[发明专利]一种考虑海缆实际载流量的集电系统拓扑优化方法

说明书

一种考虑海缆实际载流量的集电系统拓扑优化方法，包括以下步骤：采用模糊聚类算法，将风机划分到数个子区域中；在子区域内部，只考虑海底直埋敷设，对分区内部海缆出厂标定载流量进行修正，得到实际稳态载流量，并通过算法得到拓扑结构，选择合适海缆规格；在馈线部分，分别考虑海底直埋敷设、J型管敷设、空气敷设三种敷设环境，选择满足三种敷设环境载流量约束的海缆规格，并且考虑到馈线根数对修正系数的影响，对每个子区域电流汇入的升压站进行选择；根据海缆选型结果，计算风电场内拓扑总成本。本发明能够以海缆实际稳态载流量作为选择海缆规格的依据，避免了因海缆规格不合适引起的热击穿故障或线芯不能充分利用导致的成本上升。

技术领域

本发明涉及海上风电场电气汇集系统设计领域，具体涉及一种考虑海缆实际载流量的集电系统拓扑优化方法。

背景技术

截至2020年底，全球风电累计装机容量761GW，陆上风电仍是主导，装机容量为726GW，海上风电仅有35GW；而海上较陆地具有风速大、静风期少的风能资源，且在我国更靠近经济发达地区，海上风电具有广阔的发展前景。而集电系统作为海上风电场的重要组成部分，其建设成本占海上风电场一次投资的15％-30％，优化海缆拓扑结构，可以大大降低风电场的一次投资。

由于集电系统拓扑求解是一个NP-hard问题，无法直接对其进行求解，目前常用的方法是借助以FCM算法将风机群划分到不同子区域中，随后再以成本最低为目标函数，通过算法得到子区域内拓扑最优解，最后对子区域汇入升压站的海缆(馈线)进行优化。

出于安全考虑，整条线路一般使用的是同一规格的海缆，并且不采用中间接头，因此海缆载流量瓶颈区段是选择海缆截面规格的关键，需要计算海缆不同区段稳态载流量，根据最小载流量约束进行海缆选型。

集电系统包括连接分区内部风机的海底电缆和连接风机、海上升压站的馈线，由图2可知，子区域内部风机之间的海缆敷设环境只有海底直埋敷设，载流量计算较为简单；而连接风机和海上升压站的馈线会存在海底直埋敷设、J型管敷设以及空气敷设三种敷设环境，载流量计算较为复杂。此前有文献根据国际电工委员会IEC 60287标准开发三芯电缆载流量计算软件，计算研究表明，其他条件相同时，不同截面的电缆载流量修正系数差别不大，因此可以根据实际敷设情况，通过同一修正系数对不同截面电缆载流量进行更正。为了求得不同环境下的电缆实际稳态载流量，IEC 60502标准针对不同导致载流量变化的影响因素进行了仿真计算，得到了常见影响因素的修正系数，包括环境温度、热阻系数等。

除此之外，海底直埋敷设和J型管敷设时，海缆间距较大，可以不考虑海缆之间发热影响，也就忽略了海缆根数对海缆实际稳态载流量的影响。而在空气敷设时，由于海缆之间间距不大，不能忽略海缆根数对海缆实际稳态载流量的影响。但是馈线根数和载流量之间存在耦合问题，这是因为存在同一子区域引出两根馈线并列敷设的情况。

并且在多升压站的大规模海上风电场中，此前设计方案只能将子区域电流通过馈线汇入距离该子区域最近的升压站，导致不同升压站接入馈线数目差距较大，以至于连接不同升压站的馈线修正系数差距较大。而考虑修正系数后，距离不再是决定子区域电流汇入哪一升压站的唯一因素，存在“舍近求远”连接接入馈线数目较少升压站的可能，使不同升压站连接子区域数量接近。

发明内容

针对现有技术问题，本发明提供一种考虑海缆实际载流量的集电系统拓扑优化方法，该方法能够以海缆实际稳态载流量作为选择海缆规格的依据，避免了因海缆规格不合适引起的热击穿故障或者线芯不能充分利用导致的成本上升的弊端。

本发明采取的技术方案为：

一种考虑海缆实际载流量的集电系统拓扑优化方法，包括以下步骤：

步骤一：采用模糊聚类算法，将风机划分到数个子区域中；

步骤二：在子区域内部，只考虑海底直埋敷设，对分区内部海缆出厂标定载流量进行修正，得到实际稳态载流量，并通过算法得到拓扑结构，选择合适海缆规格；