CN103324854A

CN103324854A - 海上风电场集电可靠性评估方法与

Info

Publication number: CN103324854A
Application number: CN2013102593276A
Authority: CN
Inventors: 王钤; 曾杰; 盛超; 陈晓科; 杨汾艳; 孙闻; 赵艳军; 唐景星; 张跃; 付聪; 云雷
Original assignee: South China University of Technology SCUT; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: South China University of Technology SCUT; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种海上风电场集电***可靠性评估方法与***，以拓扑等效停运率作为可靠性指标，综合考虑电缆、开关、风机等电气故障对拓扑可靠性的影响，对基于树形接线的开关传统配置和完全配置方案下的集电***进行了可靠性评估，对集电***的工程设计与研究有一定的参考价值，对估算集电***不同配置方案下的经济性成本和故障机会成本具有指导意义。

Description

海上风电场集电***可靠性评估方法与***

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，特别是涉及一种海上风电场集电***可靠性评估方法与***。

背景技术

与陆上风电相比，海上风电具有风速高，年利用小时数大，不占用陆地土地资源等优势，近年来在全球范围内发展迅速。和陆地风电场相似，在海上风电场中，风力发电机发出电能经集电***收集并传输到变电站，经过升压后并入电网。海上风电场集电***是连接风机和电网的关键部分，其内部故障将会严重影响风电场的出力并可能影响电网的安全运行。同时海上风电场集电***设备众多，其运行维护成本和故障维修时间都远高于陆上风电场，对可靠性有着更高的要求，因此研究整个集电***的可靠性对电网和整个海上风电场经济可靠运行都有着很重要的意义。

拓扑可靠性受集电***开关配置方案的影响，目前，对风电场集电***开关配置方案进行了较多研究，但是只是对集电***不同开关配置方案下经济性成本和故障机会成本进行简单的计算和分析，未给出集电***开关传统配置和完全配置方案下的可靠性评估的模型和算法。此外，并未对电缆、开关以及风电机组等电气故障对拓扑可靠性的影响进行深入研究。目前使用的以EENS指标和ELGC指标评估拓扑可靠性的方法，可靠性评估模型不够精确，且没有综合考虑各种电气故障对拓扑可靠性的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种海上风电场集电***可靠性评估方法与***，以对海上风电场集电***的可靠性进行评估。

一种海上风电场集电***可靠性评估方法，包括步骤：

将由n台风机构成的海上风电场当做一台等效容量为nP_N的机组，所述P_N为每台风机的额定功率；

依据所述等效容量nP_N，计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下，综合考虑电缆、开关和风机电气故障的等效输出功率EX；

依据所述等效输出功率EX计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下拓扑等效停运率Q_n。

一种海上风电场集电***可靠性评估***，包括;

容量确定单元，用于将由n台风机构成的海上风电场当做一台等效容量为nP_N的机组，所述P_N为每台风机的额定功率；

输出功率确定单元，用于依据所述等效容量nP_N，计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下，综合考虑电缆、开关和风机电气故障的等效输出功率EX；

停运率确定单元，用于依据所述等效输出功率EX计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下拓扑等效停运率Q_n。

本发明海上风电场集电***可靠性评估方法与***，以拓扑等效停运率Q_n作为可靠性指标，综合考虑电缆、开关、风机等电气故障对拓扑可靠性的影响，对基于树形接线的开关传统配置和完全配置方案下的集电***进行了可靠性计算，给出了具体的可靠性评估方法，对集电***的工程设计与研究有一定的参考价值，对估算集电***不同配置方案下的经济性成本和故障机会成本具有指导意义。

附图说明

图1为海上风电场机电***接线拓扑示意图；

图2为本发明海上风电场集电***可靠性评估方法流程示意图；

图3为海上风电场集电***树形接线传统开关配置方案示意图；

图4为海上风电场集电***树形接线完全开关配置方案示意图；

图5为本发明海上风电场集电***可靠性评估***的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

海上风电场的集电***接线拓扑图如图1所示，该拓扑图采用树形接线方式，由升压站和风机组成，图中每个点的标号是风机的编号。

本发明针对风电***的特点，以拓扑等效停运率Q_n(优选地还以年电力不足期望值EENS为可靠性指标)为可靠性指标，综合考虑电缆、开关、风机等电气故障对拓扑可靠性的影响来计算拓扑可靠性指标。集电***开关配置方案将影响拓扑可靠性，且不同的集电***开关配置方案，对于集电***开关传统配置和完全配置2种开关配置方案，可靠性评估的流程相同，模型和计算方法则不相同，下面分别进行介绍。

本发明海上风电场集电***可靠性评估方法，如图2所示，包括步骤：

步骤S101、将由n台风机构成的海上风电场当做一台等效容量为nP_N的机组，所述P_N为每台风机的额定功率；

步骤S102、依据所述等效容量nP_N，计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下，综合考虑电缆、开关和风机电气故障的等效输出功率EX；

步骤S103、依据所述等效输出功率EX计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下拓扑等效停运率Q_n。

经过上述步骤评估出的可靠性是以等效停运率为指标的可靠性，作为一个优选的实施例，还可以结合年电力不足期望值来指示可靠性。具体地，依据所述等效容量和所述等效停运率Q_n计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下拓扑年电力不足期望值EENS。

下面针对两种不同的开关配置方案，分别介绍等效停运率Q_n和电力不足期望值EENS的模型推导过程。

基于树形接线形式的传统开关配置方案如图3所示，该拓扑上接有n台风机，编号分别为G₁、G₂…G_n，相互间分别通过电缆L₁,L₂…L_n相连接，树形支路与汇流母线连接处有开关S₁。该方案中风机与风机之间只有电缆进行连接，开关设备仅安装在集电电缆接入汇流母线入口处。图中对风电机组进行了简化，风电机组的低压开关和升压箱式变压器等并没有显示在图中。

针对海上风电场集电***传统开关配置，可按如下步骤得到拓扑可靠性指标：

（1）对于一个由n台风机构成的海上风电场，可以把n台风机构成的海上风电场看成一台“等效容量”为nP_N的机组。

（2）假设风机的故障率为q，n条电缆故障率分别为

其中风机故障率包括了风力发电机、开关、箱变等设备的故障率；在传统开关配置方案的拓扑中，任何一条电缆故障或者开关故障都会造成整条链上的风机都无法向电网输出功率，由串联原则可以知道，拓扑电缆和开关都正常工作的概率为：

q_{LS} = (1 - q_{S 1}) Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})

式中：

为电缆L_i的故障率，q_S1为开关S₁的故障率。

（3）在电缆和开关均正常工作的前提下，风力发电机组的故障是相互独立的，由概率论可以知道拓扑中有k台风机故障的概率为

此时线路输出的功率为(n-k)P_N，其中k为范围从0～n的整数。

（4）根据期望受阻电力不变原则，可得该拓扑在考虑风机故障情况下的输出功率的期望值：

EX = (1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})

式中：n为风机的台数，P_N为风机的额定功率，

为电缆L_i的故障率，q_S1为开关S₁的故障率，q为风机故障率，q=0时为不考虑风机故障率。

（5）由下式得到该拓扑的等效停运率Q_n为：

Q_{n} = 1 - \frac{EX}{n P_{N}} = 1 - \frac{(1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})}{n P_{N}}

（6）由下式得到该拓扑的年电力不足期望值EENS为：

EENS＝nP_N·Q_n·8760

基于树形接线开关完全配置方案如图4所示，该拓扑上接有n台风机，编号分别为G₁、G₂…G_n，相互间分别通过电缆L₁,L₂…L_n相连接，风机间连接电缆都装有开关，电缆L_i上装有开关S_i。将风机G_i、以及上游所有与风机G_i相连的开关和下游与风机G_i相连的电缆L_i看作一个整体元件I，整体元件I中任意一个元件故障都会造成整体元件I故障，同时整体元件I故障不会影响到上游风机的正常工作，但会导致下游所有风机停运。图中对风电机组进行了简化，风电机组的低压开关和升压箱式变压器等并没有显示在图中。

针对海上风电场集电***开关完全配置，可按如下步骤得到拓扑可靠性指标：

（2）对于编号为i的风机，如果其为拓扑末端的风机，其对应的等效停运率为：

Q_{1} = 1 - (1 - q_{L_{i}}) (1 - q)

式中，

为风机i上游电缆L_i的故障率，q为风电机组的故障率，当不考虑风机故障时q=0。

（3）如果风机i不是末端风机，设风机i有下游风机m台，其下游分支总数为b（包括风机i本身也算一条下游分支），下游分支j上的风机数为k_j台，且有

把风机i下游的m台风机看成一台“等效容量”为mP_N机组，

为风机i下游所有分支损失的等效总负荷，可以看成容量为mP_N的风机因故障所损失的电量；那么根据期望受阻电力不变原则，拓扑中对风机i处等效输出功率EX为：

EX = (m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} P_{N} Q_{k_{j}}) \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}})

式中，

为风机i的上游分支j中k_j台风电机组串联结构的等效停运率，

为风机i上游连接电缆L_i的故障率，

为风机i与下游分支j间连接开关S_ij的故障率，P_N为风机的额定功率。

（4）把风机i上游的m台风机看成一台等效容量为mP_N风机，由下式可以得到风机i对应的等效停运率Q_m：

Q_{m} = 1 - \frac{EX}{m P_{N}} = 1 - \frac{(m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} Q_{k_{j}})}{m P_{N}} \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}})

式中，Q_m是风机i上游把m台风机看成一台等效容量为mP_N风机的等效停运率，可以由

迭代计算得到，当n=1时，Q₁可以由

计算得到

（5）根据风电场等效容量nP_N和等效停运率Q_n，由下式得到该拓扑的年电力不足期望值EENS为：

EENS＝nP_N·Q_n·8760

本发明海上风电场集电***可靠性评估***，是与上述评估方法对应的***，如图5所示，包括;

作为一个优选的实施例，依据所述等效容量和所述等效停运率Q_n计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下拓扑年电力不足期望值EENS。

作为一个优选的实施例，若海上风电场集电***的开关配置方案为传统配置方案，则所述等效输出功率EX的计算公式为：

EX = (1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})

式中，q_S1表示树形支路与汇流母线之间的开关S₁的故障率，

表示电缆L_i的故障率，k表示故障风机的台数，q表示风机的故障率；

若海上风电场集电***的开关配置方案为完全配置方案，则所述等效输出功率EX的计算公式为：

EX = (m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} P_{N} Q_{k_{j}}) \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}})

式中，m表示拓扑非末端风机i下游的风机台数，b表示拓扑非末端风机i下游分支总数，k_j表示拓扑非末端风机i下游分支j上的风机台数，

表示拓扑非末端风机i的上游分支j中k_j台风电机组串联结构的等效停运率，为拓扑非末端风机i上游连接电缆L_i的故障率，

为拓扑非末端风机i与下游分支j间连接开关S_ij的故障率。

作为一个优选的实施例，若海上风电场集电***的开关配置方案为传统配置方案，则所述等效停运率Q_n的计算公式为：

Q_{n} = 1 - \frac{EX}{n P_{N}} = 1 - \frac{(1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})}{n P_{N}}

若海上风电场集电***的开关配置方案为完全配置方案，则所述等效停运率Q_n的计算公式为：

Q_{n} = \{\begin{matrix} Q_{1} = 1 - (1 - q_{L_{i}}) (1 - q) \\ Q_{m} = 1 - \frac{EX}{m P_{N}} = 1 - \frac{(m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} Q_{k_{j}})}{m P_{N}} \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}}) \end{matrix}

Q₁表示拓扑末端风机对应的等效停运率，Q_m表示拓扑非末端风机对应的等效停运率。

作为一个优选的实施例，所述年电力不足期望值EENS为：

EENS＝nP_N·Q_n·8760。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种海上风电场集电***可靠性评估方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的海上风电场集电***可靠性评估方法，其特征在于，

依据所述等效容量和所述等效停运率Q_n计算海上风电场集电***传统开关配置和完全开关配置方案下拓扑年电力不足期望值EENS。

3.根据权利要求1或2所述的海上风电场集电***可靠性评估方法，其特征在于，

若海上风电场集电***的开关配置方案为传统配置方案，则所述等效输出功率EX的计算公式为：

EX = (1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})

式中，q_S1表示树形支路与汇流母线之间的开关S₁的故障率，表示电缆L_i的故障率，k表示故障风机的台数，q表示风机的故障率；

EX = (m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} P_{N} Q_{k_{j}}) \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}})

表示拓扑非末端风机i的上游分支j中k_j台风电机组串联结构的等效停运率，

为拓扑非末端风机i上游连接电缆L_i的故障率，

为拓扑非末端风机i与下游分支j间连接开关S_ij的故障率。

4.根据权利要求3所述的海上风电场集电***可靠性评估方法，其特征在于，

若海上风电场集电***的开关配置方案为传统配置方案，则所述等效停运率Q_n的计算公式为：

Q_{n} = 1 - \frac{EX}{n P_{N}} = 1 - \frac{(1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})}{n P_{N}}

Q_{n} = \{\begin{matrix} Q_{1} = 1 - (1 - q_{L_{i}}) (1 - q) \\ Q_{m} = 1 - \frac{EX}{m P_{N}} = 1 - \frac{(m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} Q_{k_{j}})}{m P_{N}} \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}}) \end{matrix}

5.根据权利要求2所述的海上风电场集电***可靠性评估方法，其特征在于，所述年电力不足期望值EENS为：

EENS＝nP_N·Q_n·8760。

6.一种海上风电场集电***可靠性评估***，其特征在于，包括;

7.根据权利要求6所述的海上风电场集电***可靠性评估方法***，其特征在于，

8.根据权利要求6或7所述的海上风电场集电***可靠性评估***，其特征在于，

EX = (1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})

EX = (m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} P_{N} Q_{k_{j}}) \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}})

为拓扑非末端风机i与下游分支j间连接开关S_ij的故障率。

9.根据权利要求8所述的海上风电场集电***可靠性评估***，其特征在于，

Q_{n} = 1 - \frac{EX}{n P_{N}} = 1 - \frac{(1 - q_{S 1}) (1 - Π_{i = 1}^{n} (1 - q_{L_{i}})) (Σ_{k = 0}^{n} (n - k) P_{N} \cdot C_{n}^{k} q^{k} {(1 - q)}^{n - k})}{n P_{N}}

Q_{n} = \{\begin{matrix} Q_{1} = 1 - (1 - q_{L_{i}}) (1 - q) \\ Q_{m} = 1 - \frac{EX}{m P_{N}} = 1 - \frac{(m P_{N} - Σ_{j = 1}^{b} k_{j} Q_{k_{j}})}{m P_{N}} \cdot (1 - q_{L_{i}}) \cdot Π_{j = 1}^{b} (1 - q_{S_{ij}}) \end{matrix}

10.根据权利要求7所述的海上风电场集电***可靠性评估***，其特征在于，所述年电力不足期望值EENS为：

EENS＝nP_N·Q_n·8760。