一种考虑实时风速的海上风电场集电系统可靠性获取方法

摘要

本发明涉及一种考虑实时风速的海上风电场集电系统可靠性获取方法，包括以下步骤：S1：获取实时风速；S2：分别建立实时风速和风机实时出力的数学关系模型以及实时风速和风电机组实时故障率间的数学关系模型；S3：根据步骤S2中的数学关系模型，建立等效风电机组的实时可靠性模型，并确定海上风电场集电系统的实时可靠性指标；S4：获取海上风电场集电系统的拓扑结构和开关配置；S5：利用实时可靠性指标，获取相应的拓扑结构和开关配置下的实时可靠性参数数据，与现有技术相比，本发明具有准确性高、可信度高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统发电输电领域，尤其是涉及一种考虑实时风速的海上风电场集电系统可靠性获取方法。

背景技术

近年来能源枯竭、环境污染问题日益严峻，而新能源发电具有无污染、可持续等特点，其应用前景极为广阔。风能是清洁的可再生能源，大力开发可再生能源是合理调整电源结构的需要，也是国内能源发展战略的重要组成部分。而海上风电场是风力发电的研究热点和未来风能利用的重要方向。

相较陆上风电而言，海上风电具有三大优势：一是海上风速高，风速较为稳定，海上风力资源丰富，比陆地风力发电产能大；二是海上风电场靠近沿海用电负荷中心，可减少远距离输电成本；三是对环境负面影响较少，允许安装单机容量更大的风机，非常适合大规模开发。但海上风电场受海洋波浪流等因素影响，电气设备维护成本远高于陆上风电场。因此提高海上风电场可靠性，减小电量供应不足所带来的经济损失成为海上风电场建设的关键所在。与传统机组不同，为提高对海上风力的利用，海上风电场风机间的距离相对较远，一般先将若干台风机通过海上风电场集电系统连接在一条汇流母线上，再经由汇流母线与换流站相连。

目前，大多数海上风电场规模较小，电气系统连接结构简单，但随着海上风电场装机容量日益增加，风电场内部集电系统结构成为影响海上风电场可靠性的关键因素，风电场集电系统的拓扑连接结构主要取决于风电场规模大小和系统要求的可靠性水平。因此，有必要建立精确、完善的海上风电场集电系统的可靠性评估模型，以便更准确的衡量海上风电场的可靠性，并为选择海上风电场集电系统拓扑结构和开关配置提供参考。现有技术中，针对海上风电场的可靠性的研究中，关于风速对风电场出力影响的考虑较为简单，中国专利CN201910854244.9公开了一种计及风速季节特性及集电系统元件故障的海上风电场可靠性评估方法，虽然考虑了风速季节特性，但是没有考虑实时风速对海上风电机组故障率的影响，其可靠性评估结果准确度低、可信度不高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确度高、可信度高的考虑实时风速的海上风电场集电系统可靠性获取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑实时风速的海上风电场集电系统可靠性获取方法，包括以下步骤：

S1：获取实时风速；

S2：分别建立实时风速和风机实时出力的数学关系模型以及实时风速和风电机组实时故障率间的数学关系模型；

S3：根据步骤S2中的数学关系模型，建立等效风电机组的实时可靠性模型，并确定海上风电场集电系统的实时可靠性指标；

S4：获取海上风电场集电系统的拓扑结构和开关配置；

S5：利用实时可靠性指标，获取相应的拓扑结构和开关配置下的实时可靠性参数数据。

进一步地，所述的实时风速和风机出力的数学关系模型的表达式为：

其中，p

所述的实时风速和风电机组实时故障率间的数学关系模型的表达式为：

其中，λ

所述的等效风电机组的实时可靠性模型的表达式为：

λ

其中，λ

所述的海上风电场集电系统的实时可靠性指标的表达式为；

其中，ELGC

进一步地，所述的集电系统的拓扑结构包括链形拓扑结构、单边环形拓扑结构和双边环形，所述的集电系统的开关配置包括传统开关配置和完全开关配置。

所述的链形拓扑结构具体为：多台风电机组连接至公共馈线，多条馈线连接至汇流母线；

所述的单边环形拓扑结构具体为：设置一条回馈电线路，由各馈线末端风机连接至汇流母线，且冗余馈线上无开关；

所述的双边环形拓扑结构具体为：由放射形拓扑结构中相邻的馈线末端连接而成；

所述的传统开关配置具体为：仅在各集电支路与汇流母线连接处设置一个开关，其余各风机之间仅通过电缆相连接；

所述的完全开关配置具体为：在各集电支路与汇流母线连接处设有一个开关，同时在每台风机出口处设置两个负载开关，各风机与风机之间通过电缆和开关连接。

进一步地，所述的步骤S5中，采用解析法获取相应的拓扑结构和开关配置下的实时可靠性参数数据，所述的相应的拓扑结构和开关配置包括链形传统开关配置、链形传统完全配置、单边环形传统开关配置、单边环形完全开关配置、双边环形传统开关配置或双边环形完全开关配置，所述的可靠性参数数据包括等效输出功率和等效停运率。

所述的链形传统开关配置的等效输出功率的表达式为：

其中，k为故障风机数量，

所述的链形传统完全配置的等效输出功率的表达式为：

其中，q

所述的单边环形传统开关配置的等效输出功率的表达式为：

所述的单边环形完全开关配置的等效输出功率的表达式为：

其中，q

所述的双边环形传统开关配置的等效输出功率的表达式为：

所述的双边环形完全开关配置的等效输出功率的表达式为：

所述的等效风电机组实时处于故障状态的概率q

q

q

其中，q

更进一步优选地，为简化计算，假设各电缆和开关处于故障状态的概率都相同，记为q

q

q

其中，q

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明的方法考虑实时风速对海上风电机组故障率的影响，进一步精确风速对海上风电机组故障率的实时影响，同时考虑风电机组集电系统中电缆和开关的随机故障，考虑因素充分且符合实际海上风电场集电系统故障情况，通过本发明方法获取的可靠性参数准确度和可信度高；

2)本发明方法所建立的考虑风速影响的海上风电场集电系统实时可靠性模型，考虑多种海上风电场集电系统拓扑结构和开关配置，更加符合实际工程中海上风电场集电系统的可靠性模型，为海上风电场接入受端电网的可靠性评估提供了有效的计算参考标准，进一步提高可靠性参数的准确度和可信度。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明方法集电系统可靠性模型建立流程示意图；

图3为本发明中等效风电机组的电气接线图；

图4为本发明中海上风电场集电系统链形拓扑结构示意图；

图5为本发明中海上风电场集电系统单边环形拓扑结构示意图；

图6为本发明中海上风电场集电系统多边环形拓扑结构示意图；

图7为本发明中上风电场集电系统传统开关配置的结构示意图；

图8为本发明中上风电场集电系统完全开关配置的结构示意图。

其中，11、风力发电机，12、电缆线，13、箱式变压器，14、低压接触器，15、中压断路器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种考虑实时风速的海上风电场集电系统可靠性获取方法，用于对海上风电场的可靠性评估，包括以下步骤：

S1：获取实时风速；

S2：分别建立实时风速和风机实时出力的数学关系模型以及实时风速和风电机组实时故障率间的数学关系模型；

S3：根据步骤S2中的数学关系模型，建立等效风电机组的实时可靠性模型，并确定海上风电场集电系统的实时可靠性指标；

S4：获取海上风电场集电系统的拓扑结构和开关配置；

S5：利用实时可靠性指标，获取相应的拓扑结构和开关配置下的实时可靠性参数数据。

本发明所要解决的主要技术问题是考虑实时风速对海上风电机组输出功率的影响以及风电机组故障率的影响，考虑风电机组、集电系统开关、电缆随机故障下的海上风电集电系统实时可靠性模型，如图2所示，具体实施过程主要包括以下几步骤：

步骤1：建立实时风速和风机出力模型；

实时风速与功率关系公式为风速与功率关系的表达式为：

其中，p

步骤2：建立实时风速和风电机组故障率间的数学关系模型，其表达式为：

其中，β

步骤3：建立等值风电机组实时可靠性模型；

如图3所示，海上风力发电机组为垂直型布置，风力发电机11位于风机塔架顶端，出口电压为690V，通过电缆线12和低压接触器14与塔架基座上的箱式变压器13相连。箱式变压器13将电压升高至10kV或35kV后，通过中压断路器15连接到海上风电场内部集电系统，则等等效风电机组的故障率、修复率等参数可由下式计算得到：

λ

其中，λ

步骤4：定义海上风电集电系统的实时可靠性指标；

海上风电场中风力发电机组数量多，且单机容量小，其可靠性评估不同于传统的火、水电机组的可靠性评估方法。但若将一串或整个拓扑上的风机等效成一个常规发电机组，计算出它们等效输出功率，则可以按传统的模型和方法来评估海上风电场集电系统的可靠性。

假设同一时刻各风电机组风速相同，则由t时刻输出功率均为p

采用拓扑等效功率输出值ELGC

其中，ELGC

S5：采用解析法进行海上风电场集电系统各拓扑和开关配置的实时可靠性评估，获取海上风电场集电系统的实时可靠性参数数据，用于对海上风电场的可靠性评估。

本发明中所考虑的海上风电集电系统拓扑包括链形结构、单边环形结构及双边环形结构。如图4所示，海上风电场集电系统电气连接方式中，大多使用链形拓扑结构，该拓扑结构中多台风电机组连接至公共馈线，多条馈线连接至汇流母线。每条馈线可以连接的最大风电机组数取决于单台风电机组容量和单条馈线的最大传输容量。链形拓扑结构简单，工程造价低，但其可靠性较差。如图5所示，单边环形拓扑结构增加一条回馈电线路，从而可以显著提高集电系统可靠性。拓扑结构的复杂冗余提高了系统可靠性，但增加了集电系统工程造价。如图6所示，双边环形拓扑结构由放射形拓扑结构中相邻的馈线末端连接而成。双边环形拓扑结构对馈线传输容量的要求更高，因此将增加相应的工程造价。

本发明中所考虑的海上风电集电系统开关配置包括传统开关配置和完全开关配置。如图7所示，传统开关配置只在各集电支路与汇流母线连接处设有一个开关，其余地方的风机之间只通过电缆相连接。如图8所示，完全开关配置除各集电支路与汇流母线连接处设有一个开关外，每台风机出口处接有两个负载开关，风机与风机之间有电缆和开关连接。

(1)链形拓扑传统开关配置是只在链形的支路与汇流母线连接处设有一个开关，其余地方的风机之间只通过电缆相连接。由于链形拓扑传统开关配置中任何一条电缆和连接汇流母线的开关故障都将导致该集电系统内所有风机都将停运，因此只考虑当所有电缆及连接汇流母线开关均无故障的情况。

链形传统开关配置的等效输出功率ELGC

链形传统开关配置的等效停运率为

其中，q

(2)链形拓扑完全开关配置中，每台风机出口处接有两个负载开关S

评估这种结构拓扑的可靠性时，做以下简化：

①将电缆L

q

②将电缆L

q

其中i＝2，3，…n。

③为计算方便，令q

由开关完全配置的链式拓扑结构可得，当链形拓扑结构输出功率为(n-k)p

①电缆开关都正常，链形结构上k台风机故障；

②电缆L

③电缆L

其中①，②都是③的特殊情况，当计算拓扑结构不同输出功率的概率时候应该把这3种情况都考虑进去。

考虑开关S

链形完全开关配置的等效停运率为：

(3)单边环形拓扑传统开关配置下，与链形拓扑相比，当开关S

单边环形传统开关配置的等效输出功率为：

单边环形传统开关配置的等效停运率为：

(4)单边环形拓扑开关完全配置下，为简化计算，假设各电缆和开关处于故障状态的概率都相同，记为q

q

而与汇集母线相连的等效开关组仅有一个开关相连，因此，与汇集母线相连的等效开关组处于故障状态的概率q

q

当电网中有风机出现故障时，可能出现风机故障或电缆和开关故障两种情况。由于环形拓扑结构的特殊性，当电路中只有一节电缆故障时，电路仍能输出全部功率，但当有两节电缆故障时，风电机组都将无法工作。当风机故障，开关和电缆对电路不造成影响时，根据期望受阻电力不变原则，可得风机故障时该拓扑的输出功率期望值，即：

当电缆和开关发生故障，使得部分风机无法正常工作时，需要对开关和电缆做出具体区分。因开关对电缆具有保护作用，只有一处电缆故障时不会对整个电路输出造成影响，而任意一个开关故障将导致其保护的风机无法工作。再根据故障开关个数进行分类：

1、有一个开关故障时，可以分为两个汇流母线连接处开关中的一个故障或者n-1个不与汇流母线直接连接的电缆故障。因此，此时的等效输出功率为：

2、有两个开关故障时,假设集电系统中有k(k＝2,3,…n)个风机故障，其中处于两个故障开关间的风机数量为x(x＝2,3,…,k)，此时等效输出功率为：

三个开关及以上故障发生概率较小可以忽略，因此单边环形开关完全配置的拓扑等效输出功率为：

单边环形开关完全配置的拓扑等效停运率为：

(5)双边环形拓扑传统开关配置下，与单边环形拓扑相比，单边环形通过冗余电缆提高其可靠性，冗余电缆上无开关，而双边环形由放射形拓扑结构中相邻的馈线末端连接而成，因此不仅需要考虑电缆也要考虑相临馈线的开关故障。

因此双边环形传统开关配置下等效输出功率为：

双边环形传统开关配置下等效停运率为：

(6)与单边环形类似，开关完全配置下，当风机故障，开关和电缆对电路不造成影响时，根据期望受阻电力不变原则，可得风机故障时该拓扑的输出功率期望值，即：

当电缆和开关发生故障，使得部分风机无法正常工作时，需要对开关和电缆做出具体区分。因开关对电缆具有保护作用，只有一处电缆故障时不会对整个电路输出造成影响，而任意一个开关故障将导致其保护的风机无法工作。再根据故障开关个数进行分类：

1、只有一个开关故障时，可以分为两个汇流母线连接处开关中的一个故障或者n-1个不与汇流母线直接连接的电缆故障，因此，此时的等效输出功率：

2、有两个开关故障时,假设集电系统中有k(k＝2,3,…n)个风机故障，其中处于两个故障开关间的风机数量为x(x＝2,3,…,k)，此时等效输出功率为：

三个开关及以上故障发生概率较小可以忽略，因此双边环形开关完全配置的拓扑等效输出功率为：

双边环形开关完全配置的拓扑等效停运率为：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。