海上風(fēng)電場內(nèi)部集電系統(tǒng)拓撲設(shè)計

尹 旭，楊 蘋 ，趙卓立，許志榮

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510641)

海上風(fēng)電場內(nèi)部集電系統(tǒng)拓撲設(shè)計

尹 旭，楊 蘋 ，趙卓立，許志榮

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510641)

在分析現(xiàn)有海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)典型拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運用Matlab/Simulink搭建集電系統(tǒng)拓撲模型對其進行分析；綜合考慮集電系統(tǒng)的經(jīng)濟性能與電氣性能，提出綜合評價集電系統(tǒng)綜合性能的指標，據(jù)此設(shè)計綜合性能指標最優(yōu)的集電系統(tǒng)拓撲，驗證了所提出的集電系統(tǒng)綜合性能指標的有效性，為海上風(fēng)電場工程設(shè)計人員提供有重要價值的參考。

海上風(fēng)電場；集電系統(tǒng)拓撲；電氣性能；經(jīng)濟性能；Matlab/Simulink

海上風(fēng)電場由風(fēng)力機組、集電系統(tǒng)、升壓站、海底電纜和開關(guān)設(shè)備組成。其中，海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)由電纜和開關(guān)設(shè)備組成，將風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)電機組通過一定的方式連接起來，主要起來匯集電能的作用，是海上風(fēng)電場的重要組成部分。目前，海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的建設(shè)成本已占整個海上風(fēng)電場建設(shè)成本的15%～30%[1]，對海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為當前海上風(fēng)電領(lǐng)域的一個重要課題。隨著海上風(fēng)電場越來越大型化，風(fēng)電場內(nèi)部的風(fēng)機數(shù)目越來越多，海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)也越來復(fù)雜，而不同的集電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對整個海上風(fēng)電場的電氣和經(jīng)濟性能影響不一，已經(jīng)成為相關(guān)風(fēng)電場設(shè)計人員不得不考慮的問題。

已有一些國內(nèi)外學(xué)者對集電系統(tǒng)電氣特性及經(jīng)濟性能進行了相關(guān)研究，文獻[2]運用PSS/E工具包對海上風(fēng)電場的幾種集電系統(tǒng)拓撲的容量損耗進行了分析，然而并未討論分析集電系統(tǒng)其他電氣性能指標；文獻[3]以規(guī)劃中的東海大橋海上風(fēng)電場為例，討論了其內(nèi)部接線系統(tǒng)的不同設(shè)計方案，運用Matlab/Simulink工具分析在單個風(fēng)速下變電站母線電壓、輸電功率因數(shù)和有功損耗等，但是未考慮風(fēng)電機組切入風(fēng)速至額定風(fēng)速范圍內(nèi)相關(guān)電氣性能指標變化趨勢；文獻[4-5]對幾種集電系統(tǒng)拓撲進行了經(jīng)濟性能分析，但并未考慮其電氣損耗對成本帶來的影響。

本文運用Matlab/Simulink工具包搭建了海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓撲的電氣模型，并考慮不同拓撲結(jié)構(gòu)下海底電纜選型所帶來的電氣參數(shù)變化，仿真分析了風(fēng)電機組切入風(fēng)速至額定風(fēng)速范圍內(nèi)海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的電壓偏差、有功損耗和輸電功率因數(shù)等電氣性能指標的變化。在此基礎(chǔ)上，提出評價海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)性能的綜合性能指標，對集電系統(tǒng)的拓撲進行優(yōu)化設(shè)計。

圖1 5種海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓撲

1 海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓撲

目前，海上風(fēng)電場內(nèi)部集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)分為鏈形(放射型)、環(huán)形(單邊環(huán)形、雙邊環(huán)形、復(fù)合環(huán)形、多邊環(huán)形)和樹形三種形式[3-6]，如圖1所示。5種拓撲結(jié)構(gòu)中除鏈形結(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)為無備用接線方式外，其余全為有備用接線方式，構(gòu)建冗余備用線路固然能提高風(fēng)電場的發(fā)電可靠性，但需要較多價格昂貴的海底電纜和中壓開關(guān)設(shè)備，所需增加額外投資成本較高。

2 集電系統(tǒng)電氣特性分析

本文以某海上風(fēng)電場為例對其集電系統(tǒng)電氣性能進行分析，該海上風(fēng)電場單臺風(fēng)機容量為2.5 MW，集電系統(tǒng)電壓等級為35 kV。風(fēng)機安裝按照5×4排列，即每行5臺風(fēng)機，共4行，同一行相鄰風(fēng)機距離為0.5 km，行間距為1 km。

主要從電壓偏差、有功損耗、輸電功率因數(shù)等3個電氣指標對海上風(fēng)電場5種集電系統(tǒng)拓撲進行電氣性能比較分析。其中，電壓偏差是升壓站端實際電壓偏離額定值，出現(xiàn)過電壓(偏高)或低電壓(偏低)現(xiàn)象。其數(shù)學(xué)表達式為，其中為升壓站實際電壓，為其額定電壓。電壓偏差過高將嚴重影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

輸電功率因數(shù)(PF)是海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)輸送到升壓站有功功率和視在功率的比值，反映了集電系統(tǒng)輸電效率的高低。若輸電功率因數(shù)過小，表明輸電過程中交換的無功功率大，線路損失大。有功損耗是指海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率總和與海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)送到升壓站的有功功率之間的差值，是集電系統(tǒng)內(nèi)部電纜上的有功消耗，是海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的輸電能力的指標之一，可以客觀地反映出各種拓撲結(jié)構(gòu)下的集電系統(tǒng)的輸電能力。

不同拓撲的電纜額定容量規(guī)劃不盡相同，因此系統(tǒng)建模需要考慮到電纜選型問題，本文搭建電氣模型時所參考的海底電纜參數(shù)如表1所示。

表1 26 kV/35 kV海底電纜主要參數(shù)

對該風(fēng)電場實例下的5種集電系統(tǒng)拓撲進行仿真分析，在風(fēng)電機組輸電功率因數(shù)0.98(假設(shè)風(fēng)電機組控制性能較好)的情況下，將風(fēng)速從3 m/s逐漸調(diào)節(jié)至12 m/s(額定風(fēng)速)，得到不同風(fēng)速下各集電系統(tǒng)拓撲的電氣性能數(shù)據(jù)。

5種集電系統(tǒng)拓撲下海上風(fēng)電場電壓偏差隨風(fēng)速變化特性如圖2所示，電壓偏差隨著風(fēng)速的增大而增大，主要原因是隨著風(fēng)速增加，風(fēng)電機組輸出功率增加，線路電流增加，從而導(dǎo)致電壓偏差增加，額定風(fēng)速時電壓偏差最大值1.6%，遠小于標準規(guī)定的上限10%。不同拓撲結(jié)構(gòu)下的電壓偏差幾乎相等。

5種集電系統(tǒng)拓撲下海上風(fēng)電場輸電功率因數(shù)隨風(fēng)速變化特性如圖3所示，5種拓撲的輸電功率因數(shù)均隨風(fēng)速增大而增大，且不斷逼近風(fēng)電機組的功率因數(shù)0.98，主要原因是低風(fēng)速時風(fēng)電機組有功出力較小，輸電電纜無功所占比例較大，從而使得海上風(fēng)電場輸電功率因數(shù)較低，隨著風(fēng)電機組有功出力增大，輸電電纜的無功對整個海上風(fēng)電場的輸電功率因數(shù)影響變小。其中，鏈形拓撲的輸電功率因數(shù)在低風(fēng)速的情況下最高，風(fēng)速不低于8 m/s時5種拓撲結(jié)構(gòu)的輸電功率因數(shù)十分接近，可知隨著風(fēng)速的增加，海上風(fēng)電場升壓站端功率因數(shù)受集電系統(tǒng)拓撲影響逐漸減少。

5種集電系統(tǒng)拓撲下海上風(fēng)電場有功損耗隨風(fēng)速變化特性如圖4所示，隨著風(fēng)速的增加，5種拓撲結(jié)構(gòu)的有功損耗均明顯增大，出現(xiàn)這一趨勢的主要原因是隨著風(fēng)電機組出力增大，流過輸電電纜的電流增大，從而導(dǎo)致線路損耗增大。

圖2 5種拓撲結(jié)構(gòu)的電壓偏差比較

圖3 5種拓撲結(jié)構(gòu)輸電功率因數(shù)比較

圖4 5種拓撲結(jié)構(gòu)的有功損耗比較

由圖4可知，樹形拓撲下的風(fēng)電場有功損耗最大，鏈形拓撲的有功損耗次之，雙邊環(huán)形拓撲的有功損耗最小。額定風(fēng)速下各集電系統(tǒng)拓撲的有損耗如表2所示。

表2 額定風(fēng)速下5種拓撲結(jié)構(gòu)有功損耗

以上分析結(jié)果表明，集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)不同主要影響海上風(fēng)電場的有功損耗，集電系統(tǒng)的電壓偏差和輸電功率因數(shù)受拓撲結(jié)構(gòu)影響較少。

3 集電系統(tǒng)綜合性能評估模型

在對集電系統(tǒng)進行綜合性能評估時，必須考慮兩個方面的問題，一是建設(shè)成本，即建立集電系統(tǒng)時的花費；二是損失成本，包括兩個部分：海上風(fēng)電場正常運行時的功率損失，海上風(fēng)電場發(fā)生故障時風(fēng)機不能正常發(fā)電所造成的損失?；谶@兩個方面的考慮，建立集電系統(tǒng)的綜合性能評估模型。

3.1 建設(shè)成本

影響拓撲結(jié)構(gòu)建設(shè)成本的因素主要是兩個，一是中壓電纜的長度和規(guī)格，二是中壓開關(guān)設(shè)備的數(shù)量。因此，可以建立投資成本模型：

3.2 損失成本

集電系統(tǒng)在輸送電能時存在有功損耗，相當于風(fēng)電場在正常工況下?lián)p失了應(yīng)得的收入，同時海底電纜發(fā)生故障時造成一部風(fēng)機不能正常發(fā)電，相當于風(fēng)電場在故障維修期間損失了相應(yīng)的應(yīng)得收入，這兩部分損失之和構(gòu)成了集電系統(tǒng)的損失成本。

對于鏈形拓撲和樹形拓撲，由于沒有采用冗余設(shè)備，可靠性較低，一旦鏈上電纜，開關(guān)出現(xiàn)故障，整條鏈將停運，造成風(fēng)機所發(fā)出電能均不能送出。因此，對于鏈形和樹形拓撲，其單條鏈正常工況的概率為：

由于環(huán)形拓撲在某段電纜發(fā)生故障的情況下可以通過斷開兩側(cè)的開關(guān)而使電纜兩端的風(fēng)電機能夠繼續(xù)正常發(fā)電，電能輸出不受任何影響，則海上風(fēng)電場年損失發(fā)電量為：

整個生命周期內(nèi)，海上風(fēng)電場損失成本為：

集電系統(tǒng)綜合性能指標：

式中：σ為加權(quán)系數(shù)，用來評估綜合評價指標中建設(shè)成本所占比重。

4 集電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

在提出集電系統(tǒng)綜合性能評估模型的基礎(chǔ)上，對海上風(fēng)電場實例的幾種集電系統(tǒng)拓撲進行評估，據(jù)此給出綜合性能指標最優(yōu)的集電系統(tǒng)拓撲。目前，中壓斷路器開關(guān)柜成本的典型值為30萬元/個，各電纜截面對應(yīng)的造價和施工成本如表3所示。

表3 各電纜截面對應(yīng)造價及施工成本

借鑒國外海上風(fēng)電場運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)[7]，集電系統(tǒng)主要元件的故障率及維修時間如表4所示。

表4 集電系統(tǒng)主要元件的故障率及維修時間

當加權(quán)系數(shù)在0～1之間變化時，5種集電系統(tǒng)拓撲經(jīng)濟性能如圖5所示，當σ小于0.5時，綜合性能指標主要考慮損失成本，此時鏈形拓撲和樹形拓撲的綜合性能指標高于環(huán)形拓撲；隨著σ的增加，鏈形拓撲和樹形拓撲的綜合性能指標逐漸降低，環(huán)形拓撲的綜合性能指標逐漸增加；當σ=1時，綜合性能指標只考慮建設(shè)成本，環(huán)形拓撲由于存在冗余開關(guān)設(shè)備和海底電纜，其綜合性能指標高于鏈形拓撲和樹形拓撲。

圖5 加權(quán)系數(shù)變化時5種集電系統(tǒng)拓撲綜合性能比較

取典型加權(quán)系數(shù)為0.5時，對該海上風(fēng)電場實例的5種集電系統(tǒng)拓撲綜合性能分析得出結(jié)果，如表5所示，盡管鏈形拓撲和樹形拓撲無冗余開關(guān)和電纜，其建設(shè)成本遠低于環(huán)形拓撲，但其可靠性較低易發(fā)生故障，損失成本的增加使得其綜合性能指標高于環(huán)形拓撲，三種環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)中，雙邊環(huán)形拓撲的綜合性能指標最優(yōu)。

由此可以得出，雙邊環(huán)形拓撲由于可靠性高且損失成本比鏈形和樹形拓撲低，冗余設(shè)備少，從而建設(shè)成本低于其他兩種環(huán)形拓撲，因此本文所給出的最優(yōu)拓撲為雙邊環(huán)形拓撲。

表5 5種集電系統(tǒng)拓撲下綜合性能指標比較

5 結(jié)論

本文運用Matlab/Simulink搭建了海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的拓撲模型，仿真分析表明幾種集電系統(tǒng)拓撲的電壓偏差和輸電功率因數(shù)均相差不大，主要差異在于有功損耗。在考慮建設(shè)成本以及損失成本的基礎(chǔ)上，提出綜合考慮電氣性能和經(jīng)濟性能的綜合性能指標，比較5種集電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的綜合性能指標優(yōu)劣，進行集電系統(tǒng)拓撲優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計結(jié)果表明，雙邊環(huán)形拓撲可靠性高，損失成本低，冗余設(shè)備少，建設(shè)成本低，為集電系統(tǒng)最佳設(shè)計拓撲。

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圖3 使用刻蝕前后鋁集流體的實驗電池的循環(huán)伏安曲線

3 結(jié)論

通過對鋰離子電池集流體鋁箔表面進行直流刻蝕處理，改善了集流體的界面狀態(tài)，活性材料與鋁集流體表面相互“嚙合”，增強了活性材料與集流體的接觸性能。LiFePO4正極0.2和2首次放電比容量分別由133和87 mAh/g升高到139和120 mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性、電化學(xué)阻抗等性能得到了改善。

圖4 使用刻蝕前后鋁集流體的實驗電池正極的交流阻抗譜

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Design of internal collection grid topology for offshore wind farm

on the basis of the analysis of existing collection grid topologies for offshore wind farm，several collection grid topologies simulation model were built based on Matlab/Simulink，and each topology was analyzed.Considering the economics and electrical properties of collection grid，the comprehensive indicators of collection grid performance were proposed.The collection grid topology with optimal comprehensive performance was designed， providing important reference for offshore wind farm project designers.

offshore wind farm;collection grid topology;electrical performance;economic performance;Matlab/Simulink

TM 614

A

1002-087 X(2016)04-0826-04

2015-09-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)(SS2014-AA052001)；國家自然科學(xué)基金項目(61273172)；廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)項目(2012A032300013)

尹旭(1990—)，男，湖南省人，碩士研究生，主要研究方向為新能源電力系統(tǒng)。