格式網與鏈狀網匯集風電功率能力的比較

劉連光，韓龍艷，蔣智化，劉自發

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市102206)

0 引言

格式網結構的配電網因其供電可靠性高，容許接入的電源數量多，在國外的低壓城市配電網中得到了廣泛的應用［1］，由于格式網建設的投資大，在我國的電網建設中很少采用。隨著人們對電網供電可靠性關注的提高，采用新原理、新模式的配電網建設問題成為了研究課題。可否借鑒低壓格式網思路構建高壓格式網，文獻［2］提出了構建設想與研究建議。在高壓格式網的應用上，除了負荷集中、配變多的城市電網外，集中式風電場的集電網和太陽能光伏電站的集電網以及遠距離輸電的送受端的電網都可作格式網的應用對象來研究。針對構建10kV或35kV格式網模式的風電場集電網，本文提出研究高壓格式網的評估模型與集電能力。

在風電場集電網的設計上，常見的風電場集電網包括放射網、環網和星形網3種［3-4］。這些結構的風電場集電網存在可靠性不高、匯集功率小、冗余不足等問題，為此人們對風電場集電網的結構、接線等開展了很多研究［5-7］。目前鏈狀和樹狀網是大型風電場集電網的典型結構［8-9］。集中式的風電場是否可以采用高壓格式網技術構建集電網，引出了包括集電能力、建設經濟性和格式網的保護等很多需要研究、解決的問題。本文提出研究建立格式網風電場集電網的拓撲結構和停運模型，分析格式網和鏈狀風電場集電網的停運率指標以及2種模式集電網的停運率和集電能力，對比分析格式網集電網和鏈狀集電網的電纜投資和電量收益，希望能為格式網風電場集電網的建設和高壓格式網的應用打下基礎。

1 格式網模式的風電場集電網

鏈狀網結構如圖1所示。在鏈狀風電場集電網中，通常是通過10kV或35kV電纜將若干臺風電機組連接成“串”，再把若干個風電機組電纜“串”接到風電場功率匯集母線上。鏈狀網存在的主要問題是，1條電纜線路連接的風電機組的數量不能太多，否則，一旦電纜某處發生了故障，尤其是靠近匯集母線處發生了故障，可能造成整條電纜的風電機組脫網，影響風電機組功率的正常送出。樹狀結構的風電場集電網也存在相同的問題。

圖1 鏈狀集電網Fig.1 Radial power collection grid

格式網最主要的特點是具有極高的供電可靠性，網內的電纜發生故障不會影響電源及設備的正常供用電［2］。基于格式網允許接入電源的數量多、供電可靠性高的特點，本文構建的格式網結構的風電場集電網如圖2所示。由圖2可以看出，格式網結構的集電網適合大量電源的密集接入，并且能保證網內的任何1臺風電機組都有多個路徑與接入系統的變壓器相連接，能彌補鏈狀或樹狀網存在的接入機組數量受限的不足，從而提高集電網匯集的功率，更利于風電功率平穩地接入系統。

圖2 格式網集電網Fig.2 Meshed power collection grid

2 格式網集電網的停運模型

為對格式網集電網進行量化評價，提出建立集電網的停運模型，評估集電網的停運率。

2.1 風電機組停運模型

風力發電機組的內部接線如圖3所示，包括風力發電機1、低壓接觸器2、塔筒內電纜3、風機出口箱式變壓器4、中壓斷路器5和負荷開關6，這些元件構成的風電機組接線如圖3所示。風電機組通過單機單變，將出口電壓由690 V升高至10kV或35kV接入風電場集電網，多數為35kV［10］。

圖3 風力發電機組接線Fig.3 Connection of a wind turbine generator

當元件1～5發生故障時，風電機組將停運。因此，可將元件1～5看作元件組停運模型［11］，由此可得風電機組的停運率為

式中:qWTG為風電機組的停運率;q1～q5為元件1～5的停運率。

2.2 格式網集電網的停運模型

為了突出格式網集電網的停運率這一重點問題，本文在建模的過程中做如下假設:

(1)所建格式網為m×n網格，其中，m，n均為正整數;

(2)停運模型只考慮單一故障;

(3)風機型號相同。

根據風電機組系統中所接負荷開關數量的不同，可將風電機組分成角位置的風電機組、T位置的風電機組和十字交叉處的風電機組，下面分別考慮這3類風電機組的停運率。

(1)角位置風電機組:角位置風電機組的負荷開關數量為2，接入網的接線如圖4所示。其中，并聯電纜是指連接2條鏈上風電機組的電纜，串聯電纜是指1條鏈上連接相鄰風電機組的電纜。角位置風電機組停運包括2種情形，第1種是風電機組停運，第2種是L1和S1至少1個停運，并且L2和S2至少1個停運，由此可得角位置風電機組的停運率為

式中:Q角為角位置風電機組的停運率;qL為L1和L2的停運率;q6為S1和S2的停運率。

圖4 角位置風電機組接入網接線圖Fig.4 Access network wiring diagran of angle-situated wind turbine generator

(2)T位置風電機組:T位置風電機組的負荷開關數量為3，接入電網的接線如圖5所示(圖中未標出風電機組內部元件)。同理，T位置風電機組停運也包括2種情況，第1種情況是風電機組停運，第2種情況是L1和S1至少1個停運，同時L2和S2至少1個停運，并且L3和S3至少1個停運，可得T位置風電機組停運率為

式中:QT為T位置風電機組的停運率;qL為L1～L3的停運率;q6為S1～S3的停運率。

(3)十字交叉處風電機組:十字交叉處風電機組的負荷開關數量為4，接入電網接線如圖6所示，可得十字交叉處風電機組的停運率為

式中:Q十字為十字交叉處風電機組的停運率;qL為L1～L4的停運率;q6為S1～S4的停運率。

2.3 2種集電網的停運率指標

圖5 T位置風電機組接入網接線圖Fig.5 Access network wiring diagram of T-situated wind turbine generator

圖6 十字風電機組接入網接線圖Fig.6 Access network wiring diagram of crossed wind turbine generator

根據風電機組運行數據［12-13］以及文獻［14］鏈狀集電網的停運率計算公式，設每臺風電機組的有功出力均為P，可計算2種集電網的停運率指標。對鏈狀集電網取一個電纜“串”的前7臺機組進行計算分析，對一個電纜“串”按末端機組的編號為G1依次向母線側編號。對格式網集電網取角位置風電機組、T位置風電機組和十字交叉處風電機組計算分析。通過計算，得到鏈狀集電網和格式網集電網的停運率指標分別見表1和表2。

表1 鏈狀集電網的停運率指標Tab.1 Outage rate index of radial power collection grid

表2 格式網集電網的停運率指標Tab.2 Outage rate index of meshed power collection grid

由表1可看出，越是靠近集電網接入系統母線，風電機組的停運率越高，停運等效容量也越高，電量不足期望值也越大，表明鏈狀集電網中靠近母線側故障會造成其后的風電機組的停運。由表2可以看出，在格式網模式的集電網中，3類風電機組的停運率近似相等，停運等效容量均為單機有功出力P，表明格式網結構的集電網中風電機組的停運不會相互影響，可提高機組接入的可靠性。

為了更客觀地比較2種結構的風電場集電網的停運率以及格式網的集電網接納更多數量電源的有效性，將鏈狀和格式網集電網電量不足期望值折算至單臺風電機組，可得到鏈狀集電網的等效電量不足期望值為3 164.861P，而格式網結構的集電網的電量不足期望值為694.42P。由此可見，鏈狀集電網的等效電量不足期望值約為格式網結構集電網的4.6倍，該數據從另一角度驗證了格式網結構的風電場集電網的可靠性以及格式網結構的風電場集電網可接納數量更多的風電機組以及其他類型的電源，例如風電儲能系統的有效性。

3 集電網的集電能力

利用建立的格式網和鏈狀集電網停運模型，考慮集電網實際參數，計算接入機組變化對集電網電壓電流的影響，評估集電網的集電能力。

3.1 集電能力計算條件

針對圖1和圖2這2種結構的風電場集電網，根據風電場的實際參數［15-16］以及本文建立的2種集電網的停運模型，利用MATLAB/Simulink可搭建2種集電網的數值仿真計算模型，從而可計算接入的機組數量對集電網電壓和電流的影響，進而評價風電場集電網的集電能力。在本文的計算中，設圖1和圖2電網的系統母線為無窮大母線，按照風電場風電機組南北向間距按0.5 km布置，以及東西向間距按1 km布置計算集電網布線電纜的阻抗，風電機組為普通感應發電機定速風電機組，系統母線電壓為110kV，集電網母線電壓為35kV，2電網都接有機組容量相同的16臺風電機組，每臺風電機組的容量為2MW，風電場風速采用典型的風速時間序列數據［17］，計算中考慮風速隨時間的變化。

3.2 集電能力仿真分析

依據計算條件和仿真模型，通過計算正常運行方式和典型故障情況下，2種集電網母線上的電壓電流水平，可比較分析2種集電網的集電能力。通過計算，在正常運行方式下，得到的格式網和鏈狀集電網母線的電壓、電流水平曲線如圖7所示。由圖7可知:在正常運行方式下，2種集電網母線的電壓、電流水平近似一致，輸出近似相同的風電功率。

圖7 2種集電網的正常運行曲線Fig.7 Operating curves of two power collection grids in normal state

由于集電網的電纜故障占集電網總故障的37%［18-19］。因此，本文主要對集電網的電纜故障進行計算仿真研究。仿真起始時間設置為0，終止時間設置為20 s，采用變步長Ode23tb算法;設仿真開始第5 s時，在靠近母線側的1條集電網電纜中點處發生各種類型的短路故障，并在5.08 s時切除故障電纜，計算各種故障和故障切除前后集電網母線的電壓電流水平。對鏈狀集電網，三相短路切除前后電壓電流單相值計算結果如圖8所示。

由圖1和圖8可知，對鏈狀集電網，由于由1條電纜線路的首端斷路器切除故障，故障點下游的4臺機組被同時切除以及接入系統變壓器阻抗的作用，在故障切除后，集電網母線的電壓升高，集電網的工作電流減小，因此鏈狀集電網電纜故障，造成風電場的出力下降。鏈狀集電網的可靠性差，影響集電網的集電能力。

圖8 鏈狀集電網的故障前后運行曲線Fig.8 Operating curves of radial power collection grid before and after the fault being cut off

由圖2可看出，對于格式網結構的集電網，由于任何一臺風電機組都有多個路徑送出功率，在技術上保證電纜故障不影響風電機組，因此仿真計算結果表明，網內電纜故障切除前后的集電網母線電壓電流的變化與圖7中實線電壓電流吻合，表明網內電纜故障不影響風電機組，格式網集電網的集電能力強，更有利于風電功率的平穩輸出。但格式網和鏈式集電網短路電流水平的計算結果表明，格式網集電網的短路電流比鏈狀集電網的更大。

3.3 電纜投資與電量收益

同鏈狀集電網相比，同等規模的格式網集電網的投資成本主要體現在縱向電纜的投資上，包括電纜的價格和敷設費用等。而相應地，由于格式網集電網的高可靠性，在不考慮多重故障同時發生的情況下，格式網集電網的電量收益較高。為突出格式網集電網的投資、收益水平，本文選擇比較格式網集電網與鏈狀集電網的投資、收益的差值。

(1)電纜投資差值。對集電電纜的造價［9］取均值，可得電纜單價和電纜敷設費用分別為1 286.375元/m以及371.625元/m，而實例中風電場南北風機間距為0.5 km，可得電纜投資差值函數(單位萬元)為

(2)電量收益差值。結合實例中的2MW普通感應發電機定速風電機組，鏈狀集電網的集電電纜發生故障時所造成的電量缺失計算公式如下(單位MW):

式中t為某鏈上集電電纜的平均修復時間(以年為計量單位)。借鑒相關運行數據［14］，取風機間電纜的平均修復時間為880 h，風電場東西向風電機組間距為1 km，取風電上網價格為600元/(MW·h)［20］，可得電量效益差值函數(單位萬元)為

結合實例中4×4布局的32MW的風電場數據，以年為計量單位，可得格式網集電網與鏈狀集電網的投資收益差值比較結果如表3所示。

表3 電纜投資與電量收益比較Fig.3 Comparison of cable investment and power income

由表3可知，格式網集電網的電纜投資成本高于鏈狀集電網，需多投入994.8萬元的資金，但是基于格式網集電網的高可靠性，格式網集電網的年電量收益比鏈狀集電網的年電量收益多1 056萬元。總體而言，格式網集電網仍可獲得收益61.2萬元，投資前景良好。

4 結論

(1)風電接入系統和風電儲能的應用需要新原理新模式的集電網。本文提出了一種格式網結構的風電場集電網，建立了格式網和鏈狀網結構的風電場集電網的停運模型，對比研究了格式網和鏈狀網集電網的停運率指標，得到了鏈狀集電網的等效電量不足期望值是格式網集電網的4.6倍等結論，證明了格式網集電網可接納的電源數量更多。

(2)低壓格式網已在歐美很多國家的城市配電網中廣泛采用，但高壓的格式網還有很多問題需要研究。本文利用建立的集電網模型和實際風電場參數，計算研究了2種集電網電纜故障切除前后匯集母線的電壓和電流水平，結果表明，格式網集電網匯集的功率更大，承載風電機組功率波動的能力也更強，更有利于風電功率的平穩送出。通過對比本文實例中格式網和鏈狀集電網的電纜投資與電量收益，得出格式網集電網可獲得收益61.2萬元，投資前景良好的結論。

(3)與鏈式網的集電網相比，格式網模式的風電場集電網不僅是一個新事物，也是一種極復雜的配電網，尤其高壓的格式網缺少運行經驗。本文仿真案例的機組數量不多，考慮的集電網的規模不大，并且只是對格式網集電網建模、接納電源的能力問題進行了初步研究，由于格式網集電故障和工作電流大，因此格式網結構的集電網的保護配置以及限制短路電流等問題都是有待研究的新課題。

［1］Lakervi E，Holmes E.J.配電網絡規劃與設計［M］.范明天，張祖平，岳宗斌，譯.北京:中國電力出版社，2009.

［2］劉連光，王智冬.大型高壓格式網的構建設想與關鍵技術［J］.電網技術，2013，37(4):1064-1068.

［3］Quinonez V G，Ault G W，Anaya-Lara O，et al.Electrical collector system options for large offshore wind farms［J］.Renewable Power Generation，2007，1(2):107-114.

［4］Bahirat H J，Mork B A，Hoidalen H k，et al.Comparison of wind farm topologies for offshore application［C］//IEEE Power and Energy Society General Meeting.San Diego CA:IEEE Power＆Energy Society，2012:1-5.

［5］孫君洋，朱淼，高強，等.大型海上交流風電場內部拓撲優化設計［J］.電網技術，2013，37(7):1978-1982.

［6］靳靜，艾芊，奚玲玲，等.海上風電場內部電氣接線系統的研究［J］.華東電力，2007，35(10):20-23.

［7］Ambra S，Henrik B，Erik K N.Reliability of collection grids for large offshore wind parks［C］//9thInternational Conference on Probabilistic MethodsApplied to PowerSystems，Stockholm，Sweden，2006.

［8］王建東，李國杰.海上風電場內部電氣系統布局經濟性對比［J］.電力系統自動化，2009，33(11):99-103.

［9］譚任深，楊蘋，賀鵬，等.考慮電氣故障和開關配置的海上風電場集電系統可靠性及靈敏度研究［J］.電網技術，2013，37(8):2264-2270.

［10］焦再強.大規模風電接入的繼電保護問題綜述［J］.電網技術，2012，36(7):195-201.

［11］李文沅.電力系統風險評估模型、方法與應用［M］.北京:科學出版社，2006:30-31.

［12］Johan R，Linam B.Survey of failure in wind power system with focus on Swedish wind power plants during 1997—2005［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22(1):167-173.

［13］Rajesh K，Hu P.Wind power simulation model for reliability evaluation［C］//IEEE CCECE/CCGEI，Saakatoon，2005.

［14］黃玲玲，符楊，郭曉明.海上風電場集電系統可靠性評估［J］.電網技術，2010，34(7):169-174.

［15］于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真［M］.北京:機械工業出版社，2013:215-220.

［16］袁鐵江，晁勤，李建林，等.風電并網技術［M］.北京:機械工業出版社，2012:175-177.

［17］任永峰，安中全，李靜立，等.雙饋式風力發電機組柔性并網運行與控制［M］.北京:機械工業出版社，2011:64-65.

［18］Holmstrom Ole，Negra Nicola Barberis.Survey of reliability of large offshore wind farms［M］.Milan，Italy:European Wind Energy Association，2007:1940-1949.

［19］Underbrink A，Hanson J，Osterholt A，et al.Probabilistic reliability calculations for the grid connection of an offshore wind farm［M］.International Conference on Probabilistic Methods Applied Power Systems，2006:1-5.

［20］嚴干貴，馮曉東，李軍徽，等.用于松弛調峰瓶頸的儲能系統容量配置方法［J］.中國電機工程學報，2012，32(28):27-35.