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摘要：海上风电场开发如火如荼，发电量、电价及收益率高；但可达性差，设备检修不便，故障维修时间长，目前海上升压站主变压器容量选择多为经验决策，缺乏理论计算依据。本文根据风电场风资源变化频繁特点，结合概率与统计等方法，综合考虑了投资、损耗、收益三个方面，给出了海上风电场主变容量选择优化的方法。为风电场海上升压站主变压器容量优化选择提供重要的指导意义。
关键词：海上升压站；主变压器；容量；优化
1引言
我国沿海海域风能资源丰富，电网及外部运输条件好，开发条件较好；海上风电将是我国东部沿海地区今后风电发展的方向，沿海地区海域广阔，海底地形平坦，风电场可装机容量较大，适合建设千万千瓦级风电基地，并为规模化建设先行示范。2015~2016年，江苏、浙江、福建等省多个海上风电场均开工建设。
海上风电场发电量较高，电价及收益率高；但风电场可达性差，设备故障维修时间长，海上升压站为风电场核心，其总体布局及设备选型对风电场有着极其重要的影响。对于大容量的海上风电场，故障期间考虑船舶调用、气候等因素，设备故障维修时间长，发电量损失较大，其中升压站主要电气设备主变压器要求冗余设计，一般会设置两台，两台变压器互为备用，以保证在一台主变退出运行的情况下，另一台主变尽可能多的送出风电场所发电能。根据风电场风资源特性，当主变冗余容量选取过大时，会造成设备造价及设备损耗过高。综合考虑上述因素，需对单台主变的容量配置进行技术经济比较，以使发电量损失和设备投资之间的关系达到最优化，以选择最优主变容量。
2风资源评估及主变成本分析
根据风电场风速变化频繁、功率变化快特点，主变压器容量选择与风资源关系紧密，风资源及可靠性评估是一项非常重要的工作，直接关系到海上风电场是否能够稳定运行，也直接影响着发电可能取得的经济效益，因此风资源评估是主变容量选择的基础。风资源的评估主要包括风资源可用性评估与考虑风资源约束下的风电机组可靠性评估。本文所采用的风资源评估流程如图1所示。
主变压器的投资成本包括主变压器设备成本及运行损耗费。主变压器设备成本由其选型决定；运行损耗费与主变压器参数、年运行状况及运行年限、电价等有关。本文以设置两台主变压器为例。
1）主变压器的设备成本
由主变压器的选型方案，测算主变压器的设备成本，记为。
2）运行损耗费
单台主变压器全年电能损耗为，由主变压器损耗造成的经济损失，记为。在海上风电场的运行周期内，根据风资源情况及不同风速对应概率，两台主变压器容量损耗造成的运行成本记为，计算公式如下：
其中，为年利率，为海上风电场的运行生命周期，为上网电价。
由以上分析可知，两台主变压器的投资成本可表示为：
3主变压器容量选择优化分析
海上风电场主变压器容量优化的思路为：若风电场传输过来的容量高于主变压器容量，海上升压站输送出的容量受到变压器容量的限制，只有变压器额定容量的电量可以送出；若风电场发出的容量低于主变压器的额定容量，海上升压站送出的电量为风电场实际发出的电量。主变压器容量增加后，海上升压站可送出的电量增加，海上风电场的经济收益得到提高，但是主变压器容量的增加同时其投资成本及运行损耗增加。因此，需要重点研究如何选择两台主变压器的最优容量，思路如下：
1）计算设备成本增加值
根据海上风电场总装机容量，给出升压站主变压器容量备选方案，一般分为基准方案和一系列留有部分裕量的方案。两台主变压器容量至少要满足风电场的装机容量，故选择风电场装机容量为基准方案，设风电场装机容量为，基准方案为两台容量为的主变压器，此时。主变压器容量最大的选型情况是只需一台就可以满足风电场的要求，此时两台主变压器的容量为风电场装机容量的两倍，此时。
由所选各个方案的及基准方案的主变压器容量得到主变压器设备投资成本，并计算出方案i与基准方案相比多出的设备成本，记为：
式中，为方案i的设备成本，为基准方案的设备成本。
2）计算运行损耗费增加值
在海上风电场运行周期内，不同方案容量主变压器电能损耗造成的损耗费用不同。各选型方案相对基准方案的投资增加值可记为：
式中，和分别为选型方案和基准方案在海上风电场运行周期内因主变压器损耗造成的经济损失。
3）计算收益增加值
根据风资源特性，综合考虑海上风电场输出功率特性，计算每个方案在整个变压器经济寿命周期内，所选方案与基准方案相比可以多发出的电能，并根据上网电价转化为收益增加值，记为。在变压器不发生故障时，各方案及基准方案能送出的风电机组的发电容量是相同的，因此可只考虑一台主变压器发生故障的情况。
对基准方案和各个有裕量的方案，当一台主变压器故障时，各方案可所发出的风电机组最大发电容量不再相同，结合主变器的可靠性参数，可将此期间的各方案与基准方案相比多发的电量转化为收益值，记为：
其中，为上网电价，和为主变压器的可靠性参数，为年利率，为海上风电场的运行周期，为一台主变压器故障时另一台主变压器可以发送的电量。
将各方案在整个海上风电场运行周期内与基准方案相比得到的收益增加值记为：
式中，和分别为选型方案和基准方案在海上风电场运行周期内因主变压器损耗造成的经济损失。
4）确定评估指标
对各变压器选型方案，将其与基准方案相比得到的收益增加值与成本和损耗增加值的差作为评估指标。对方案，其评估指标为：
如果各方案计算得到的不是单调递增或递减，则证明最优点一定在这个范围内。利用最小二乘法对得到的做如下处理，取合适步长，按上述步骤逐点计算每个点对应的，做曲线拟合，得到最接近的函数曲线，曲线的最高点对应横坐标就是最优的。对于主变压器选型方案，通过计算机分析，将随变化的关系按最小二乘法拟合，得出曲线的函数表达式后，求出曲线的最高点对应的横坐标，即为主变容量的最优配置。
4结论
结合海上风电场风资源变化频繁特点，综合考虑影响主变选型三大因素，给出了海上风电场主变容量配置优化的方法。该方法能为风电场海上升压站主变压器容量优化提供重要的参考意义。
1)主变容量选择优化，需要考虑项目风资源特性；
2)综合考虑设备一次性投资、运行期损耗、发电收益三个方面，利用计算机和科学分析方法，选择合理的主变压器容量；
3)通过利用“最小二乘法”，可合理选择主变压器容量的最优值。
参考文献
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