海上风电场内部集电系统拓扑设计

2016-03-11赵卓立许志荣

电源技术 2016年4期

关键词：集电性能指标功率因数

尹旭，杨苹，赵卓立，许志荣

(华南理工大学电力学院，广东广州510641)

海上风电场内部集电系统拓扑设计

尹旭，杨苹，赵卓立，许志荣

(华南理工大学电力学院，广东广州510641)

在分析现有海上风电场集电系统典型拓扑结构的基础上，运用Matlab/Simulink搭建集电系统拓扑模型对其进行分析；综合考虑集电系统的经济性能与电气性能，提出综合评价集电系统综合性能的指标，据此设计综合性能指标最优的集电系统拓扑，验证了所提出的集电系统综合性能指标的有效性，为海上风电场工程设计人员提供有重要价值的参考。

海上风电场；集电系统拓扑；电气性能；经济性能；Matlab/Simulink

海上风电场由风力机组、集电系统、升压站、海底电缆和开关设备组成。其中，海上风电场集电系统由电缆和开关设备组成，将风电场内部风电机组通过一定的方式连接起来，主要起来汇集电能的作用，是海上风电场的重要组成部分。目前，海上风电场集电系统的建设成本已占整个海上风电场建设成本的15%～30%[1]，对海上风电场集电系统的研究已经成为当前海上风电领域的一个重要课题。随着海上风电场越来越大型化，风电场内部的风机数目越来越多，海上风电场集电系统的拓扑结构也越来复杂，而不同的集电系统结构对整个海上风电场的电气和经济性能影响不一，已经成为相关风电场设计人员不得不考虑的问题。

已有一些国内外学者对集电系统电气特性及经济性能进行了相关研究，文献[2]运用PSS/E工具包对海上风电场的几种集电系统拓扑的容量损耗进行了分析，然而并未讨论分析集电系统其他电气性能指标；文献[3]以规划中的东海大桥海上风电场为例，讨论了其内部接线系统的不同设计方案，运用Matlab/Simulink工具分析在单个风速下变电站母线电压、输电功率因数和有功损耗等，但是未考虑风电机组切入风速至额定风速范围内相关电气性能指标变化趋势；文献[4-5]对几种集电系统拓扑进行了经济性能分析，但并未考虑其电气损耗对成本带来的影响。

本文运用Matlab/Simulink工具包搭建了海上风电场集电系统拓扑的电气模型，并考虑不同拓扑结构下海底电缆选型所带来的电气参数变化，仿真分析了风电机组切入风速至额定风速范围内海上风电场集电系统的电压偏差、有功损耗和输电功率因数等电气性能指标的变化。在此基础上，提出评价海上风电场集电系统拓扑结构性能的综合性能指标，对集电系统的拓扑进行优化设计。

图1 5种海上风电场集电系统拓扑

1 海上风电场集电系统拓扑

目前，海上风电场内部集电系统拓扑结构分为链形(放射型)、环形(单边环形、双边环形、复合环形、多边环形)和树形三种形式[3-6]，如图1所示。5种拓扑结构中除链形结构和树形结构为无备用接线方式外，其余全为有备用接线方式，构建冗余备用线路固然能提高风电场的发电可靠性，但需要较多价格昂贵的海底电缆和中压开关设备，所需增加额外投资成本较高。

2 集电系统电气特性分析

本文以某海上风电场为例对其集电系统电气性能进行分析，该海上风电场单台风机容量为2.5 MW，集电系统电压等级为35 kV。风机安装按照5×4排列，即每行5台风机，共4行，同一行相邻风机距离为0.5 km，行间距为1 km。

主要从电压偏差、有功损耗、输电功率因数等3个电气指标对海上风电场5种集电系统拓扑进行电气性能比较分析。其中，电压偏差是升压站端实际电压偏离额定值，出现过电压(偏高)或低电压(偏低)现象。其数学表达式为，其中为升压站实际电压，为其额定电压。电压偏差过高将严重影响电力系统稳定性。

输电功率因数(PF)是海上风电场集电系统输送到升压站有功功率和视在功率的比值，反映了集电系统输电效率的高低。若输电功率因数过小，表明输电过程中交换的无功功率大，线路损失大。有功损耗是指海上风电场集电系统内部风电机组发出的有功功率总和与海上风电场集电系统送到升压站的有功功率之间的差值，是集电系统内部电缆上的有功消耗，是海上风电场集电系统的输电能力的指标之一，可以客观地反映出各种拓扑结构下的集电系统的输电能力。

不同拓扑的电缆额定容量规划不尽相同，因此系统建模需要考虑到电缆选型问题，本文搭建电气模型时所参考的海底电缆参数如表1所示。

表1 26 kV/35 kV海底电缆主要参数

对该风电场实例下的5种集电系统拓扑进行仿真分析，在风电机组输电功率因数0.98(假设风电机组控制性能较好)的情况下，将风速从3 m/s逐渐调节至12 m/s(额定风速)，得到不同风速下各集电系统拓扑的电气性能数据。

5种集电系统拓扑下海上风电场电压偏差随风速变化特性如图2所示，电压偏差随着风速的增大而增大，主要原因是随着风速增加，风电机组输出功率增加，线路电流增加，从而导致电压偏差增加，额定风速时电压偏差最大值1.6%，远小于标准规定的上限10%。不同拓扑结构下的电压偏差几乎相等。

5种集电系统拓扑下海上风电场输电功率因数随风速变化特性如图3所示，5种拓扑的输电功率因数均随风速增大而增大，且不断逼近风电机组的功率因数0.98，主要原因是低风速时风电机组有功出力较小，输电电缆无功所占比例较大，从而使得海上风电场输电功率因数较低，随着风电机组有功出力增大，输电电缆的无功对整个海上风电场的输电功率因数影响变小。其中，链形拓扑的输电功率因数在低风速的情况下最高，风速不低于8 m/s时5种拓扑结构的输电功率因数十分接近，可知随着风速的增加，海上风电场升压站端功率因数受集电系统拓扑影响逐渐减少。

5种集电系统拓扑下海上风电场有功损耗随风速变化特性如图4所示，随着风速的增加，5种拓扑结构的有功损耗均明显增大，出现这一趋势的主要原因是随着风电机组出力增大，流过输电电缆的电流增大，从而导致线路损耗增大。

图2 5种拓扑结构的电压偏差比较

图3 5种拓扑结构输电功率因数比较

图4 5种拓扑结构的有功损耗比较

由图4可知，树形拓扑下的风电场有功损耗最大，链形拓扑的有功损耗次之，双边环形拓扑的有功损耗最小。额定风速下各集电系统拓扑的有损耗如表2所示。

表2 额定风速下5种拓扑结构有功损耗

以上分析结果表明，集电系统拓扑结构不同主要影响海上风电场的有功损耗，集电系统的电压偏差和输电功率因数受拓扑结构影响较少。

3 集电系统综合性能评估模型

在对集电系统进行综合性能评估时，必须考虑两个方面的问题，一是建设成本，即建立集电系统时的花费；二是损失成本，包括两个部分：海上风电场正常运行时的功率损失，海上风电场发生故障时风机不能正常发电所造成的损失。基于这两个方面的考虑，建立集电系统的综合性能评估模型。

3.1 建设成本

影响拓扑结构建设成本的因素主要是两个，一是中压电缆的长度和规格，二是中压开关设备的数量。因此，可以建立投资成本模型：

3.2 损失成本

集电系统在输送电能时存在有功损耗，相当于风电场在正常工况下损失了应得的收入，同时海底电缆发生故障时造成一部风机不能正常发电，相当于风电场在故障维修期间损失了相应的应得收入，这两部分损失之和构成了集电系统的损失成本。

对于链形拓扑和树形拓扑，由于没有采用冗余设备，可靠性较低，一旦链上电缆，开关出现故障，整条链将停运，造成风机所发出电能均不能送出。因此，对于链形和树形拓扑，其单条链正常工况的概率为：

由于环形拓扑在某段电缆发生故障的情况下可以通过断开两侧的开关而使电缆两端的风电机能够继续正常发电，电能输出不受任何影响，则海上风电场年损失发电量为：

整个生命周期内，海上风电场损失成本为：

集电系统综合性能指标：

式中：σ为加权系数，用来评估综合评价指标中建设成本所占比重。

4 集电系统优化设计

在提出集电系统综合性能评估模型的基础上，对海上风电场实例的几种集电系统拓扑进行评估，据此给出综合性能指标最优的集电系统拓扑。目前，中压断路器开关柜成本的典型值为30万元/个，各电缆截面对应的造价和施工成本如表3所示。

表3 各电缆截面对应造价及施工成本

借鉴国外海上风电场运行经验数据[7]，集电系统主要元件的故障率及维修时间如表4所示。

表4 集电系统主要元件的故障率及维修时间

当加权系数在0～1之间变化时，5种集电系统拓扑经济性能如图5所示，当σ小于0.5时，综合性能指标主要考虑损失成本，此时链形拓扑和树形拓扑的综合性能指标高于环形拓扑；随着σ的增加，链形拓扑和树形拓扑的综合性能指标逐渐降低，环形拓扑的综合性能指标逐渐增加；当σ=1时，综合性能指标只考虑建设成本，环形拓扑由于存在冗余开关设备和海底电缆，其综合性能指标高于链形拓扑和树形拓扑。

图5 加权系数变化时5种集电系统拓扑综合性能比较

取典型加权系数为0.5时，对该海上风电场实例的5种集电系统拓扑综合性能分析得出结果，如表5所示，尽管链形拓扑和树形拓扑无冗余开关和电缆，其建设成本远低于环形拓扑，但其可靠性较低易发生故障，损失成本的增加使得其综合性能指标高于环形拓扑，三种环形拓扑结构中，双边环形拓扑的综合性能指标最优。

由此可以得出，双边环形拓扑由于可靠性高且损失成本比链形和树形拓扑低，冗余设备少，从而建设成本低于其他两种环形拓扑，因此本文所给出的最优拓扑为双边环形拓扑。

表5 5种集电系统拓扑下综合性能指标比较

5 结论

本文运用Matlab/Simulink搭建了海上风电场集电系统的拓扑模型，仿真分析表明几种集电系统拓扑的电压偏差和输电功率因数均相差不大，主要差异在于有功损耗。在考虑建设成本以及损失成本的基础上，提出综合考虑电气性能和经济性能的综合性能指标，比较5种集电系统拓扑结构的综合性能指标优劣，进行集电系统拓扑优化设计。优化设计结果表明，双边环形拓扑可靠性高，损失成本低，冗余设备少，建设成本低，为集电系统最佳设计拓扑。

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[4]王建东，李国杰.海上风电场内部电气系统布局经济性对比[J].电力系统自动化，2009，33(11)：99-103.

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图3 使用刻蚀前后铝集流体的实验电池的循环伏安曲线

3 结论

通过对锂离子电池集流体铝箔表面进行直流刻蚀处理，改善了集流体的界面状态，活性材料与铝集流体表面相互“啮合”，增强了活性材料与集流体的接触性能。LiFePO4正极0.2和2首次放电比容量分别由133和87 mAh/g升高到139和120 mAh/g，循环稳定性、电化学阻抗等性能得到了改善。

图4 使用刻蚀前后铝集流体的实验电池正极的交流阻抗谱

参考文献：

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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

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