基于粒子群算法的风电场集电系统优化设计.doc

基于粒子群算法的风电场集电系统优化设计* 杨之俊 (合肥工业大学 建筑设计研究院, 合肥 230009） 摘要：K-means聚类和粒子群算法实现集电系统的优化设计方案，最后将所提方法模拟应用于某一海上风电场集电系统设计中，通过可靠性与经济性评估结果，证明了所提方法的有效性。 关键词：K-mean聚类；粒子群算法 中图分类号：TM 文献标识码： 文章编号：1001–1390（2016）00–0000–00 Optimal design of power collection system for wind farm based on PSO algorithm Yang Zhijun (Institute of Architectural esign, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China) Abstract：Finally, the simulation of the proposed method with a large offshore wind farm is given to show the effectiveness through the evolution results of reliability and cost. Keywords：wind farm collector system, reliability, K-means clustering, PSO algorithm 0　引 言 为实现2030年4亿千瓦的风电装机容量，近年来我国大规模的风电场发展迅速[1]。在大规模风电场勘察设计、开发以及建设过程中，集电系统的拓扑优化设计具有重要意义。集电系统的作用是将风电场内分布的风电机组发出的电能汇集并输送到输电网络中去，其拓扑设计的难点在于确定风电机组和汇流变电站的位置，由于风电场空间范围广，实现电能汇集的可行方案有成百上千种[2-3]。在众多的拓扑设计方案中，在保证可靠性的前提下，如何实现集电系统冗余度的最小化，以降低风电场建设的成本是值得研究的问题。 集电系统拓扑是由风电机组位置、可靠性、经济 性、土地所有者意愿，以及所在区域气候等因素决定的[4-5]。风电机组选址是综合考虑风速、风向，土质结构，航空限制，以及施工便利性等因素确定的，而汇流变电站是综合考虑减少输电线路长度和电能损耗，以及与风场并网点之间的距离来确定的[3,6]。集电系统的拓扑结构基本分为放射形、环形、星形三种，设计根据不同的可靠性要求和经济性指标进行选择。文献[7]讨论了大型风电场内部拓扑设计，但未从集电系统可靠性建模与分析方面进行研究；文献[8-9]在集电系统可靠性方面做了大量研究，但并未从经济性以及优化设计角度进行论证；文献[10]研究了采用风电场分区和最小生成树的方法进行集电电缆路径设计，考虑了单条馈线的机组数量限制，在经济性优化方面值得借鉴。 本文考虑了集电系统的可靠性、经济性以及集电系统设计中的工程设计约束，构建了可靠性与经济性模型，提出一种完整的集电系统拓扑优化设计方案，实现经济性与可靠性目标的最优。最后通过某一海上风电场集电系统的拓扑设计，验证了设计方案的可行性。 1常见拓扑与开关配置方案介绍 集电系统设计中，主要考虑的是拓扑结构的选择以及开关设备的配置方案。拓扑结构和开关配置方案不仅与集电系统的建设与运行成本有紧密联系，还与运行可靠性相关。 1.1 常见拓扑结构介绍 风电场常见集电系统主要有放射形拓扑、环形拓扑和星形拓扑。 放射形拓扑的优点是投资成本低，控制简单，但是其可靠性不高，任意一台机组或连接电缆故障都将切除整条馈线。环形拓扑提高了集电系统的可靠性，但是造成了输电电缆和开关设备的冗余，增加投资成本，而且操作复杂。星形拓扑的优势是任意一台机组及其电缆的故障都不会影响风电场中其他机组的正常运行，相互之间保持独立，可靠性高，缺点是风电机组之间的的开关设备复杂，不易实现。 1.2常见开关配置方案 不同拓扑结构有不同的开关配置原则。树形拓扑是当前风电场集电系统的常用结构，其开关配置方案主要有：传统配置方案、完全配置方案和部分配置方案。 传统配置方案中开关设备仅安装在馈线接入汇流母线入口处。这种配置方案设计简单，投资成本低，但是一旦馈线中有任意一台机组出现电缆故障，整条馈线将切除，可靠性低。完全配置方案中，相邻两台机组之间的电缆都连有开关设备，一旦有一台机组或电缆故障，只需将该机组从下游本馈线断开，不影响上游机组的正常运行。这种方案的优点是可靠性较传统方案高，但投资成本也高，主要是开关造价大。部分配置方案是在结合以上两种方案的优缺点提出的。在树形结构中，开关只配置在馈线与汇流母线入口和每条馈