本發(fā)明涉及風電場規(guī)劃領域，尤其是涉及一種基于全壽命周期的海上風電場集電系統(tǒng)成本計算方法。

背景技術：

海上風電具有發(fā)電量大，無土地資源限制，噪聲小等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為新能源領域的熱點問題。海上風機矗立在海面上，通過集電系統(tǒng)將風機所發(fā)出的電匯集起來，再經過海上升壓站將電能輸送到電網。集電系統(tǒng)有多種連接方式，其特點各異。最常用的連接方式是放射形連接和環(huán)形連接。放射形連接初始投資少但可靠性差；環(huán)形連接初始投資多但可靠性好。所以僅從初始投資最優(yōu)的角度去選擇海上風機的拓撲連接結構會與可靠性產生矛盾。

現(xiàn)已有專家學者對海上風電場集電系統(tǒng)做了一定的研究，《大型海上風電場集電系統(tǒng)拓撲結構優(yōu)化與規(guī)劃》在基于遺傳算法的基礎上，用prim算法和多旅行商思想優(yōu)化了集電系統(tǒng)初始投資最優(yōu)的拓撲結構，考慮了放射性和環(huán)形兩種情況，但是并沒有定量的分析出具體的最優(yōu)連接，《大型海上風電場集電系統(tǒng)優(yōu)化研究》用Dijkstra算法對風機進行拓撲連接，但只考慮了放射性的連接情況，《OuahidDahmani,SalvyBourguet,Mohamed Machmoum》對集電系統(tǒng)拓撲結構的初始投資成本采用了遺傳算法結合新的二進制字符串編碼方式來進行優(yōu)化。

以上現(xiàn)有技術都只從初始投資成本最優(yōu)的角度去優(yōu)化拓撲結構，而從已有的海上風電場運行情況來看，風電場的停電損失、維修費用都十分可觀，因此從全壽命周期的角度，考慮可靠性，從而來優(yōu)化海上風電場集電系統(tǒng)拓撲結構則更為合適。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種基于全壽命周期的海上風電場集電系統(tǒng)成本計算方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種基于全壽命周期的海上風電場集電系統(tǒng)成本計算方法，包括以下步驟：

1)建立海上風電場集電系統(tǒng)全壽命周期成本計算模型，該模型為：

P_V.sum＝[(1+r)^t-1]/[r(1+r)^t]

P_V＝1/(1+r)^t

其中，C為海上風電場集電系統(tǒng)全壽命周期總成本現(xiàn)值和，C_o為網損，C_M為維護成本，C_F為停電損失成本，C_I為初始投資成本，C_D為殘值回收與處理成本，P_V.sum為年度投資費用的現(xiàn)值和折算系數(shù)，P_V為折現(xiàn)系數(shù)，r為折現(xiàn)率，t為整個壽命周期，I_imax為，K_i為海纜i長期允許載流量的總修正系數(shù)，I_i0為海纜i的長期載流量，S_imin為海纜i的短路熱穩(wěn)定要求的最小截面，I_i∞為海纜i的穩(wěn)態(tài)短路電流，t_i為海纜i的短路時間，C_ir為海纜i的熱穩(wěn)定系數(shù)；

2)根據(jù)海上風電場集電系統(tǒng)全壽命周期成本計算模型獲取海上風電場集電系統(tǒng)全壽命周期總成本最小現(xiàn)值和，并據(jù)此獲取整個壽命周期內成本最小的集電系統(tǒng)拓撲結構。

所述的初始投資成本C_I的計算公式為：

C_I＝C_cab+C_inst

其中，C_cab為集電系統(tǒng)中電纜的購買費用，C_inst為集電系統(tǒng)中電纜鋪設費用。

所述的集電系統(tǒng)拓撲結構包括放射形結構和環(huán)形結構，所述的放射形結構包括無分支放射形結構和有分支放射形結構。

所述的無分支放射形結構的網損年期望值C_ow為：

其中，c為海上風電上網價格，T為一年的小時數(shù)，I為風機以平均功率運行時的電流值，R_i為編號為i的海纜的電阻，q_i為編號為i的海纜的故障率，m為海上風電場集電系統(tǒng)中停機的機組臺數(shù)，n為饋線海纜所帶的風機總數(shù)，(iI)²中的i為第i段海纜所帶的風機數(shù)。

所述的環(huán)形結構的網損年期望值C_oi為：

C_oi＝C′_oi+C″_oi

其中，C′_oi為海上風電場集電系統(tǒng)有機組停運部分的網損期望值，C″_oi為海上風電場集電系統(tǒng)無機組停運部分的網損期望值，m為海上風電場集電系統(tǒng)中停機的機組臺數(shù)，c為海上風電上網價格，T為一年的小時數(shù)，I為風機以平均功率運行時的電流值，n為一個環(huán)形結構所含的風機數(shù)，q_i為編號為i的海纜的故障率，q_j為編號為j的海纜的故障率，q_h為編號為h的海纜的故障率，R_k為編號為k的海纜的電阻，R_u為編號為u的海纜的電阻，R_i為編號為k的海纜的電阻，q₁為編號為1的海纜的故障率，即與變電站連接的海纜的故障率。

所述的維護成本C_M的計算公式為：

C_M＝kc_m

其中，k為一串海纜一年發(fā)生故障的總次數(shù)，c_m為單次維修所需的費用

所述的停電損失成本包括無分支放射形結構的停電損失成本、有分支放射形結構的停電損失成本和環(huán)形停電損失成本：

所述的環(huán)形停電損失成本與無分支放射形結構的停電損失成本期望值C_Fi為：

其中，n為饋線海纜所帶的總風機數(shù)，c為海上風電上網價格，T為一年的小時數(shù)，為風機的平均出力，P_m為海纜發(fā)生故障導致m臺機組停機的概率。

所述的有分支結構的放射形停電損失成本及網損通過以下步驟獲得：

1)根據(jù)有分支放射形結構的海纜拓撲連接圖中的主干海纜和分支海纜的位置和相互聯(lián)系對每段海纜進行編碼；

2)根據(jù)編碼判斷任意兩段海纜是否為從屬關系；

3)根據(jù)從屬關系獲取饋線海纜的停電損失成本及網損。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明從全壽命周期的角度，分析了海上風電場整個運行年限的費用構成，對中壓集電系統(tǒng)拓撲結構進行優(yōu)化，比較了環(huán)形和放射性兩種連接方式，通過算例，可以給出具體的連接方案，以及成本構成，并可比較兩種連接方式的隨年成本上升曲線。

附圖說明

圖1為一串放射形無分支連接結構的風機。

圖2為一串放射形帶分支連接結構的風機。

圖3為一簇環(huán)形結構的風機。

圖4為編碼方法流程圖。

圖5為某海上風電場風機及海上變電站分布。

圖6為放射形連接的最優(yōu)拓撲圖。

圖7為環(huán)形連接的最優(yōu)拓撲圖。

圖8為放射形與環(huán)形連接的全壽命周期成本隨年數(shù)增加曲線。

圖9為實施例中有分支放射型結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例：

海上風電場全壽命周期成本主要包括初始投資成本、網損、維護成本、停電損失成本，各個成本的計算方式如下。

(1)初始投資計算：初始投資主要是海纜的購買與鋪設費用，即：

C_I＝C_cab+C_inst (1)

其中：C_cab表示的是電纜的購買費用，C_inst表示的電纜鋪設費用。

(2)網損計算：放射形和環(huán)形的網損都通過通過年期望值表示。

放射形連接又可分為兩種情況，即有分支結構與無分支結構。無分支放射形連接結構的風機如圖1所示。為了方便表達，需對某饋線每段海纜進行編號，編號數(shù)字代表該海纜所帶的風機數(shù)量。用q_i表示某段海纜的故障率。則對于某無分支結構的風機串來說，該饋線海纜一年產生的運行網損期望值為：

其中：T為一年的小時數(shù)，c為海上風電上網價格，I為風機以平均功率運行時的電流大小，R_i為某段海纜的電阻。

對于放射形帶分支電纜(如圖2所示)的網損需要通過編碼與算法相結合來計算，編碼將在下面進行介紹。

環(huán)形連接(如圖3所示)網損可以表示為：

C_oi＝C′_oi+C″_oi (5)

其中：C_oi為一環(huán)海纜一年的網損期望，m為停機的機組臺數(shù)，C_o′_i為有機組停運的部分，C″_oi為無機組停運的部分。對于式4的前兩部分，若n為奇數(shù)，則將n/2改為(n+1)/2。

(3)維護費用計算：船只航行、微生物和環(huán)境的侵襲，以及運行過程中的老化等原因會造成海纜故障，海纜故障后，采用事后維修的方式，維修時間包括維修海纜所用時間，船只出海航行時間，因天氣原因造成的等待時間等。維修次數(shù)與故障次數(shù)有關，即：

C_M＝kc_m(6)

其中：K為一串電纜一年發(fā)生故障的總次數(shù)，c_m為單次維修所需的費用。

(4)停電損失計算：對于放射形無分支結構來說，編號為m的海纜故障導致m臺風機停運，產生的停電損失功率為其概率為：

則這一串風機一年的停電損失期望可以表示為：

m為故障海纜編號，n為該饋線海纜所帶的總風機數(shù)，p為風機的平均出力。海面上風速的波動性會導致風機出力具有不確定性，但由于故障發(fā)生時間的隨機性，因此可以將風機的出力按年平均出力考慮。

放射形帶分支結構的停電損失同樣需要通過編碼與算法相結合來計算。

環(huán)形連接若干海纜發(fā)生故障導致m臺機組停機的概率為：

其中：q₀等于0，m為停機的機組臺數(shù)，n為一個環(huán)所帶的風機數(shù)量。

一個環(huán)的海纜一年產生的停機損失期望表達式與放射形連接相同(式8)。

編碼方法：

放射形帶分支連接結構的情況較為復雜，且連接結構多樣，無法用一個統(tǒng)一的式子表示其網損和停電損失成本，所以需要將放射形連接結構中的規(guī)律反應到編碼上，然后讓計算機程序來進行計算，在計算其網損與停電損失時，會考慮各種不同的帶分支的放射形連接結構，且分支位置不同，數(shù)量不同，其故障對該饋線中其它海纜的影響也不同，因此無法用一個統(tǒng)一的數(shù)學模型來表示其年網損期望與年停電損失期望。為了識別某段海纜所處位置，判斷出該海纜故障對其它海纜的影響，從而準確算出這一饋線海纜的年網損望期與年停電損失期望，需要對海纜進行編碼，編碼方式如圖4所示。編碼后，如圖9和表1所示，每一段海纜都有獨一無二的一個新編號(即表中的編碼號)，新編號對應的老編號表示的是該段海纜所帶的風機數(shù)。新編號里蘊含了該段海纜的位置以及與其他海纜的關系等信息。

表1編碼后的海纜號和編碼號

某段海纜故障會對其它海纜產生影響，以上圖的風機串為例，假如當海纜d(編碼號為1111)故障時，它的上一級電纜(編碼號為1,11,111，即a,b,c)所流過的電流會減小7I(I為風機以平均功率運行時的電流大小)，此時這些海纜的網損與無故障運行時相比相應減少；另外，海纜d所帶的風機，以及從屬于海纜d的所有海纜(編碼號以1111開頭的所有海纜，即e,f,g,m,n,o,g)都將停止運行，停電損失為7Pt，t為故障修復時間。這些步驟都通過計算機程序實現(xiàn)。

這些新編號所含規(guī)律有：

(1)新編號數(shù)字都為1的海纜是主干海纜，有其它數(shù)字的都是分支海纜。

(2)新編號位數(shù)可表示該段海纜在饋線中所處的位置。

(3)若新編號ui為uj的起始部分，則兩段海纜為從屬關系，有從屬關系的海纜在故障時會相互影響。

通過此種編碼方式，可以使得算法尋優(yōu)過程中，無論放射形結構如何變化，都能計算出該饋線海纜的年網損期望值與停運損失期望值。

因此，海上風電場集電系統(tǒng)的總成本可以表示為：

P_V.sum＝[(1+r)^t-1]/[r(1+r)^t]

P_V＝1/(1+r)^t

式中：C為海上風電場集電系統(tǒng)全壽命周期總成本現(xiàn)值和，I_imax為海纜i流過的最大持續(xù)負荷電流，I_i0為其長期載流量，K_i為海纜長期允許載流量的總修正系數(shù)；S_imin為海纜i的短路熱穩(wěn)定要求的最小截面，I_i∞為其穩(wěn)態(tài)短路電流，t_i為其短路時間，C_ir為其熱穩(wěn)定系數(shù)。P_V.sum為年度投資費用的現(xiàn)值和折算系數(shù)，P_V為折現(xiàn)系數(shù)，其中r為折現(xiàn)率，t為整個壽命周期，海上風電場一般為20-25年。

對于海上風電場集電系統(tǒng)全壽命周期成本模型將采用單親遺傳算法來求解，對放射形與環(huán)形網絡設計問題分別采用了基于prim算法的最小生成樹技術和多旅行商問題解決思路。

本發(fā)明提出的全壽命周期各項成本的計算方法，可以有效的計算出海上風電場集電系統(tǒng)的全壽命周期成本，從而解決了僅考慮初始投資與可靠性不能兼得的問題。

對某海域58臺3.6MW的風機，利用本文提出的方法對其中壓集電系統(tǒng)拓撲結構進行優(yōu)化。風機及變電站位置如圖5所示，*表示的是海上風機，圈為海上變電站的位置，風機前后間距在900m左右。中壓海纜電壓等級為35kv。海纜型號與價格按照設計院所提供的數(shù)據(jù)，故障次數(shù)取0.03次/(年·公里)，海纜故障每次修復時間為1000小時。每一次故障維修費用取為100萬元，上網價格0.85元/度，風電場使用年限為25年，風機年利用小時數(shù)取2470小時，則平均功率為1.02MW。

放射形和環(huán)形連接的優(yōu)化結果分別如圖6和圖7所示。兩種連接方式的隨年累計成本上升曲線如圖8所示，從圖8中可以看出環(huán)形連接的初始投資成本要遠高于放射形連接，隨著運行年數(shù)的增加，兩者的成本不斷縮小，但到了25年運行年限時放射形連接的全壽命周期成本仍要優(yōu)于環(huán)形連接，所以圖6的方案更加合適。從兩種連接方式的全壽命周期成本構成看，兩者差異較為明顯，放射形連接的初始投資最高但不足50％，由于其可靠性較差，因此停電損失成本的占比也很高，占了31％，然后是維護成本與網損。環(huán)形連接的初始投資占了大半，但由于高可靠性使得其停電損失僅占1％，環(huán)形連接所使用的海纜截面積大，電阻小，因此網損也十分的小。

通過該案例可以看出，本專利提出的方法有效可行，可以幫助解決僅考慮初始投資與可靠性不能兼顧的問題，可為今后海上風電場集電系統(tǒng)規(guī)劃提供參考。