格式网与链状网汇集风电功率能力的比较

刘连光，韩龙艳，蒋智化，刘自发

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市102206)

0 引言

格式网结构的配电网因其供电可靠性高，容许接入的电源数量多，在国外的低压城市配电网中得到了广泛的应用［1］，由于格式网建设的投资大，在我国的电网建设中很少采用。随着人们对电网供电可靠性关注的提高，采用新原理、新模式的配电网建设问题成为了研究课题。可否借鉴低压格式网思路构建高压格式网，文献［2］提出了构建设想与研究建议。在高压格式网的应用上，除了负荷集中、配变多的城市电网外，集中式风电场的集电网和太阳能光伏电站的集电网以及远距离输电的送受端的电网都可作格式网的应用对象来研究。针对构建10kV或35kV格式网模式的风电场集电网，本文提出研究高压格式网的评估模型与集电能力。

在风电场集电网的设计上，常见的风电场集电网包括放射网、环网和星形网3种［3-4］。这些结构的风电场集电网存在可靠性不高、汇集功率小、冗余不足等问题，为此人们对风电场集电网的结构、接线等开展了很多研究［5-7］。目前链状和树状网是大型风电场集电网的典型结构［8-9］。集中式的风电场是否可以采用高压格式网技术构建集电网，引出了包括集电能力、建设经济性和格式网的保护等很多需要研究、解决的问题。本文提出研究建立格式网风电场集电网的拓扑结构和停运模型，分析格式网和链状风电场集电网的停运率指标以及2种模式集电网的停运率和集电能力，对比分析格式网集电网和链状集电网的电缆投资和电量收益，希望能为格式网风电场集电网的建设和高压格式网的应用打下基础。

1 格式网模式的风电场集电网

链状网结构如图1所示。在链状风电场集电网中，通常是通过10kV或35kV电缆将若干台风电机组连接成“串”，再把若干个风电机组电缆“串”接到风电场功率汇集母线上。链状网存在的主要问题是，1条电缆线路连接的风电机组的数量不能太多，否则，一旦电缆某处发生了故障，尤其是靠近汇集母线处发生了故障，可能造成整条电缆的风电机组脱网，影响风电机组功率的正常送出。树状结构的风电场集电网也存在相同的问题。

图1 链状集电网Fig.1 Radial power collection grid

格式网最主要的特点是具有极高的供电可靠性，网内的电缆发生故障不会影响电源及设备的正常供用电［2］。基于格式网允许接入电源的数量多、供电可靠性高的特点，本文构建的格式网结构的风电场集电网如图2所示。由图2可以看出，格式网结构的集电网适合大量电源的密集接入，并且能保证网内的任何1台风电机组都有多个路径与接入系统的变压器相连接，能弥补链状或树状网存在的接入机组数量受限的不足，从而提高集电网汇集的功率，更利于风电功率平稳地接入系统。

图2 格式网集电网Fig.2 Meshed power collection grid

2 格式网集电网的停运模型

为对格式网集电网进行量化评价，提出建立集电网的停运模型，评估集电网的停运率。

2.1 风电机组停运模型

风力发电机组的内部接线如图3所示，包括风力发电机1、低压接触器2、塔筒内电缆3、风机出口箱式变压器4、中压断路器5和负荷开关6，这些元件构成的风电机组接线如图3所示。风电机组通过单机单变，将出口电压由690 V升高至10kV或35kV接入风电场集电网，多数为35kV［10］。

图3 风力发电机组接线Fig.3 Connection of a wind turbine generator

当元件1～5发生故障时，风电机组将停运。因此，可将元件1～5看作元件组停运模型［11］，由此可得风电机组的停运率为

式中:qWTG为风电机组的停运率;q1～q5为元件1～5的停运率。

2.2 格式网集电网的停运模型

为了突出格式网集电网的停运率这一重点问题，本文在建模的过程中做如下假设:

(1)所建格式网为m×n网格，其中，m，n均为正整数;

(2)停运模型只考虑单一故障;

(3)风机型号相同。

根据风电机组系统中所接负荷开关数量的不同，可将风电机组分成角位置的风电机组、T位置的风电机组和十字交叉处的风电机组，下面分别考虑这3类风电机组的停运率。

(1)角位置风电机组:角位置风电机组的负荷开关数量为2，接入网的接线如图4所示。其中，并联电缆是指连接2条链上风电机组的电缆，串联电缆是指1条链上连接相邻风电机组的电缆。角位置风电机组停运包括2种情形，第1种是风电机组停运，第2种是L1和S1至少1个停运，并且L2和S2至少1个停运，由此可得角位置风电机组的停运率为

式中:Q角为角位置风电机组的停运率;qL为L1和L2的停运率;q6为S1和S2的停运率。

图4 角位置风电机组接入网接线图Fig.4 Access network wiring diagran of angle-situated wind turbine generator

(2)T位置风电机组:T位置风电机组的负荷开关数量为3，接入电网的接线如图5所示(图中未标出风电机组内部元件)。同理，T位置风电机组停运也包括2种情况，第1种情况是风电机组停运，第2种情况是L1和S1至少1个停运，同时L2和S2至少1个停运，并且L3和S3至少1个停运，可得T位置风电机组停运率为

式中:QT为T位置风电机组的停运率;qL为L1～L3的停运率;q6为S1～S3的停运率。

(3)十字交叉处风电机组:十字交叉处风电机组的负荷开关数量为4，接入电网接线如图6所示，可得十字交叉处风电机组的停运率为

式中:Q十字为十字交叉处风电机组的停运率;qL为L1～L4的停运率;q6为S1～S4的停运率。

2.3 2种集电网的停运率指标

图5 T位置风电机组接入网接线图Fig.5 Access network wiring diagram of T-situated wind turbine generator

图6 十字风电机组接入网接线图Fig.6 Access network wiring diagram of crossed wind turbine generator

根据风电机组运行数据［12-13］以及文献［14］链状集电网的停运率计算公式，设每台风电机组的有功出力均为P，可计算2种集电网的停运率指标。对链状集电网取一个电缆“串”的前7台机组进行计算分析，对一个电缆“串”按末端机组的编号为G1依次向母线侧编号。对格式网集电网取角位置风电机组、T位置风电机组和十字交叉处风电机组计算分析。通过计算，得到链状集电网和格式网集电网的停运率指标分别见表1和表2。

表1 链状集电网的停运率指标Tab.1 Outage rate index of radial power collection grid

表2 格式网集电网的停运率指标Tab.2 Outage rate index of meshed power collection grid

由表1可看出，越是靠近集电网接入系统母线，风电机组的停运率越高，停运等效容量也越高，电量不足期望值也越大，表明链状集电网中靠近母线侧故障会造成其后的风电机组的停运。由表2可以看出，在格式网模式的集电网中，3类风电机组的停运率近似相等，停运等效容量均为单机有功出力P，表明格式网结构的集电网中风电机组的停运不会相互影响，可提高机组接入的可靠性。

为了更客观地比较2种结构的风电场集电网的停运率以及格式网的集电网接纳更多数量电源的有效性，将链状和格式网集电网电量不足期望值折算至单台风电机组，可得到链状集电网的等效电量不足期望值为3 164.861P，而格式网结构的集电网的电量不足期望值为694.42P。由此可见，链状集电网的等效电量不足期望值约为格式网结构集电网的4.6倍，该数据从另一角度验证了格式网结构的风电场集电网的可靠性以及格式网结构的风电场集电网可接纳数量更多的风电机组以及其他类型的电源，例如风电储能系统的有效性。

3 集电网的集电能力

利用建立的格式网和链状集电网停运模型，考虑集电网实际参数，计算接入机组变化对集电网电压电流的影响，评估集电网的集电能力。

3.1 集电能力计算条件

针对图1和图2这2种结构的风电场集电网，根据风电场的实际参数［15-16］以及本文建立的2种集电网的停运模型，利用MATLAB/Simulink可搭建2种集电网的数值仿真计算模型，从而可计算接入的机组数量对集电网电压和电流的影响，进而评价风电场集电网的集电能力。在本文的计算中，设图1和图2电网的系统母线为无穷大母线，按照风电场风电机组南北向间距按0.5 km布置，以及东西向间距按1 km布置计算集电网布线电缆的阻抗，风电机组为普通感应发电机定速风电机组，系统母线电压为110kV，集电网母线电压为35kV，2电网都接有机组容量相同的16台风电机组，每台风电机组的容量为2MW，风电场风速采用典型的风速时间序列数据［17］，计算中考虑风速随时间的变化。

3.2 集电能力仿真分析

依据计算条件和仿真模型，通过计算正常运行方式和典型故障情况下，2种集电网母线上的电压电流水平，可比较分析2种集电网的集电能力。通过计算，在正常运行方式下，得到的格式网和链状集电网母线的电压、电流水平曲线如图7所示。由图7可知:在正常运行方式下，2种集电网母线的电压、电流水平近似一致，输出近似相同的风电功率。

图7 2种集电网的正常运行曲线Fig.7 Operating curves of two power collection grids in normal state

由于集电网的电缆故障占集电网总故障的37%［18-19］。因此，本文主要对集电网的电缆故障进行计算仿真研究。仿真起始时间设置为0，终止时间设置为20 s，采用变步长Ode23tb算法;设仿真开始第5 s时，在靠近母线侧的1条集电网电缆中点处发生各种类型的短路故障，并在5.08 s时切除故障电缆，计算各种故障和故障切除前后集电网母线的电压电流水平。对链状集电网，三相短路切除前后电压电流单相值计算结果如图8所示。

由图1和图8可知，对链状集电网，由于由1条电缆线路的首端断路器切除故障，故障点下游的4台机组被同时切除以及接入系统变压器阻抗的作用，在故障切除后，集电网母线的电压升高，集电网的工作电流减小，因此链状集电网电缆故障，造成风电场的出力下降。链状集电网的可靠性差，影响集电网的集电能力。

图8 链状集电网的故障前后运行曲线Fig.8 Operating curves of radial power collection grid before and after the fault being cut off

由图2可看出，对于格式网结构的集电网，由于任何一台风电机组都有多个路径送出功率，在技术上保证电缆故障不影响风电机组，因此仿真计算结果表明，网内电缆故障切除前后的集电网母线电压电流的变化与图7中实线电压电流吻合，表明网内电缆故障不影响风电机组，格式网集电网的集电能力强，更有利于风电功率的平稳输出。但格式网和链式集电网短路电流水平的计算结果表明，格式网集电网的短路电流比链状集电网的更大。

3.3 电缆投资与电量收益

同链状集电网相比，同等规模的格式网集电网的投资成本主要体现在纵向电缆的投资上，包括电缆的价格和敷设费用等。而相应地，由于格式网集电网的高可靠性，在不考虑多重故障同时发生的情况下，格式网集电网的电量收益较高。为突出格式网集电网的投资、收益水平，本文选择比较格式网集电网与链状集电网的投资、收益的差值。

(1)电缆投资差值。对集电电缆的造价［9］取均值，可得电缆单价和电缆敷设费用分别为1 286.375元/m以及371.625元/m，而实例中风电场南北风机间距为0.5 km，可得电缆投资差值函数(单位万元)为

(2)电量收益差值。结合实例中的2MW普通感应发电机定速风电机组，链状集电网的集电电缆发生故障时所造成的电量缺失计算公式如下(单位MW):

式中t为某链上集电电缆的平均修复时间(以年为计量单位)。借鉴相关运行数据［14］，取风机间电缆的平均修复时间为880 h，风电场东西向风电机组间距为1 km，取风电上网价格为600元/(MW·h)［20］，可得电量效益差值函数(单位万元)为

结合实例中4×4布局的32MW的风电场数据，以年为计量单位，可得格式网集电网与链状集电网的投资收益差值比较结果如表3所示。

表3 电缆投资与电量收益比较Fig.3 Comparison of cable investment and power income

由表3可知，格式网集电网的电缆投资成本高于链状集电网，需多投入994.8万元的资金，但是基于格式网集电网的高可靠性，格式网集电网的年电量收益比链状集电网的年电量收益多1 056万元。总体而言，格式网集电网仍可获得收益61.2万元，投资前景良好。

4 结论

(1)风电接入系统和风电储能的应用需要新原理新模式的集电网。本文提出了一种格式网结构的风电场集电网，建立了格式网和链状网结构的风电场集电网的停运模型，对比研究了格式网和链状网集电网的停运率指标，得到了链状集电网的等效电量不足期望值是格式网集电网的4.6倍等结论，证明了格式网集电网可接纳的电源数量更多。

(2)低压格式网已在欧美很多国家的城市配电网中广泛采用，但高压的格式网还有很多问题需要研究。本文利用建立的集电网模型和实际风电场参数，计算研究了2种集电网电缆故障切除前后汇集母线的电压和电流水平，结果表明，格式网集电网汇集的功率更大，承载风电机组功率波动的能力也更强，更有利于风电功率的平稳送出。通过对比本文实例中格式网和链状集电网的电缆投资与电量收益，得出格式网集电网可获得收益61.2万元，投资前景良好的结论。

(3)与链式网的集电网相比，格式网模式的风电场集电网不仅是一个新事物，也是一种极复杂的配电网，尤其高压的格式网缺少运行经验。本文仿真案例的机组数量不多，考虑的集电网的规模不大，并且只是对格式网集电网建模、接纳电源的能力问题进行了初步研究，由于格式网集电故障和工作电流大，因此格式网结构的集电网的保护配置以及限制短路电流等问题都是有待研究的新课题。

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