海上風電場內部集電系統拓撲設計

尹 旭，楊 蘋 ，趙卓立，許志榮

(華南理工大學電力學院，廣東廣州510641)

海上風電場內部集電系統拓撲設計

尹 旭，楊 蘋 ，趙卓立，許志榮

(華南理工大學電力學院，廣東廣州510641)

在分析現有海上風電場集電系統典型拓撲結構的基礎上，運用Matlab/Simulink搭建集電系統拓撲模型對其進行分析；綜合考慮集電系統的經濟性能與電氣性能，提出綜合評價集電系統綜合性能的指標，據此設計綜合性能指標最優的集電系統拓撲，驗證了所提出的集電系統綜合性能指標的有效性，為海上風電場工程設計人員提供有重要價值的參考。

海上風電場；集電系統拓撲；電氣性能；經濟性能；Matlab/Simulink

海上風電場由風力機組、集電系統、升壓站、海底電纜和開關設備組成。其中，海上風電場集電系統由電纜和開關設備組成，將風電場內部風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，是海上風電場的重要組成部分。目前，海上風電場集電系統的建設成本已占整個海上風電場建設成本的15%～30%[1]，對海上風電場集電系統的研究已經成為當前海上風電領域的一個重要課題。隨著海上風電場越來越大型化，風電場內部的風機數目越來越多，海上風電場集電系統的拓撲結構也越來復雜，而不同的集電系統結構對整個海上風電場的電氣和經濟性能影響不一，已經成為相關風電場設計人員不得不考慮的問題。

已有一些國內外學者對集電系統電氣特性及經濟性能進行了相關研究，文獻[2]運用PSS/E工具包對海上風電場的幾種集電系統拓撲的容量損耗進行了分析，然而并未討論分析集電系統其他電氣性能指標；文獻[3]以規劃中的東海大橋海上風電場為例，討論了其內部接線系統的不同設計方案，運用Matlab/Simulink工具分析在單個風速下變電站母線電壓、輸電功率因數和有功損耗等，但是未考慮風電機組切入風速至額定風速范圍內相關電氣性能指標變化趨勢；文獻[4-5]對幾種集電系統拓撲進行了經濟性能分析，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電場集電系統拓撲的電氣模型，并考慮不同拓撲結構下海底電纜選型所帶來的電氣參數變化，仿真分析了風電機組切入風速至額定風速范圍內海上風電場集電系統的電壓偏差、有功損耗和輸電功率因數等電氣性能指標的變化。在此基礎上，提出評價海上風電場集電系統拓撲結構性能的綜合性能指標，對集電系統的拓撲進行優化設計。

圖1 5種海上風電場集電系統拓撲

1 海上風電場集電系統拓撲

目前，海上風電場內部集電系統拓撲結構分為鏈形(放射型)、環形(單邊環形、雙邊環形、復合環形、多邊環形)和樹形三種形式[3-6]，如圖1所示。5種拓撲結構中除鏈形結構和樹形結構為無備用接線方式外，其余全為有備用接線方式，構建冗余備用線路固然能提高風電場的發電可靠性，但需要較多價格昂貴的海底電纜和中壓開關設備，所需增加額外投資成本較高。

2 集電系統電氣特性分析

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

主要從電壓偏差、有功損耗、輸電功率因數等3個電氣指標對海上風電場5種集電系統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，出現過電壓(偏高)或低電壓(偏低)現象。其數學表達式為，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穩定性。

輸電功率因數(PF)是海上風電場集電系統輸送到升壓站有功功率和視在功率的比值，反映了集電系統輸電效率的高低。若輸電功率因數過小，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電場集電系統內部風電機組發出的有功功率總和與海上風電場集電系統送到升壓站的有功功率之間的差值，是集電系統內部電纜上的有功消耗，是海上風電場集電系統的輸電能力的指標之一，可以客觀地反映出各種拓撲結構下的集電系統的輸電能力。

不同拓撲的電纜額定容量規劃不盡相同，因此系統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如表1所示。

表1 26 kV/35 kV海底電纜主要參數

對該風電場實例下的5種集電系統拓撲進行仿真分析，在風電機組輸電功率因數0.98(假設風電機組控制性能較好)的情況下，將風速從3 m/s逐漸調節至12 m/s(額定風速)，得到不同風速下各集電系統拓撲的電氣性能數據。

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

5種集電系統拓撲下海上風電場輸電功率因數隨風速變化特性如圖3所示，5種拓撲的輸電功率因數均隨風速增大而增大，且不斷逼近風電機組的功率因數0.98，主要原因是低風速時風電機組有功出力較小，輸電電纜無功所占比例較大，從而使得海上風電場輸電功率因數較低，隨著風電機組有功出力增大，輸電電纜的無功對整個海上風電場的輸電功率因數影響變小。其中，鏈形拓撲的輸電功率因數在低風速的情況下最高，風速不低于8 m/s時5種拓撲結構的輸電功率因數十分接近，可知隨著風速的增加，海上風電場升壓站端功率因數受集電系統拓撲影響逐漸減少。

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

圖2 5種拓撲結構的電壓偏差比較

圖3 5種拓撲結構輸電功率因數比較

圖4 5種拓撲結構的有功損耗比較

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

表2 額定風速下5種拓撲結構有功損耗

以上分析結果表明，集電系統拓撲結構不同主要影響海上風電場的有功損耗，集電系統的電壓偏差和輸電功率因數受拓撲結構影響較少。

3 集電系統綜合性能評估模型

在對集電系統進行綜合性能評估時，必須考慮兩個方面的問題，一是建設成本，即建立集電系統時的花費；二是損失成本，包括兩個部分：海上風電場正常運行時的功率損失，海上風電場發生故障時風機不能正常發電所造成的損失。基于這兩個方面的考慮，建立集電系統的綜合性能評估模型。

3.1 建設成本

影響拓撲結構建設成本的因素主要是兩個，一是中壓電纜的長度和規格，二是中壓開關設備的數量。因此，可以建立投資成本模型：

3.2 損失成本

集電系統在輸送電能時存在有功損耗，相當于風電場在正常工況下損失了應得的收入，同時海底電纜發生故障時造成一部風機不能正常發電，相當于風電場在故障維修期間損失了相應的應得收入，這兩部分損失之和構成了集電系統的損失成本。

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

由于環形拓撲在某段電纜發生故障的情況下可以通過斷開兩側的開關而使電纜兩端的風電機能夠繼續正常發電，電能輸出不受任何影響，則海上風電場年損失發電量為：

整個生命周期內，海上風電場損失成本為：

集電系統綜合性能指標：

式中：σ為加權系數，用來評估綜合評價指標中建設成本所占比重。

4 集電系統優化設計

在提出集電系統綜合性能評估模型的基礎上，對海上風電場實例的幾種集電系統拓撲進行評估，據此給出綜合性能指標最優的集電系統拓撲。目前，中壓斷路器開關柜成本的典型值為30萬元/個，各電纜截面對應的造價和施工成本如表3所示。

表3 各電纜截面對應造價及施工成本

借鑒國外海上風電場運行經驗數據[7]，集電系統主要元件的故障率及維修時間如表4所示。

表4 集電系統主要元件的故障率及維修時間

當加權系數在0～1之間變化時，5種集電系統拓撲經濟性能如圖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成本，環形拓撲由于存在冗余開關設備和海底電纜，其綜合性能指標高于鏈形拓撲和樹形拓撲。

圖5 加權系數變化時5種集電系統拓撲綜合性能比較

取典型加權系數為0.5時，對該海上風電場實例的5種集電系統拓撲綜合性能分析得出結果，如表5所示，盡管鏈形拓撲和樹形拓撲無冗余開關和電纜，其建設成本遠低于環形拓撲，但其可靠性較低易發生故障，損失成本的增加使得其綜合性能指標高于環形拓撲，三種環形拓撲結構中，雙邊環形拓撲的綜合性能指標最優。

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

表5 5種集電系統拓撲下綜合性能指標比較

5 結論

本文運用Matlab/Simulink搭建了海上風電場集電系統的拓撲模型，仿真分析表明幾種集電系統拓撲的電壓偏差和輸電功率因數均相差不大，主要差異在于有功損耗。在考慮建設成本以及損失成本的基礎上，提出綜合考慮電氣性能和經濟性能的綜合性能指標，比較5種集電系統拓撲結構的綜合性能指標優劣，進行集電系統拓撲優化設計。優化設計結果表明，雙邊環形拓撲可靠性高，損失成本低，冗余設備少，建設成本低，為集電系統最佳設計拓撲。

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圖3 使用刻蝕前后鋁集流體的實驗電池的循環伏安曲線

3 結論

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，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，循環穩定性、電化學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

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)(SS2014-AA052001)；國家自然科學基金項目(61273172)；廣東省戰略性新興產業核心技術攻關項目(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。