大型海上风电场集电系统优化研究

论文摘要

风能作为一种重要的可再生能源越来越受到人们的广泛关注。近年来,由于海上风能资源密度较高、且相对稳定,海上风电逐渐成为人们的研究热点并进入规模化发展阶段。尽管大型海上风电场将成为人们未来利用风能的一种重要途径,但在当前阶段,海上风电开发仍然存在一些亟待解决的技术问题。本文研究的是包含内部电气网络和接入电网部分的海上风电场集电系统的经济性和可靠性,属于风电场规划范畴。大型海上风电场造价十分高昂,从东海大桥海上风电场来看,约为2000万元/MW。其中,集电系统建设成本在整个海上风电场建设成本中的比例高达到15~30%。当海上风电场规模增大,离岸距离增加时,还涉及建设一个或多个海上变电站的问题。因此,海上风电场集电系统优化问题已成为当前风力发电领域的重要研究课题,受到国内外的广泛关注。本文首先从大型海上风电场集电系统的特点出发,归纳了影响规划方案经济性和可靠性的因素,并建立相应的数学模型。解决了实际进行风电场规划时如何按照传统规划的要求和准则,同时合理地考虑海上风电的特点从而进行有效的规划风电场集电系统的问题。然后利用文内总结的集电系统经济性优化数学模型,设计了一套组合算法,将大规模的优化问题分区域分层次逐步攻克,解决了集电系统经济性优化数学规划的高维度、强非线性、高时间复杂度的问题。接着在风电场经济性优化完成得到目标方案之后,设计了一套采用蒙特卡洛模拟法的大型海上风电场集电系统可靠性评价体系,定义了影响可靠性的指标,设计了评价步骤,初步解决了大型海上风电场集电系统规划结果评估问题。最后以一个实际的大型海上风电场为算例,运用本文所建立方法和步骤进行了集电系统的经济性优化和可靠性评估。通过算例的计算结果与传统人工设计、全局搜索算法、遗传算法等方法的计算结果对比,论证了本文给出的大型海上风电场集电系统优化方法和可靠性评估体系是快速有效的,为实际的海上风电场规划问题提供了一种科学的定量的规划思路和评估手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景和应用价值
• 1.1.1 论文的研究背景
• 1.1.2 应用价值
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 论文的主要内容
• 1.3.2 论文的创新点
• 第2章 大型海上风电场集电系统优化的基础
• 2.1 引言
• 2.2 海上风电场集电系统构成
• 2.2.1 接线形式
• 2.2.2 电压等级
• 2.3 海上风电电气系统主要电气设备
• 2.3.1 风力发电机组
• 2.3.2 电缆
• 2.3.3 海上变电站、变压器及其它开关设备
• 2.4 影响集电系统经济成本的主要因素
• 2.4.1 影响因素
• 2.4.2 海上的特殊条件的影响因素
• 2.4.3 影响因素量化与模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第3章 大型海上风电场集电系统经济性优化
• 3.1 引言
• 3.2 优化过程中的几个重要问题
• 3.2.1 海底电缆的选型
• 3.2.2 影响大型海上风电场集电系统成本的因素
• 3.2.3 经济性优化的基本思想与整体算法设计
• 3.3 经济性优化算法
• 3.3.1 大型海上风电场风机群变电区域划分算法
• 3.3.2 单个变电区域内可行路径生成算法
• 3.3.3 单个变电区域内风机群分组（串）算法
• 3.3.4 风机群拓扑寻优接入海上变电站算法
• 3.4 本章小结
• 第4章 大型海上风电场集电系统可靠性评估
• 4.1 引言
• 4.1.1 电力系统可靠性的基本概念
• 4.1.2 大型海上风电场集电系统可靠性评估的意义
• 4.2 可靠性评估方法
• 4.2.1 集电系统可靠性评估的方法
• 4.2.2 蒙特卡洛模拟法可靠性评估
• 4.3 大型海上风电场集电系统可靠性评估方案
• 4.3.1 可靠性影响因素
• 4.3.2 可靠性模型
• 4.3.3 定义可靠性指标
• 4.3.4 序贯蒙特卡洛模拟法集电系统可靠性评估
• 4.4 本章小结
• 第5章 大型海上风电场集电系统经济性优化与可靠性评估算例
• 5.1 引言
• 5.2 基础数据明细
• 5.2.1 风机
• 5.2.2 主变
• 5.2.3 海底电缆
• 5.3 集电系统经济性优化
• 5.3.1 优化过程
• 5.3.2 优化结果
• 5.3.3 优化结果与其他算法的比较
• 5.4 集电系统可靠性评估
• 5.4.1 可靠性参数
• 5.4.2 元件故障时序生成
• 5.4.3 可靠性分析
• 5.4.4 可靠性指标计算结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的论文和科研工作