董霜
（山东电力工程咨询院有限公司 山东济南 250013）
摘要：海上风机群数量庞大，海域分布范围广阔，需要采用大量价格昂贵的海底电缆和海上变电设备，因而，电缆风机连接拓扑的组合方式和截面的选择存在较大的可被优化的空间。本文根据海上风电场集电系统优化若干子算法，提出了海上风电集电系统优化模型并对海上风电接入系统原则进行了总结。
关键词：海上风电 集电系统 优化
海上风电场集电系统主要由海底电缆、开关设备、海上变电站等组成，其任务是将各风力发电机组发出的电能通过中压海底电缆汇集到变电站的汇流母线。
海上风机群数量庞大，海域分布范围广阔，需要采用大量价格昂贵的海底电缆和海上变电设备。当前国内外进行大型陆上或海上风电场集电系统规划设计时，一般由设计人员基于工程经验手工设计，由此得到的集电系统电气方案难以获得较好的经济性。
1 海上风电集电系统经济成本组成因素
海上风电场电气部分主要是由风机、箱变、开关、海缆、海上变电站等部件组成。风机的位置是根据风资源、环境、地理等因素测定和布置，根据“一机一变”的原则确定箱变的容量和型号，这些部分优化空间较小。
海底电缆的连接方式非常灵活，针对常见的集电系统拓扑，风机主要以“串”形接入海上变电站。每种连接方式下，每段电缆的长度、型号（主要是截面）均不同，离变电站越近的电缆应选择更大的截面以满足风电场正常和故障情况下的需求。为了得到更经济的建设运营成本以及更高的供电可靠性，选择合适的风机以及合适的电缆组成串是建设风电场必须考虑的问题。因而，电缆风机连接拓扑的组合方式和截面的选择存在较大的可被优化的空间。
2 海上风电场优化算法
海上风电场集电系统优化是一系列确定步骤的组合，它必须在有限的时间内终止。要实现海上风电场集电系统优化需要若干子算法协同处理才能完成，下面逐一进行简要介绍。
1）大型海上风电场风机群变电区域划分算法
对具体的风电场来说划分为几个分区最为合理是不确定的，但是根据可选择的主变容量和单台风机容量可以估计出大致值可以采用枚举法进行。
对于区域边界选择问题，可选的组合数太多，枚举法是不合理的。模糊集理论为这种软划分提供了有力的分析工具，用模糊的方法来处理聚类问题，称之为模糊聚类分析。出于模糊聚类得到了样本属于各个类别的不确定性程度，表达了样本类属的中介性，即建立起了样本对于类别的不确定性的描述，能更客观地反映现实世界，从而成为聚类分析研究的主流。
2）单个变电区域内可行路径生成算法
在风电场划分完成变电分区并选定海上变电站站址后，考虑电缆布置的约束条件，需要形成电缆拓扑的可行解的空间，之后的优化以此为基础在可行解空间内寻优。如何建立电缆的全部可行路径，满足各种约束条件，就是十分关键的问题。
风机只能与它周围较近的风机连接，不可能出现海缆交叉、大跨越等情况，从而若将海上变电站和区域风机全部看作节点，求全部可行路径即是求出连接这些节点的全部可行边。对于一个包含海上变电站和一个区域的若干风机的“节点”来说，即是将平面在满足电缆布置约束的条件下“网格化”。可采用Delaunay三角剖分优化算法。
3）单个变电区域内风机群分组（串）算法
对大型海上风电场的风机群进行了分区以及可行路径的枚举方法后，实际上是将大型问题进行了降阶处理。现需要实现单个分区内风机组划分，即风机分串算法。
假设单个分区内的风机已经分好了组，从本质上来看分串与分区并无本质的区别，都是将风机群划分成更小的分组，组与组之间有明显的界线，不可能出现分组交错的情况。不同的是变电站分区是将风机群划分为相对松散的块状模式，每区存在聚类中心点，即海上变电站。而变电区域分组之后需要进行电缆的连接，每台风机均要存在至变电站的通路，且不经过其他分组，所有的分组形成了从变电站（风机接入点）出发的放射状结构，若仅布置一个海上变电站则串间必然会产生电缆的交叉。
基于上述原因需要对风电场分区算法进行改进，以实现聚类效果，完成对同一分区内风机群的分组工作。
4）风机群拓扑寻优接入海上变电站算法
大型风电场经过分区、区内分串，整个风电场已被划分为若干“小块”，大型问题的阶数显著降低。现在的主要任务是解决每个变电区域内被划分成若干小块的串使用海底电缆连接进该区域的海上变电站，以及不同海上变电站接入陆上并网点的电缆拓扑问题。由成本影响因素可知，不同的拓扑结构对经济性成本影响很大，考虑到大型风电场海底电缆的用量相当可观，需寻求尽可能合理的拓扑方式以达到节约成本，满足相应技术要求的目的。欲实现上述目标可以使用图论理论及其中算法优化电缆拓扑结构。
3 海上风电集电系统优化模型
海上风电场电气接线优化设计的主要内容是，在给定风机坐标的条件下优选电气连接方案，以获得最佳的经济技术指标。
（1）总投资成本C1。
进行电气接线投资优化时，选取总投资成本最小为目标函数：
变电站之间的电缆线路由于输送距离较长，输送功率较大，且通常采用双回路接线，因此其投资成本C2也需要计入优化模型之中。当风电场内建设有多个海上变电站时，变电站间接线方式通常有环形接线和放射形接线两种。
另外，影响海上风电场接线系统投资成本的因素还有：箱变的电压等级，变电站位置、个数、高压侧电压等级和变电站之间的接线形式，每串风机的台数。考虑以上因素可以分别构建最优化模型，也可以构造综合优化模型进行海上风电场集电系统优化建模。
4 结论
总结前面几节分析，海上风电接入系统原则如下：
因地制宜，就近分散接入与相对集中相结合。风电规模不太大时，就近分散接入多个PCC点（公共接入点），减少对单个变电站的影响，降低控制运行难度。风电发展到一定规模时，采取相对集中的原则，即构造适当的输电（汇流）通道，并主要依靠超高压或特高压交流变电站汇集集中开发的风电基地电力。
风电分散接入时应主要考虑风电场运行对电网电能质量方面的影响，应在技术经济论证合理时装设无功动态调节装置。风电集中汇流送出应主要考虑并网的安全性影响，提高风电低电压穿越能力，防止系统故障失去大量风电出力，从而造成系统频率调整和过电压等问题。应结合电网规模以及电网结构统筹考虑合理分散接入和集中汇流的比例，使风电开发和电网规划协调发展。
参考文献
王皓靖，刘海涛，刘辉，等．大规模风电汇集系统无功电压管控机制及关键技术研究[J]．华北电力技术，2014，37(9)：48～54.
许晓菲，贾琳，牟涛等．大规模风电汇集系统静态电压稳定实用判据与控制[J]．电力系统自动化，2014 (9)：77～81.
作者简介：董霜(1979-),女，高级工程师，主要从事电力市场研究工作。
论文作者:董霜
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/15
标签：海上论文; 风机论文; 变电站论文; 电缆论文; 风电论文; 风电场论文; 拓扑论文; 《电力设备》2016年第8期论文;