海上风电场集电系统可靠性评估研究

海上风电场集电系统可靠性评估研究Reliability evaluation of offshore wind farm黄玲玲，符杨上海电力学院，电力与自动化工程学院上海市杨浦区 200090摘 要：本文分析了海上风电场集电系统结构和接线特点的基础上，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，并在此基础上，深入考虑了风速的变化对可靠性指标的影响。

最后，以中国某海上风电场原规划的集电系统为例，说明集电系统拓扑形式和风速变化对可靠性的影响。

关键词：海上风电场；可靠性；集电系统0 引言风力发电是当今世界发展最快的能源利用形式。

而海上风力发电由于风速高，风能资源丰富等特点，已经成为风电投资建设的重要方向。

海上风电场一般建设在水深10m左右、距离海岸线10km以外的海域，风力机组之间通常间隔约500~600m。

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。

由于海上风电场受到海洋性气候、环境以及地质等因素的影响，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]利用概率抽样模拟实际风速，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。

而文献[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三种不同的集电系统拓扑结构对可靠性的影响。

但没有考虑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，提出了海上风电场可靠性评估的模型和算法，重点讨论了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。

最后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与传统火力发电厂或水力发电厂不同，海上风力发电机组WTG(Wind Turbine Generator)单机容量相对较小，目前大都采用 1.5MW、2MW或3MW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。

典型海上风电场接线图如图1 Horn Rev海上风电场所示 [5]。

图1 丹麦Horn Rev海上风电场示意图Fig. 1 Offshore wind farm layout of Horn Rev图2 单台风力发电机组接线示意图Fig.2 Detail connection of a wind turbine generator 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690V，通过电缆线与塔架基座上的箱式变压器相连。

箱变将电压升高至10kV或35kV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。

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基金项目：上海市优秀青年基金项目(SDL-07021)。

变电站的低压母线上[7]。

如图1所示，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。

由于传统的水电厂和火电厂的电气主接线的可靠性已经有了较为成熟的计算步骤和评估方法[8-9]，因此，若能将每一组连接成“串”的风力发电机组在维持相同的可靠性标准的情况下，等效成一个常规发电机组[10]，则该海上风电场集电系统的可靠性可以按照传统的模型和方法进行评估。

为了便于计算每串风力发电机组的可靠性，这里做了以下两个假设：(1)假设每台风力发电机组内采用的电气设备包括风力发电机、变压器以及开关设备完全相同，即图2中6个元件的停运率q1~q6为定值；海上风电场通常呈规则布置，风机间的海缆长度通常在500m左右且每段海缆长度差异较小[10]，因此，可以假设每段海底电缆的停运概率qL相同。

以图3所示风力发电机组“串”为例，该“串”由分支1（n台风机）、分支2（m台风机）、连接风机G（1台风机）以及分支3（k台风机）四个部分构成，然后通过长海缆连接至升压站的低压母线上。

从容量上看，相当于一台（n+m+1+k）P N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，可以视为这台（n+m+1+k）P N的机组处于部分停运状态，因此，可以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（MW·h/年）不变，计算该(n+m+1+k)P N机组的等效强迫停运率[8]。

图3 风力发电机组“串”简略图Fig.3 Outline of WTG cluster从图2和图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变（即元件1~元件4）停运时，将导致整台风力发电机组的停运。

但由于中压断路器的隔离作用，将不影响其它与之相连的风电机组的运行。

因此，图2中的元件1~元件4可以视为元件组停运模型。

中压断路器（元件5）、和负荷开关（元件6）的停运，也将造成该风力发电机组的停运。

并且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的停运，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三种情况：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，如图3中G1所示，此时，元件5、元件6或海缆L的停运，将造成整个风电机组的停运。

因此，同样可以将其视为元件组停运模式。

其停运率为：图4 负荷开关数为1风电机组连接图Fig.4 Wind turbine with one MV switch6111(1)(1)L iiQ q=q=−−−∏（1）其中，Q1为该风电机组的等效停运率，q L为海缆L的停运率，q1~q6为图2中元件1~元件6的停运概率。

②负荷开关数量为2，即风机起连接前后两台风机的作用，如图3中G2或Gn所示。

风机之间通过负荷开关和海底电缆串联起来。

从图5中可以看出，当风电机组G n+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，将造成图所示的整个连接的停运。

表1为图5所示系统的可发电运行状态列表。

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，除以“等值容量”可以得到等效停运率为：[]215(1)1(1)(11n WTGn Ln nQ qQ qn++−−=−−−−6)(1)q q+（2）其中，411(1WTG iiq=)q=−−∏，Q n为图5所示n台风力发电机组串联结构的等效停运率，Q n+1为n+1台风力发电机组串联结构的等效停运率，由Q n迭代计算得到。

当n=1时，Q1可以由式（1）计算得到。

图 5 负荷开关数为2风电机组连接图 Fig.5 Wind turbine with two MV switches③ 负荷开关数量3，即该风机起分支间的连接作用，如图所示。

当风电机组G m+n+1的中压断路器要和负荷开关任意一个元件停运时，将造成整个连接的停运。

同样，根据期望受阻电力不变的原则，同理可以得到图3所示系统的等值容量为（m+n +1）P N ，等效停运率为：31[1]1(1)1n m WTG m n m n nQ mQ q Q q m n ++++−−−=−−−−++567(1)(1)q q （3）式中，Q m 为分支1的等效停运率，Q n 为分支2的等效停运率，由于分支1和分支2与图结构相同，可以通过式（2）计算方法得到，Q m+n+1为图示连接方式等效停运率。

2 风能对海上风电场集电系统可靠性评估的影响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半都采用两态模型，即工作状态和停运状态。

发电机的停运概率可以按照式（4）[13]，outage outage opT U T T =+ （4）式中，U 为停运率，T outage 为停运时间（h ），T op 为运行时间（h ）。

而风电场则不同，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，而风速过高时又为了保护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%地停运，而是额定容量的某一个百分数。

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，即计算等效强迫停运率[10]：EOEO opT U T T =+ （5）式中，U 为停运率，T EO 为等效停运时间（h ），T op 为运行时间（h ）。

此外风电场是由并联安装在同一场地上的几十甚至上百台大型风力发电机组组成，由于受到尾流的影响，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的位置分布有关，整个风电场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乘以风电场的效率因数。

即()()P NP υηυΣ= （6）其中，P ∑(v)为风电场总输出功率，η为风电场效率因素，通常为0.90~0.95[14]，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，可以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所示为风电场年风速频率分布图。

根据风电场全年风速概率分布图，可以获得全年8760小时内各风速持续时间，利用它们和风机厂家提供的风机功率曲线，可以根据式（7）计算得到风电场的年发电量W Σ：258760()()W P υf υυ∑Σ==∑ （7）其中f(v)为风速v 的频率。

因此海上风电场由风能特性造成的风电场的等值停运时间T EO 和等值停运概率U WP 可以根据式（8）和式（9）求得。

8760N EO N NP W T NP Σ−= （8）8760EOWP T U =（9） 3 可靠性评估算例 下面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100MW，由50台2MW的风电机组构成。

主接线图如图6所示。

其中，S1~S4为不包含长距离海缆的风电机组“串”，SS1~SS4为包含长距离海缆的风电机组“串”。

图6海上风电场集电系统接线图Fig.6 Electrical collection system of the WP由于目前国内尚未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见文献[12]、[17]。