大型海上風電場集電系統最佳化模型與算法研究

《大型海上風電場集電系統最佳化模型與算法研究》是依託上海電力大學，由符楊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大型海上風電場集電系統最佳化模型與算法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：符楊
• 依託單位：上海電力大學

項目摘要

風力發電是當今發展最快的新能源利用形式。近年來，大型海上風電場已經成為風力發電發展的新方向。海上風電場集電系統由於海底電纜拓撲複雜多樣，海上變電站選址定容隨機性強以及海上可進入性差，設備維護與檢修困難等原因，與陸上風電場在成本與限制條件等都存在較大差異。.本研究以包含數百颱風機、分布範圍廣闊、在整體上將呈現多個集電子區域和多個海上變電站的大型海上風電場為研究對象，針對海上風電場電氣設備數量龐大與電網拓撲結構複雜多變等特點，首次將問題進行歸納，總結為離散變數最佳化和網路最佳化兩個方面。擬運用超網路理論，確立海上風電場集電網路的數學描述方法，同時探索可靠性評估方法與基於EENS的經濟性指標，結合風機與機群的短路電流特性，最終建立經濟性最優的數學最佳化模型；然後以分層遺傳算法為基礎設計最佳化算法基本框架，並結合差分不等式與聚類算法對最佳化模型進行求解。為提高大型海上風電場的經濟性和可靠性提供科學依據。

結題摘要

海上風電是風電發展的重要方向。我國海上風資源豐富，東部海岸線緊鄰能源需求大、併網條件好的經濟發達區域，發展海上風電具有得天獨厚的優勢和巨大開發潛力。大型海上風電場中，包含內部電氣網路和接入電力系統的風電場“集電系統”，由於涵蓋了集電、變電和輸電三個環節，不僅成本高昂（約占風電場總投資的17%），而且其可靠性將直接影響風電場電能的輸出能力。這既是一個有待研究的具有非線性約束的非線性系統動態規劃與最佳化問題，也是海上風電開發必須解決的實際工程問題。 主要研究內容如下： 1. 大型海上風電場集電系統特點與影響經濟性、可靠性因素分析 大型海上風電場電源多、分布分散、離岸距離遠，集電系統設備多、規格多、設備選型與潮流、短路電流分布相互影響，具有多電壓等級、多集電子區域的特點，規劃與設計還需滿足特殊的海上約束。影響其經濟性的因素可以歸納為一組離散變數和一個兩層的動態網路。影響其可靠性的因素除風資源、網路結構之外，還包括風電場的運維策略。 2. 大型海上風電場集電系統的經濟性建模與可靠性評估方法研究 本項目採用結構化分析方法獲得集電系統成本影響因素之間的關係圖，並結合圖論理論對集電系統網路拓撲進行定義，構造了反映集電系統成本與一系列非線性約束的經濟性最佳化模型；充分考慮運維策略、風資源及集電系統網路拓撲的影響，採用蒙特卡洛方法對包含可用率、期望電能損失的集電系統可靠性指標進行評估。研究結果顯示，海纜拓撲選擇對集電系統經濟性、可靠性均有顯著影響，是海上風電場集電系統最佳化的主要內容。而對於大規模遠海風電場來說，海上變電站的選址定容是影響風電場集電系統設計的關鍵。 3. 基於圖論與遺傳算法的集電系統最佳化求解 結合集電系統電氣特徵將集電系統最佳化問題分解為變電站層與中壓集電系統層兩個層次，採用模糊聚類算法、Voronoi圖及遺傳算法對該最佳化問題的不同方面進行求解。研究結果顯示，這種結合自上而下的分層最佳化方法，能對大規模的最佳化問題進行降階，既解決了窮舉法最佳化拓撲結構的維數災問題，又能較好地保證解空間的完整性。 本項目共發表論文13篇，其中7篇為EI收錄期刊論文；完成海上風電場電氣系統最佳化系列軟體登記2項；為7個海上風電項目提供技術支持服務；獲上海市科技進步獎一等獎1項，省部級三等獎1項。本項目的研究成果為海上風電場電氣系統規劃與設計奠定了基礎，為解決海上風電場集電系統最佳化設計問題提供理論與方法。