海上风电场集电系统可靠性评估.pdf

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1、第 34 卷 第 7 期 电 网 技 术 Vol.34 No.7 2010 年 7 月 Power System Technology Jul.2010 文章编号：1000-3673（2010）07-0169-06 中图分类号：TM 614 文献标志码：A 学科代码：4704047 海上风电场集电系统可靠性评估 黄玲玲1，符杨1，郭晓明2（1上海电力学院 电力与自动化工程学院，上海市 杨浦区 200090；2通用电气(中国)研究开发中心有限公司，上海市 浦东新区 201203）Reliability Evaluation of Wind Power Collection System for

2、Offshore Wind Farm HUANG Ling-ling1,FU Yang1,GUO Xiao-ming2(1.College of Power and Automation,Shanghai University of Electric Power,Yangpu District,Shanghai 200090,China;2.GE(China)Research and Development Center Co.,Ltd.,Pudong New District,Shanghai 201203,China)ABSTRACT:On the basis of analyzing t

3、he structure and connection property of wind power collection system for offshore wind farms,the influences of wind speed variation on the reliability indices of offshore wind power generation system are considered,and a comprehensive reliability evaluation model of power collection system for offsh

4、ore wind farms and its corresponding algorithm are proposed.Taking a wind power collection system planned for a certain offshore wind farm in China for example,the influences of collection systems topology and wind speed variation on system reliability are analyzed.KEY WORDS:offshore wind farm;colle

5、ction system;reliability;comprehensive evaluation 摘要：在分析海上风电场集电系统结构和接线特点的基础上，考虑了风速变化对系统可靠性指标的影响，提出了海上风电场集电系统可靠性综合评估的模型和算法。以中国某海上风电场原规划的集电系统为例，说明了集电系统拓扑形式和风速变化对系统可靠性的影响。关键词：海上风电场；集电系统；可靠性；综合评估 0 引言 风力发电是当今世界发展最快的能源利用形式。海上风力发电因具有风速高、风能资源丰富等特点，已经成为风电投资建设的重要方向。欧洲已经建成 Horn Rev、Nysted 等多个大型海上风电场。我国首个海上风电项

6、目上海东海大桥 100 MW海上风电场示范项目目前正在建设之中，到2020年，江苏省将建成千万 kW 级的近海海上风电基地1。海上风电场一般建设在水深 10 m 左右、距离 基金项目：上海市重大科技攻关项目(08dz1200604)；上海市优秀青年基金项目(SDL-07021)。海岸线 10 km 以外的海域，风力机组之间通常间隔500600 m。风力发电机所发出的电能需要依靠海底电缆进行收集并输送至岸上变电站，从而接入主网。当风电场规模较大时，通常还建设有海上变电站进行集中升压并输送电能。因此，海上风电场电气系统的规模日趋庞大2。与陆上风电场不同，海上风电场由于受海洋性气候、环境以及地质等因

7、素的影响，电气设备价格及其运行维护成本都大大高于陆上风电场。因此，更有必要在海上风电场规划时期对整个系统的可靠性进行评估。已有一些学者从不同角度对风电场的可靠性评估进行了研究。文献3用概率抽样方法模拟实际风速，计算风力发电机的随机输出功率，最后采用序贯蒙特卡罗仿真方法分析了风力发电的可靠性。然而，风电场的可靠性并不仅与风电机组有关，还受到风电场集电系统的影响。文献4分析了影响海上风电场集电系统可靠性的诸多因素，并通过实例计算比较了 3 种不同的集电系统拓扑结构对可靠性的影响，但没有考虑风电场当地风能资源特性对可靠性评估的影响。本文在分析海上风电系统特点的基础上，提出海上风电场可靠性评估的模型和

8、算法，重点讨论风力发电机群与中低压集电系统的可靠性模型以及风能特性对可靠性指标的影响，并参考现有海上风电场的运行数据，对中国某海上风电场的集电系统可靠性进行评估。1 海上风电场集电系统 1.1 海上风电场集电系统的接线形式 与传统火力发电厂和水力发电厂不同，海上风170 黄玲玲等：海上风电场集电系统可靠性评估 Vol.34 No.7 力发电机组(wind turbine generator，WTG)相对较小，目前大都采用 1.5、2 MW 或 3 MW 的机组，因此，海上风电场风机数量较多，通常为几十台甚至上百台。Horn Rev 海上风电场5如图 1 所示。5 km 变电站风力发电机组 5.

9、5 km 图 1 Horn Rev 海上风电场示意 Fig.1 Offshore wind farm layout of Horn Rev 通常，海上风力发电机组为垂直型布置，风力发电机位于风机塔架顶端，出口电压为 690 V，通过电缆线与塔架基座上的箱式变压器相连。箱式变压器将电压升高至 10 kV 或 35 kV 后，连接到海上风电场内部集电系统。风力发电机组具体的连接方式如图 2 所示。负荷开关位于塔架基座的间隔内，其数量取决于与该风机相连的其它风机的数量。1 2 3 4 5 6 1风力发电机；2低压接触器；3塔筒内电缆；4风机出口箱式变压器；5中压断路器；6负荷开关。图 2 单台风力发

10、电机组接线示意 Fig.2 Connection of a wind turbine generator 风力发电机组之间通常采用辐射形的连接方式，即将一定数量的风力发电机组通过负荷开关和海底电缆连接成“串”，然后通过长海缆连接至变电站的低压母线上6-7。图 1 中整个 Horn Rev 海上风电场由 5 个连接到变电站的“串”构成。风电机组“串”通常包含若干个分支。典型的海上风电机组“串”的内部连接方式如图 3 所示。图中：G 代表风机，各分支的风机均从 1 开始编号；Gn、Gm以及 Gk分别表示编号为 n、m 以及 k 的风机；Gc Gn G(n1)分支 1 S(n1)R S(n1)L S

11、nL SnRSnR S2L S2RL1S1G1G2 G1G2 Gm 分支 2 分支 3 Gk G1 GC SmR SmLSkR SkL Ln 图 3 风力发电机组“串”的连接方式 Fig.3 Connection schemes of the wind turbine string 表示在风电机组“串”中起连接作用的风机；S代表隔离开关，与风机编号相对应，如SnL与SnR分别为编号为 n 的风机出口的2个隔离开关。1.2 海上风电场集电系统可靠性模型 目前已经有比较成熟的计算方法8-9评估传统水电厂和火电厂的电气主接线可靠性，因此，若能将每一组连接成“串”的风力发电机组在维持相同可靠性标准的情

12、况下等效成一个常规发电机组10，则可以按照传统的模型和方法评估该海上风电场集电系统的可靠性。为便于计算每串风力发电机组的可靠性，本文做了以下2个假设：1）假设每台风力发电机组内采用的电气设备有完全相同的风力发电机、变压器以及开关设备，即图2中6个元件的停运率 q1q6为定值；2）海上风电场通常呈规则布置，风机间的海缆长度为500 m左右且每段海缆长度差异较小10，因此可假设每段海底电缆的停运概率 qL相同。如图3所示，风力发电机组“串”由分支1(n台风机)、分支2(m 台风机)、连接风机GG(1台风机)以及分支3(k 台风机)4个部分构成，然后通过长海缆连接至升压站的低压母线上。从容量上看，相

13、当于1台容量为(n+m+1+k)PN的常规发电机组。当由于风力发电机组或海缆停运导致该“串”出力不完全时，可认为这台(n+m+1+k)PN的机组处于部分停运状态，因此，可根据常规发电机组处理部分停运的方法把部分停运折合成完全停运来考虑，即保持期望故障受阻电能(单位为MWh/a)不变，计算该(n+m+1+k)PN机组的等效强迫停运率8。从图2、3可以看出，当风力发电机、风机出口低压接触器、塔筒内电缆或风机出口箱式变压器停运时，整台风力发电机组将停运。由于中压断路器的隔离作用，上述风力发电机组停运将不影响其它与之相连的风电机组运行。因此，可将图2中的元件14视为元件组停运模型，采用串联公式计算该元

14、件组的等值停运率。该元件组的停运概率为 4WTG11(1)iiqq=(1)式中：qWTG为元件组的停运概率；q1q4分别为图2中元件14的停运概率。图2中中压断路器和负荷开关的停运也将造成该风力发电机组的停运。当风机基座上的负荷开关数量大于1时，中压断路器或任意一个负荷开关停第 34 卷 第 7 期 电 网 技 术 171 运，还将扩大停运范围，造成与之相连的其它风电机组的停运。因此，中压断路器和负荷开关对可靠性的影响主要可以分为以下3种情况：1）负荷开关数量为1，即风机位于串的末端，通过海底电缆L与其它风机相连，此时元件5、6或海缆L的停运将造成整个风电机组的停运，如图4所示。因此，同样可以

15、将其视为元件组停运模式。其停运率为 61L11(1)(1)iiQqq=(2)式中：Q1为该风电机组的等效停运率；qL为海缆L的停运率；q1q6为图2中元件16的停运概率。1 2 3 4 56 海缆 L 图 4 负荷开关数为 1 时的风电机组连接 Fig.4 Wind turbine connection when load switch is 1 2）负荷开关数量为2，即风机起连接前后2台风机的作用。风机之间通过负荷开关和海底电缆串联。负荷开关数为2时的风电机组连接见图5。从图5可以看出，当风电机组Gn+1的中压断路器B、负荷开关S1、S2或风机出口海缆L停运时，整个风电机组将停运。表1为图5

16、所示系统的可发电运行状态。表中：L、Gn+1、S1、S2以及n台机组分别表示图5中海缆L、风机Gn+1及与之相连的2个隔离开关S1、S2和n台风力发电机组，状态值为1表示 LGn+1 G2 G1 负荷开关 S2 负荷开关 S1 中压断路器 B 图 5 负荷开关数为 2 时的风电机组连接 Fig.5 Wind turbine connection when load switch is 2 表 1 图 5 所示子系统的运行状态 Tab.1 Operation states-list for subsystem in Fig.5 系统运行状态(L,S1,S2,Gn+1,n台机组)概率 输出 功率(

17、1,1,1,1,0)(1qs)2(qqL)(qqWTG)Qn PN(1,1,1,0,1)(1qs)2(qqL)qWTG(1Qn)nPN(1,1,1,1,1)(1qs)2(qqL)(qqWTG)(1Qn)(n+1)PN运行状态，状态值为0表示停运状态。根据期望受阻电力不变的原则，取表1各运行状态的概率与输出功率的乘积之和，将其除以“等值容量”可以得到等效停运率，即 WTG1526L(1)1(1)1 (1)(1)nnnnQqQqnqq+=+(3)式中：Qn为图5所示的n台风力发电机组串联结构的等效停运率；Qn+1为n+1台风力发电机组串联结构的等效停运率，由Qn迭代计算得到，当n=1时，Q1可以由

18、式(2)计算得到。3）负荷开关数量为3，即该风机起分支间的连接作用，如图6所示。当风电机组Gm+n+1的中压断路器和负荷开关任意一个元件停运时，整个连接将停运。同样，根据期望受阻电力不变的原则，可以得到图6所示的系统等值容量，即(m+n+1)PN，等效停运率为 WTG13567(1)11 (1)(1)(1)nmm nmnnQmQqQmnqqq+=+(4)式中：Qm为分支1的等效停运率；Qn为分支2的等效停运率，由于分支1和2与图5结构相同，可通过式(3)得到。G1G2GmGm+n+1分支 1 分支 2 GnG2G1 图 6 负荷开关数为 3 时的风电机组连接 Fig.6 Wind turbin

19、e connection when load switch is 3 172 黄玲玲等：海上风电场集电系统可靠性评估 Vol.34 No.7 2 风能对海上风电场集电系统可靠性评估的影响 2.1 风电机组输出功率特性 标准空气密度条件下，风电机组的输出功率与风速的关系曲线成为风电机组的标准功率特性曲线11。不同控制系统的风机输出功率与风速之间的关系曲线不同，但目前风机大都采用最大风能捕捉的变桨距控制方式。以Repower 2MW风机为例，其输出功率特性曲线如图7所示12。2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25风速/(m

20、/s)功率/MW 图 7 Repower 2 MW 风机功率曲线 Fig.7 Power curve of the 2 MW Repower wind turbine 2.2 海上风电场输出功率特性 在一般的发电厂可靠性分析中，尤其是燃煤电厂的可靠性评估，很少考虑一次能源的限制。发电机组的停运模型一般都采用2态模型，即工作状态和停运状态。发电机的停运概率13为 outageoutageop/()TTT=+(4)式中：为停运率；Toutage为停运时间；h；Top为运行时间，h。风电场的出力和发电量与当地的风能特性密切相关。在实际运行中，往往会出现风速较小时限制发电机出力，而风速过高时，为了保护

21、风力机而停机的情况。从结果来看，它与系统元件故障引起的发电容量损失是相同的。因此，从可靠性角度来看，可以认为风力发电机机组在运行时存在部分停运状态，即机组不是100%停运，而是额定容量的某个百分数。由于风能影响造成的部分停运与系统元件故障引起的停运是串联关系。通常把部分停运折合成完全停运来考虑，等效强迫停运率10为 EOEOEOop/()TTT=+(5)式中：EO为停运率；TEO为等效停运时间，h；Top为运行时间，h。此外，风电场由并联安装在同一场地的几十甚至上百台大型风力发电机组组成。受到尾流的影响，整个风电场的输出功率风电场的输出功率不但与风速有关，而且与风力机群位置分布有关，整个风电场

22、的输出功率可以表示为给定风速下全部风力机组的输出功率之和与风电场效率因数之积，即()()P vNP v=(6)式中：P(v)为风电场总输出功率；为风电场效率因数，通常为0.900.9514；N为风电场风机数量；P(v)为给定风速v时每台风机的输出功率，可从风机的功率上获得。研究海上风电场输出功率特性，需要进一步分析风电场风速分布情况15。图8为风电场年风速频率分布。13579 11 13 15 17 19 21 23 25风速/(m/s)频率/%161410 8 012 6 4 2 图 8 风电场全年风速频率分布 Fig.8 Wind speed frequency distribution

23、由图8可以获得全年8 760 h内各风速持续时间，利用它们和风机厂家提供的风机功率曲线，可以根据式(7)计算得到的风电场年发电量W为 2508 760()()vWP v f v=(7)式中f(v)为1a中风速v的分布频率。因此可以根据下式求得海上风电场由风能特性造成的风电场的等值停运时间TEO和等值停运概率 WP：EONN(8 760)/()TNPWNP=(8)WPEO/8 760T=(9)3 可靠性评估算例 本文以某海上风电场的规划图为例对其集电系统可靠性进行分析计算。该海上风电场总装机容量为100 MW，由50台2 MW的风电机组构成。海上风电场集电系统接线如图9所示。图中：S1S4 35

24、 kV SS1 SS2 SS3 SS4 14 km 14 km 12 km S1 S2S3S4L2L135 kV 图 9 海上风电场集电系统接线 Fig.9 Electrical collection system of the offshore wind farms 第 34 卷 第 7 期 电 网 技 术 173 为不包含长距离海缆的风电机组“串”；SS1SS4为包含长距离海缆的风电机组“串”；L1和L2表示风电场的2回110 kV出线。由于目前国内尚有海上风电场运行和维护的经验数据，本文借鉴国外海上风电场的运行数据，主要元件的可靠性数据12,16-17分别如表2、3所示。不计风能影响时，

25、该海上风电场的可靠性计算结果分别见表4、5。表6为计入风能的影响后风电场各电源点的可靠性指标的计算结果。从表4、5可以看出：海上风电场不同的风电机组“串”之间风机的数量可能略有不同，但风机之间的拓扑结构，尤其是“串”内的分支对可靠性的影响较大；海底电缆修复时间长，对风机出力的可靠性影响较大。从表6可以看出：虽然海上风电场的风能资源相对稳定，但由于额定风速所占频率相对较低，各电源点的停运率大幅度提高，这是影响风电场可靠性的重要因素。表 2 风力发电机组各部件可靠性参数 Tab.2 Reliability data of components in WTGs 类型 失效率/(次/a)平均修复时间/

26、h 风机 1.500 0 490 低压接触器 0.066 7 240 中压断路器 0.025 0 72 中压隔离开关 0.025 0 240 箱式变压器 0.013 1 240 表 3 海上风电场电缆的失效率和平均修复时间 Tab.3 Failure rates and maintenance time to repair for cables in the offshore wind farms 类型 失效率/(次/akm)平均修复时间/h海底电缆 0.015 1 440 风机间电缆 0.015 1 440 70 m 塔架电缆 0.015 240 表 4 电源点 S1S4的指标结果 Tab.

27、4 Indices of the wind turbine strings S1S4 电源点 指标 S1 S2 S3 S4 等效停运率 0.089 817 447 0.095 957 272 0.143 430 818 0.092 609 862 等效容量/MW 24 26 24 26 年停运小时数/h 786.800 835 72 840.585 702 72 1 256.453 965 6 811.262 391 12 电量不足期望值/(MWh/a)18 883.220 06 21 855.228 27 30 154.895 17 21 092.822 17 表 5 电源点 SS1SS4的

28、指标结果 Tab.5 Indices of the wind turbine strings SS1SS4 电源点 指标 SS1 SS2 SS3 SS4 等效停运率 0.111 720 236 0.121 938 277 0.172 013 370 0.122 888 240 等效容量/MW 24 26 24 26 年停运小时数/h 978.669 263 8 1 068.179 303 0 1 506.837 121 2 1 072.500 982 4 电量不足期望值/(MWh/a)23 488.062 330 27 772.661 878 36 164.090 910 27 885.025

29、 540 表 6 风能对发电机出力影响分析 Tab.6 Analysis of the effects of offshore wind energy on generator output 电源点 S1 S2 S3 S4 等效停运率 0.564 936 835 0.567 871 644 0.590 563 786 0.566 271 597 等效额定容量/MW 24 26 24 26 年停运小时数/h 4 948.846 679 4 974.555 603 5 173.338 762 4 960.539 192 4 结论 本文将由多台风机构成的风电机组“串”看成一个整体，按照期望故障受阻电

30、能相等的方法将上述风电机组等效为1台相同容量的发电机。综合考虑风能对海上风电场集电系统可靠性的影响，采用传统水电厂或火电厂主接线的方法计算并评估了海上风电场集电系统的可靠性。本文的计算结果表明，风能是影响海上风电场可靠性的重要因素。参考文献 1 许瑞林江苏省海上风电发展前景展望C2009 中国国际海上风电和传输大会，上海，2009 2 黄玲玲，符杨，郭晓明大型海上风电场电气接线方案优化研究J电网技术，2008，32(8)：72-76 Huang Lingling，Fu yang，Guo XiaomingResearch on optimization of electrical connect

31、ion scheme for a large offshore wind farmJPower System Technology，2008，32(8)：72-76(in Chinese)3 吴义纯，丁明基于蒙特卡罗仿真的风力发电系统可靠性评价J电力自动化设备2004，24(12)：70-73 Wu Yichun，Ding MingReliability assessment of wind power generation system based on Monte-Carlo simulationJElectric 174 黄玲玲等：海上风电场集电系统可靠性评估 Vol.34 No.7 P

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