[发明专利]海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法

摘要

本发明公开了一种海上风电场集电系统拓扑结构设计方案的综合评估方法，结合拓扑结构的经济性评估和可靠性评估两个方面，可根据评估人员的要求调整两方面所占比重，用于对比海上风电场集电系统的多个设计方案。为方便评估多个海上风电场集电系统设计方案，本方法以百分制和权重的形式对设计方案进行评分；在成功构建海上风电场集电系统经济性模型和可靠性模型之后，对设计方案的经济成本进行预估，并通过分析故障情况计算可靠性指标；最后根据评估人员所需权重比例分别计算相对的经济性得分和可靠性得分，从而获得综合评估得分。该得分可直观反映多个集电系统设计方案的优劣性，为工程设计提供参考。

主权项

1.一种海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，其特征在于：首先对海上风电场集电系统的经济成本进行分析，从而建立集电系统拓扑结构的经济性模型，对海上风电场集电系统进行成本预估；然后基于传统火力发电，将海上风电场的复杂拓扑结构简单化，采用解析法分析故障情况，进行可靠性建模；经济性建模包括：海上风电场集电系统的经济成本主要包括投资和损失，具体又可以分为建造投资成本、运营维护成本和故障损失这三大类；建造投资成本主要是指集电系统建造时期投入的总成本，包括施工人员费用、主要材料的投资费用、施工用水用电费用、运输费用；施工人员的总费用计算如公式(1)所示：式(1)中Cper为施工人员总费用，Nper代表施工人员的种类数，Pi代表第i类员工的每小时需支付的费用，Ti代表该类员工需要工作的小时数，Yi代表该类员工需要的总数；集电系统的主要材料的投资费用计算公式如(2)所示：Cmat＝Cwtg+Cline+Cswt+Cstation+Celse     (2)式(2)中Cmat代表集电系统的主要材料投资费用，Cwtg是指风力发电价及其配套箱式变压器的投资以及建造成本，由公式(3)计算所得；Cwtg＝(Pwtg+Cinst)*Nwtg    (3)Pwtg代表每台风力发电价及其箱式变压器的单价，Nwtg代表该海上风电场中风力发电价的数目，Cinst代表风力发电价的安装施工建造单价，式(2)中Cline为海底电缆的投资成本，该投资成本中又可分为高压海底电缆投资成本，记为CHV；以及中压海底电缆投资成本，记为CMV；由公式(4)计算所得；Cline＝CHV+CMV    (4)式中的高压海底电缆投资成本为高压海底电缆的铺设长度L与每单位长度的成本PHV乘积，如式(5)；CHV＝PHV*L   (5)中压海底电缆投资成本为各型号海缆成本的总和，计算公式如(6)所示；式中Nl代表中压海底电缆的不同型号总数，pj代表该型号中压海缆的单价，包括海缆单价和铺设备用，lj代表该型号中压海缆的铺设长度；式(2)中的Cswt代表开关设备所需要的投资成本，在选定开关配置方式后首先需要统计所需开关设备的数量Nswt，并选定所用开关设备的型号；由式(7)计算所得；式中Pswt为开关设备单价；Cswt＝Nswt*Pswt      (7)式(3)中的Cstation为海上升压站的建造总成本，Celse指的是其他所需材料的投资成本；海上风电场的运营和维护成本主要包括运营时线路上造成的电能损耗所带来的损失Clinelose，以及维护海上风电场正常工作所花费的维护费Cmaint用两大部分；运营损失的费用可由(8)计算所得：Clinelose＝π*Tonline*Xlose     (8)其中π代表上网电价(元/kw·h)，Toniine代表该海上风电场上网的生命周期，即预期工作的总时间(h)，Xlose代表每单位时间内产生的线路损耗(kw·h)；集电系统的维护费用的预估为：式中Mline(j)表示j型号的海缆平均每年每单位长度的维护费用，Mswt为每个开关设备每年预计的维护费用，Mwtg为每个风力发电价平均每年的维护费用，Year为该海上风电场预计的运营年数；故障损失的计算为：Clost＝π*EENS*1000    (10)Clost是海上风电场的故障损失，EENS是年电力不足期望值(MW·h/a)；基于上述成本建立的海上风电场集电系统经济性模型如式(11)所示；Ctotal＝Cper+Cmat+Cele&wat+Ctrans+Clinelose+Cnaint+Clost     (11)；Cele&wat为施工用水、用电的费用，Ctrans为运输费用；对电力系统的可靠性建模采用先简化电力系统再使用解析法的方式对集电系统进行可靠性建模；集电系统的内部元件有很多，为了简化问题，只考虑风力发电价、箱式变压器以及海缆馈线以及传统型开关配置方式下的开关，这四类元件的可靠度，并以此作为标准进行可靠性分析；Aw表示风力发电价的可用度，Uw表示风力发电价的不可用度，At表示箱式变压器的可用度，Ut表示箱式变压器的不可用度，Af表示馈线海缆的可用度，Uf表示馈线海缆的不可用度，Asw表示开关的可用度，Usw表示开关的不可用度；集电系统树型拓扑结构的可靠性模型：共有相同型号的风力发电价n台，其中第一根馈线上的风力发电价数用N1表示，第二根馈线上的风力发电价数目用N2表示，该型号的输出功率记为Pw，以及馈线两根，开关一个；该风力发电价串在正常状态下可看做一台输出功率为nPw传统发电机组；由于海上风电机及其箱式变压器目前都是配套出现，其可靠度可用Awt代替；与Aw和At的关系为：Awt＝AwAt和Uwt＝1‑AwAt在有两根馈线海缆的情况下，集电系统的故障状态有以下5种：1)第一种故障情况是两根馈线和开关均正常工作，馈线上的风力发电价可能出现故障状态；第一根馈线上的故障风力发电价数为x，第二跟馈线上的故障风力发电价数目为y；出现该类故障的概率Ps1为：式中x的取值范围是：[0，N1]；y的取值范围是：[0，N2]；该状态下的发电损失量为：(x+y)Pw；因此该状态的ELGC为：2)第二种故障情况是第一根馈线故障，第二根馈线正常工作，开关也无故障出现，出现风力发电价故障的数目同情况1)一样；出现该类故障的概率Ps2为：式中x的取值范围是：[0，N1]；y的取值范围是：[0，N2]；该状态下的发电损失量为：(x+N2)Pw；因此该状态的ELGC为：3)第三类故障情况是，第二根馈线故障，第一根馈线正常工作，开关也无故障出现，出现风力发电价故障的数目同情况1)一样出现该类故障的概率Ps3为：式中x的取值范围是：[0，N1]；y的取值范围是：[0，N2]；该状态下的发电损失量为：(N1+y)Pw；因此该状态的ELGC为：4)第四类故障情况是两根馈线均故障，此时所有风力发电价的发电量均无法输出；出现该类故障的概率Ps4为：式中x的取值范围是：[0，N1]；y的取值范围是：[0，N2]；该状态下的发电损失量为：(N1+N2)Pw；因此该状态的ELGC为：5)第五类故障情况是开关出现故障，此时同情况四相同，所有的风力发电价的发电量均无法输出；出现该类故障的概率Ps5为：式中x的取值范围是：[0，N1]；y的取值范围是：[0，N2]；该状态下的发电损失量为：(N1+N2)Pw；因此该状态的ELGC为：整个树型拓扑结构的发电量损失期望值ELGC为：