形連接的可靠性遠(yuǎn)高于放射形連接,而且環(huán)形連接所用的海纜電阻小,運(yùn)行過程中的損耗低,因此環(huán)形連接的運(yùn)行維護(hù)成本要遠(yuǎn)低于放射形連接,當(dāng)運(yùn)行年數(shù)到達(dá)16年時(shí),兩種連接方式的累計(jì)成本持平,當(dāng)?shù)竭_(dá)該風(fēng)電場(chǎng)的壽命期限25年時(shí),環(huán)形連接的總成本低于放射形連接。因此,對(duì)于本案例的海上風(fēng)電場(chǎng)來說,附錄A圖A6所示的環(huán)形連接方式更加合適,并且隨著運(yùn)行年數(shù)的增加,環(huán)形連接的優(yōu)越性會(huì)更加明顯。圖4顯示了集電系統(tǒng)兩種連接方式的各項(xiàng)成本在LCC中的比重。可以看出,放射形連接的LCC構(gòu)成與環(huán)形連接差異明顯。在放射形連接中,由于其可靠性較低,停運(yùn)損失的占比最高,其次為初始投資和維修費(fèi)用。環(huán)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(yùn)損失很小。此外,環(huán)形連接所用海纜的截面大、電阻小,因此運(yùn)行過程中產(chǎn)生的網(wǎng)損也極小,其占比不足1%。3.3海纜故障對(duì)放射形連接的影響海纜故障率和單次維修成本都是導(dǎo)致放射形與環(huán)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(duì)兩種連接方式LCC的影響,結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5可以看出,海纜故障率變化對(duì)放射形連接的LCC影響很大,而對(duì)環(huán)形連接的影響十分小。當(dāng)海纜故障率降低約15%時(shí),即海纜故障次數(shù)降為0.043次/(a·km)或單次海纜維修時(shí)間降到850h時(shí),兩種連接方式的LCC持平,小于該值時(shí),從全壽命周期的角度看,放射形連接比環(huán)形連接更加有優(yōu)勢(shì)。從圖6可以看出,單次維修費(fèi)用變化對(duì)環(huán)形連接的影響大于放射形連接。當(dāng)單次維修用增加約18%,即達(dá)到236萬元/次時(shí),兩者的LCC持平,超過該值時(shí),從全壽命周期的角度看,則更適合使用放射形連接。4風(fēng)電場(chǎng)及其基礎(chǔ)設(shè)施本文針對(duì)放射形和環(huán)形兩種海上風(fēng)電場(chǎng)中壓集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立了其全壽命周期的總成本模型,并構(gòu)建了放射形連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變和環(huán)形結(jié)構(gòu)運(yùn)行方式多樣條件下的集電系統(tǒng)運(yùn)行成本與維護(hù)成本計(jì)算方法。通過分析一個(gè)典型的近海帶海上變電站的風(fēng)電場(chǎng),可得出以下結(jié)論。1)在現(xiàn)有海上電氣設(shè)備成本條件下,環(huán)形結(jié)構(gòu)在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行約16年之后相比放射形結(jié)構(gòu)更加有優(yōu)勢(shì)。2)當(dāng)海纜故障率超過0.043次/(a·km),或單次維修時(shí)間超過850h,或維修費(fèi)