魏書榮，樊　瀟，黃蘇融，盧永魁，符　楊（.上海大學機電工程與自動化學院，上?！?007；.上海電力學院電氣工程學院，上?！?0090；.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南　500）

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海上風電場環(huán)形結構集電系統(tǒng)可用率等值計算方法

魏書榮1，2，樊瀟3，黃蘇融1，盧永魁3，符楊2
（1.上海大學機電工程與自動化學院，上海200072；2.上海電力學院電氣工程學院，上海200090；3.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013）

摘要：為了在規(guī)劃階段即做好海上風電場集電系統(tǒng)的可靠性評估，避免可及性差導致的維護困難，提出將概率性方法與確定性方法結合的可用率等值計算方法。首先根據大規(guī)模海上集電系統(tǒng)的特點將其劃分為變電站層、風機層、電纜層，通過故障樹算法對環(huán)形集電系統(tǒng)的可用率進行分層描述；然后根據環(huán)形結構可能出現的運行狀態(tài)，分別計算單串環(huán)網的可用率；最后以某規(guī)劃中的海上風電場為例對其集電系統(tǒng)的可靠性與經濟性這對矛盾指標進行對比分析，實現集電系統(tǒng)不同拓撲方案的優(yōu)劣比較，為海上風電場集電系統(tǒng)的拓撲規(guī)劃提供量化的參考指標。

關鍵詞：海上風電場；集電系統(tǒng)；環(huán)形拓撲；可用率計算；定量分析

隨著海上風電場規(guī)模的逐漸增大，接入的主網對其可靠性要求也逐漸提高。大型海上風電場的集電系統(tǒng)主要有有備用和無備用兩大類連接方式。無備用的放射形連接方式［1］已在丹麥Horn Rev海上風電場［2］以及東海大橋海上風電場等許多海上風電場中得到廣泛的應用。文獻［2］中還提到了星形、鏈形等連接方式，都可歸類為無備用的放射形連接。有備用的環(huán)形網絡由于經濟成本較高，在之前的海上風電場集電系統(tǒng)規(guī)劃中較少使用，但是對于離岸距離遠、容量大的大型海上風電場，由于其可進入性差，導致維護困難，高可靠性的環(huán)形連接方式是很有必要的。環(huán)形拓撲結構現已得到廣泛應用，例如倫敦奧運會前并網的英國London array大型海上風電場，離岸距離20 km，一期裝機容量630 MW，其集電系統(tǒng)即采用環(huán)形網絡連接結構。

放射形連接方式經濟性更優(yōu)，但可靠性相對較弱，環(huán)形連接方式具有更高的可靠性，但必然需要付出更大的經濟成本代價。但是目前缺乏對2類不同方案的定量分析。在規(guī)劃階段對大型海上風電場集電系統(tǒng)進行可靠性評估，可以比較各種不同規(guī)劃方案的優(yōu)劣，在滿足一定經濟性要求的前提下進行可靠性檢驗，這就需要對集電系統(tǒng)的可用率進行定量評估，以實現不同方案的優(yōu)劣比較，最終得到更加合理、可靠性高的規(guī)劃設計方案。

對于大規(guī)模復雜電力系統(tǒng)，可靠性評估分為確定性方法和概率性方法。對于確定性方法，需要在確定運行方式或有限枚舉故障模式下檢查系統(tǒng)的安全性能；而概率性方法則需根據元件故障和修復的統(tǒng)計值，通過對系統(tǒng)運行方式和元件故障模式的概率模擬，計算各節(jié)點運行參數變化區(qū)間和風險指標，得到概率風險指標和概率經濟指標。概率性方法又分為2類，一類為解析法，將元件和系統(tǒng)的壽命過程加以合理的理想化，并用數學模型來描述這一過程，如網絡法、狀態(tài)空間法、故障樹分析法等；另一類在計算機上模擬出壽命過程的實際重現，并通過對此模擬過程若干時間的觀察，估計所要求的可靠性指標，如蒙特卡洛法。

對于大型海上風電場，單一的評估方法已不能滿足復雜系統(tǒng)的要求［3-4］。采用蒙特卡洛算法進行可靠性評估已被廣泛采用［5-7］，但是其主要是計算服從某個概率分布的狀態(tài)持續(xù)時間隨機變量的抽樣值，評估結果受概率的影響，因而具有一定不確定性，且其求取時間長，每次都要做一個8 760 h或更長時間的循環(huán)，對于大型海上風電場來說，程序運行時間過長。文獻［8］即采用綜合蒙特卡洛算法對環(huán)形集電系統(tǒng)進行可靠性評估，由于受隨機概率分布影響，每次評估結果皆不同。

綜合以上因素，本文考慮將概率性方法與確定性方法結合，計算大型海上風電場環(huán)形集電系統(tǒng)的可用率，結合經濟性分析，實現不同集電系統(tǒng)方案的定量對比分析。

1　海上風電場集電系統(tǒng)的可用率評估方法

大型海上風電場的可用率受多方因素的影響，對于不同拓撲結構的集電系統(tǒng)，海上變電站、海上氣象信息等對集電系統(tǒng)可用率的影響相同，故在此忽略海上變電站、風能特性的影響，只取風機、電纜、開關設備為計算可用率的研究對象。

首先，采用故障樹法對集電系統(tǒng)進行整體評估。集電系統(tǒng)故障樹結構如圖1所示。

圖1　集電系統(tǒng)故障樹結構Fig.1 Fault tree structure of electrical collection system

假定該大型海上風電場共有k個變電站，即有k個分區(qū)；每個分區(qū)皆有若干分串，分別用k1n，k2n，…，kkn表示。每個分區(qū)內的串數并不一定相同，即k1n，k2n，…，kkn的數值不一定相等。每個分串內又有若干臺風機連接，每臺風機都是由風電機組和電纜組元件連接構成，每個分串內連接風機的臺數用km11，km12，…，kmnn表示。同理，風格分串內連接風機的臺數亦不一定相等。由于集電系統(tǒng)在不同拓撲結構下分區(qū)和分串皆不同，且每個分串內的風機連接方式亦可能存在不同，因此，故障樹算法還不足以描述集電系統(tǒng)的可用率，需要和其他能描述拓撲連接的方法相結合。

其次，根據串聯(lián)系統(tǒng)的概念，將除海上變電站外的電氣部分分為兩個等效元件：風力發(fā)電機組元件和電纜組元件。不管是風力發(fā)電機組元件或電纜組元件都是可修復元件，模型中需要有元件故障率和以年為單位的故障恢復時間2個參數表征［9-10］。風電機組和電纜組的連接方式分別如圖2、圖3所示。

最后，采用狀態(tài)枚舉法羅列環(huán)形網絡的風力發(fā)電機組元件和電纜組元件所有可能的運行狀態(tài)，并計算其等效停運率。文獻［11］詳細分析了放射形集電系統(tǒng)的可靠性，本文主要評估環(huán)形集電系統(tǒng)的可靠性。環(huán)形集電系統(tǒng)在連接方式上屬于有備用接線方式，其可靠性遠高于放射形的無備用接線方式，評估方法也相應地不同。

圖2　單臺風力發(fā)電機組接線示意圖Fig.2 Connection of single wind turbine generator system

圖3　海底電纜組元件電氣連接示意圖Fig.3 Electrical connection of submarine cable elements

2　分串環(huán)網可用率計算模型

目前已經有比較成熟的計算方法［12-13］評估傳統(tǒng)水電廠和火電廠的電氣主接線可靠性，將每一組連接成“串”的風力發(fā)電機組在維持相同可靠性標準的情況下等效成一個常規(guī)發(fā)電機組，則可以按照傳統(tǒng)的模型和方法評估該海上風電場集電系統(tǒng)的可靠性［14］，最后再根據故障樹邏輯得到整個風電場的可用率。

圖4　單串環(huán)網拓撲結構示意圖Fig.4 Topological structure of single-string ring network

對于圖4中的環(huán)網拓撲結構來說，不可能出現分叉，因此，中壓斷路器和負荷開關對可靠性的影響主要可以分為以下2種情況［11］：

a.負荷開關數量為1，即風機位于串的末端，通過海底電纜L與其他風機相連，此時元件5、6或海底電纜L的停運將造成整個風電機組停運，即圖2中只有負荷開關S1、無負荷開關S2的情況?？梢詫⑵湟暈樵M停運模式，其停運率為

表1　負荷開關數量為2時系統(tǒng)運行狀態(tài)表Table 1 Operation states when number of load switches is 2

式中：Q1——風電機組的等效停運率；qL——海底電纜L的停運率；q1～q6——圖2中元件1～6的停運概率。

b.負荷開關數量為2，如圖2所示同時有負荷開關S1、S2的情況，若S1、S2兩端各有1臺風機，qWTG為風機的等效停運率，qL為海底電纜L的等效停運率，則此系統(tǒng)的運行狀態(tài)列表如表1所示。

根據風電機組“串”的可靠性邏輯與其運行狀態(tài)列表，在保持期望故障受阻電力不變的前提可以等效為一個容量為（n＋1）PN的發(fā)電機組。其中，Qn為圖2所示的n臺風力發(fā)電機組串聯(lián)結構的等效停運率；Qn＋1為n＋1臺風力發(fā)電機組串聯(lián)結構的等效停運率，由Qn迭代計算得到，當n＝1時Q1可以由式（1）計算得到。由此可得到負荷開關數量為2時，容量為（n＋1）PN的發(fā)電機組的等效停運率為

以圖4中給出的環(huán)網拓撲中S2開關所在串的7臺風機為例進行說明，整個海上風電場有若干個類似的風機串構成。L1～L8為電纜支路，每段電纜的接線如圖3所示。

每串風機串上各段電纜的編碼用1、0、×表示。其中1為正常，0為停運，×為兩者皆可。由于環(huán)網結構的特殊性，環(huán)網若要能正常運行，則首尾支路至少有一條支路能夠正常運行即可。若L2～L7段電纜任意一條支路停運，則仍然可以輸出所有機組全都正常運行的功率，則整串支路只有在L1、L8段電纜支路同時停運的情況下才可能停運，因此，只需分別計算出L1和L8段電纜支路的停運率q1、q8，整串支路的總停運率為

表2　各段電纜的運行狀態(tài)Table 2 Operation state of each segment of cable

先求q1，根據狀態(tài)枚舉法，在L1支路停運的條件下，其他各條支路可能出現的狀態(tài)如表2所示。

風電機組“串”在保持期望故障受阻電力不變的前提下可以等效為一個容量為nPN的發(fā)電機組，根據期望受阻電力不變的原則，取表中各運行狀態(tài)的可靠性概率與輸出功率的乘積之和，將其除以“等值容量”可以得到等效停運率，即

同理，可以得到L8段電纜支路停運的總等效停運率為

式中：Q'n——采用公式（2）計算出的L8支路停運時n臺風力發(fā)電機組串聯(lián)結構的等效停運率。

按照公式（3）即可求出整串環(huán)網的等效停運率。對整個風電場而言，可用率由上述計算的各串網絡共同構成，假定2串網絡各自看成一個整體，其等效停運率分為Qe1、Qe2，每串對應的額定容量分別為P1、P2，這里對各分串采用故障樹邏輯時，由于每串網絡所連風機數目基本相同，可以認為每個分串對整體應用的概率基本相同。根據故障樹的邏輯關系，則其可能出現的運行狀態(tài)如表3所示。

表3　風電場2串集電系統(tǒng)運行狀態(tài)Table 3 Operation state of two-string collection system of wind farm

2串集電系統(tǒng)的等效停運率為

依此類推到多串網絡，若是風電場有多個分區(qū)，以每個分區(qū)為1個計算單元，每個分區(qū)下有多串網絡，即可計算出整個風電場的等效停運率。

3　環(huán)網與放射形網絡的對比分析

首先分析單串環(huán)形結構及放射形結構的可用率，將圖4中的L5電纜斷開即可得到放射形網絡結構。再以規(guī)劃中的某海上風電場為例對其集電網路在環(huán)網與放射形網絡（圖6）2種典型連接拓撲結構的可靠性進行對比分析。

為了使2種不同結構網絡的可靠性更具有可比性，將2種結構下的分串處理得相同，主要是為了環(huán)形和放射形2種情況下的可靠性對比。首先分析風電場集電系統(tǒng)單串網絡在環(huán)形和放射形2種結構下的對比結果。這里環(huán)網每段電纜截面分別為最大運行方式下對電纜截面進行選型的結果，如表4所示。

電纜不同截面的價格相差巨大，例如：截面95 mm2的電纜成本為92萬元/km，而截面300 mm2的電纜成本為175萬元/km。結合電纜不同截面的價格及各段所有電纜長度，可得到環(huán)網與放射形網絡的經濟性及各項可靠性指標，如表5所示。整個風電場由多串網絡構成，2種不同結構下的串數及每串的分組可能皆有差異，進行經濟性優(yōu)化［8］后2種接線方式下的拓撲結構圖如圖5所示。

表4　單串集電系統(tǒng)不同結構下電纜截面選型的結果Table 4 Results of cable section selection with different structures of single-string collection system

表5　集電系統(tǒng)兩種結構的經濟性及可用率指標對比Table 5 Comparison of economy and reliability indices between two structures of collection system

圖5　風電場網絡拓撲結構Fig.5 Topological structure of wind farm

在可用率計算中，年利用小時數除受故障停運、維護檢修等影響外，還受風能的影響，這里以國內首座海上風電場（東海大橋海上風電場）設計的年利用小時數2600h為基準進行計算。其中，年利用小時數＝計及風能影響的風電場可用率×8760。

表5結果表明，環(huán)網比放射形網絡的可靠性高，但是經濟性不如放射形網絡。東海大橋海上風電場集電系統(tǒng)采用放射形網絡連接，采用本文方法計算的年利用小時數與此海上風電場實際運行的年利用小時數一致，驗證了本方法的有效性。若采用環(huán)網網絡，具有更高的可靠性，可得到更高的年利用小時數，但是由于環(huán)網結構每段電纜在最大運行方式下所帶風機多、截面大，需要以一定的經濟成本作為代價。正是由于這個原因，很多海上風電場集電系統(tǒng)都直接選用了放射形連接方式。

采用序貫蒙特卡洛模擬法對本文海上風電場案例的可用率進行計算，首先根據元件的可靠性參數，生成風機組的隨機故障時序和電纜組的隨機故障時序，仿真組合整個風電場0～8760h的狀態(tài)時序。由于受隨機概率的影響，每次8760h循環(huán)仿真的結果不同。經過多次仿真取平均值以得到盡量可靠的結果，可以得到環(huán)網和放射形網絡2種方式下海上風電場的等效容量分別為：97.57 MW、89.97 MW，風電場由28臺3.6 MW的風機構成，則海上風電場的故障停運率分別為0.03204、0.1074。該結果與表5中采用等效停運率計算出的風電場故障停運率結果基本一致。

以海上風電場整體集電系統(tǒng)為研究對象時，風機串的數量以及每串的臺數亦發(fā)生相應變化。放射形的接成4串，每串7臺風機。環(huán)形連接由于其每段電纜截面增大，充分利用此優(yōu)點，每串所帶風機數量增多，環(huán)形最優(yōu)方式為接成3串、每串9臺風機，因此集電系統(tǒng)的成本比放射形的增加14.6%，但是風電場年利用小時提高7.2%。所以在離岸距離遠、容量大的大型海上風電場，環(huán)形連接方式應作為主要備選方案在規(guī)劃設計中予以考慮。本文對于集電系統(tǒng)放射形及環(huán)網拓撲結構的可靠性評估方法具有一般性，可推廣到任意海上風電場。

4　結　　語

放射形網絡結構在大型海上風電場集電系統(tǒng)規(guī)劃中得到了廣泛應用，但是對于離岸距離遠、容量大的大型海上風電場，由于其可進入性差，高可靠性的環(huán)形拓撲結構是很有必要的。本文首先分析海上風電場環(huán)形集電系統(tǒng)的可用率計算方法，然后以某規(guī)劃中的海上風電場為例，分別計算單串集電系統(tǒng)和整個海上風電場的等值可用率，用國內唯一并網的大型海上風電場的實際運行數據驗證了本方法的可行性。最后，結合經濟性指標，對集電系統(tǒng)不同方案的優(yōu)劣進行對比分析，為海上風電場集電系統(tǒng)的拓撲規(guī)劃提供較好的數據依據，可廣泛應用于海上風電場建設與規(guī)劃中，對加快我國海上風電場建設意義深遠。

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Method for calculating equivalent availability of ring collector system for an offshore wind farm

WEI Shurong1，2，FANXiao3，HUANGSurong1，LUYongkui3，FUYang2
（1.School of Mechatronic Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China；2.College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；3.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd，Jinan 250013，China）

Abstract：In order to evaluate the reliability of a collector system of an offshore wind farm in the planning stage and to avoid maintenance difficulties caused by the poor accessibility，a method for calculating equivalent availability is proposed combining the probabilistic and deterministic methods.First，according to the characteristics of the largescale offshore collector system，it can be divided into a substation layer，turbine layer，and cable layer，and the availability of each layer of the ring collector system is described using the fault tree algorithm.Second，according to the possible operation state of the ring structure，the availability of a single-string ring network is calculated.Finally，using a planning offshore wind farm as an example，the reliability and economy of the collector system are compared and analyzed，and different topological schemes of the collector system are also compared，providing quantitative reference indices for topological planning of the collector system of an offshore wind farm.

Key words：offshore wind farm；collector system；ring topology；availability calculation；quantitative analysis

作者簡介：魏書榮（1980—），女，湖北鐘祥人，副教授，主要從事大型海上風電場規(guī)劃設計及運行維護研究。E-mail：wsrmail@163.com

基金項目：國家自然科學基金（51177098）；上海綠色能源并網工程技術研究中心項目（13DZ2251900）；上海市科委科技創(chuàng)新項目（14DZ1200905）

收稿日期：2015-06-02

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.015

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980（2016）01-0089-06