劉連光，韓龍艷，蔣智化，劉自發(fā)

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市102206)

0 引言

格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)因其供電可靠性高，容許接入的電源數(shù)量多，在國外的低壓城市配電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］，由于格式網(wǎng)建設(shè)的投資大，在我國的電網(wǎng)建設(shè)中很少采用。隨著人們對(duì)電網(wǎng)供電可靠性關(guān)注的提高，采用新原理、新模式的配電網(wǎng)建設(shè)問題成為了研究課題。可否借鑒低壓格式網(wǎng)思路構(gòu)建高壓格式網(wǎng)，文獻(xiàn)［2］提出了構(gòu)建設(shè)想與研究建議。在高壓格式網(wǎng)的應(yīng)用上，除了負(fù)荷集中、配變多的城市電網(wǎng)外，集中式風(fēng)電場(chǎng)的集電網(wǎng)和太陽能光伏電站的集電網(wǎng)以及遠(yuǎn)距離輸電的送受端的電網(wǎng)都可作格式網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)象來研究。針對(duì)構(gòu)建10kV或35kV格式網(wǎng)模式的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)，本文提出研究高壓格式網(wǎng)的評(píng)估模型與集電能力。

在風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的設(shè)計(jì)上，常見的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)包括放射網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)和星形網(wǎng)3種［3-4］。這些結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)存在可靠性不高、匯集功率小、冗余不足等問題，為此人們對(duì)風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、接線等開展了很多研究［5-7］。目前鏈狀和樹狀網(wǎng)是大型風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)［8-9］。集中式的風(fēng)電場(chǎng)是否可以采用高壓格式網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建集電網(wǎng)，引出了包括集電能力、建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和格式網(wǎng)的保護(hù)等很多需要研究、解決的問題。本文提出研究建立格式網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和停運(yùn)模型，分析格式網(wǎng)和鏈狀風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)率指標(biāo)以及2種模式集電網(wǎng)的停運(yùn)率和集電能力，對(duì)比分析格式網(wǎng)集電網(wǎng)和鏈狀集電網(wǎng)的電纜投資和電量收益，希望能為格式網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的建設(shè)和高壓格式網(wǎng)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 格式網(wǎng)模式的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)

鏈狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在鏈狀風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)中，通常是通過10kV或35kV電纜將若干臺(tái)風(fēng)電機(jī)組連接成“串”，再把若干個(gè)風(fēng)電機(jī)組電纜“串”接到風(fēng)電場(chǎng)功率匯集母線上。鏈狀網(wǎng)存在的主要問題是，1條電纜線路連接的風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量不能太多，否則，一旦電纜某處發(fā)生了故障，尤其是靠近匯集母線處發(fā)生了故障，可能造成整條電纜的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，影響風(fēng)電機(jī)組功率的正常送出。樹狀結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)也存在相同的問題。

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

格式網(wǎng)最主要的特點(diǎn)是具有極高的供電可靠性，網(wǎng)內(nèi)的電纜發(fā)生故障不會(huì)影響電源及設(shè)備的正常供用電［2］。基于格式網(wǎng)允許接入電源的數(shù)量多、供電可靠性高的特點(diǎn)，本文構(gòu)建的格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)如圖2所示。由圖2可以看出，格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集電網(wǎng)適合大量電源的密集接入，并且能保證網(wǎng)內(nèi)的任何1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都有多個(gè)路徑與接入系統(tǒng)的變壓器相連接，能彌補(bǔ)鏈狀或樹狀網(wǎng)存在的接入機(jī)組數(shù)量受限的不足，從而提高集電網(wǎng)匯集的功率，更利于風(fēng)電功率平穩(wěn)地接入系統(tǒng)。

圖2 格式網(wǎng)集電網(wǎng)Fig.2 Meshed power collection grid

2 格式網(wǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)模型

為對(duì)格式網(wǎng)集電網(wǎng)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，提出建立集電網(wǎng)的停運(yùn)模型，評(píng)估集電網(wǎng)的停運(yùn)率。

2.1 風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部接線如圖3所示，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)1、低壓接觸器2、塔筒內(nèi)電纜3、風(fēng)機(jī)出口箱式變壓器4、中壓斷路器5和負(fù)荷開關(guān)6，這些元件構(gòu)成的風(fēng)電機(jī)組接線如圖3所示。風(fēng)電機(jī)組通過單機(jī)單變，將出口電壓由690 V升高至10kV或35kV接入風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)，多數(shù)為35kV［10］。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接線Fig.3 Connection of a wind turbine generator

當(dāng)元件1～5發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將停運(yùn)。因此，可將元件1～5看作元件組停運(yùn)模型［11］，由此可得風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率為

式中:qWTG為風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率;q1～q5為元件1～5的停運(yùn)率。

2.2 格式網(wǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)模型

為了突出格式網(wǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)率這一重點(diǎn)問題，本文在建模的過程中做如下假設(shè):

(1)所建格式網(wǎng)為m×n網(wǎng)格，其中，m，n均為正整數(shù);

(2)停運(yùn)模型只考慮單一故障;

(3)風(fēng)機(jī)型號(hào)相同。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中所接負(fù)荷開關(guān)數(shù)量的不同，可將風(fēng)電機(jī)組分成角位置的風(fēng)電機(jī)組、T位置的風(fēng)電機(jī)組和十字交叉處的風(fēng)電機(jī)組，下面分別考慮這3類風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率。

(1)角位置風(fēng)電機(jī)組:角位置風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷開關(guān)數(shù)量為2，接入網(wǎng)的接線如圖4所示。其中，并聯(lián)電纜是指連接2條鏈上風(fēng)電機(jī)組的電纜，串聯(lián)電纜是指1條鏈上連接相鄰風(fēng)電機(jī)組的電纜。角位置風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)包括2種情形，第1種是風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)，第2種是L1和S1至少1個(gè)停運(yùn)，并且L2和S2至少1個(gè)停運(yùn)，由此可得角位置風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率為

式中:Q角為角位置風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率;qL為L1和L2的停運(yùn)率;q6為S1和S2的停運(yùn)率。

圖4 角位置風(fēng)電機(jī)組接入網(wǎng)接線圖Fig.4 Access network wiring diagran of angle-situated wind turbine generator

(2)T位置風(fēng)電機(jī)組:T位置風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷開關(guān)數(shù)量為3，接入電網(wǎng)的接線如圖5所示(圖中未標(biāo)出風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部元件)。同理，T位置風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)也包括2種情況，第1種情況是風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)，第2種情況是L1和S1至少1個(gè)停運(yùn)，同時(shí)L2和S2至少1個(gè)停運(yùn)，并且L3和S3至少1個(gè)停運(yùn)，可得T位置風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)率為

式中:QT為T位置風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率;qL為L1～L3的停運(yùn)率;q6為S1～S3的停運(yùn)率。

(3)十字交叉處風(fēng)電機(jī)組:十字交叉處風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷開關(guān)數(shù)量為4，接入電網(wǎng)接線如圖6所示，可得十字交叉處風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率為

式中:Q十字為十字交叉處風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率;qL為L1～L4的停運(yùn)率;q6為S1～S4的停運(yùn)率。

2.3 2種集電網(wǎng)的停運(yùn)率指標(biāo)

圖5 T位置風(fēng)電機(jī)組接入網(wǎng)接線圖Fig.5 Access network wiring diagram of T-situated wind turbine generator

圖6 十字風(fēng)電機(jī)組接入網(wǎng)接線圖Fig.6 Access network wiring diagram of crossed wind turbine generator

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)［12-13］以及文獻(xiàn)［14］鏈狀集電網(wǎng)的停運(yùn)率計(jì)算公式，設(shè)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的有功出力均為P，可計(jì)算2種集電網(wǎng)的停運(yùn)率指標(biāo)。對(duì)鏈狀集電網(wǎng)取一個(gè)電纜“串”的前7臺(tái)機(jī)組進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)一個(gè)電纜“串”按末端機(jī)組的編號(hào)為G1依次向母線側(cè)編號(hào)。對(duì)格式網(wǎng)集電網(wǎng)取角位置風(fēng)電機(jī)組、T位置風(fēng)電機(jī)組和十字交叉處風(fēng)電機(jī)組計(jì)算分析。通過計(jì)算，得到鏈狀集電網(wǎng)和格式網(wǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)率指標(biāo)分別見表1和表2。

表1 鏈狀集電網(wǎng)的停運(yùn)率指標(biāo)Tab.1 Outage rate index of radial power collection grid

表2 格式網(wǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)率指標(biāo)Tab.2 Outage rate index of meshed power collection grid

由表1可看出，越是靠近集電網(wǎng)接入系統(tǒng)母線，風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率越高，停運(yùn)等效容量也越高，電量不足期望值也越大，表明鏈狀集電網(wǎng)中靠近母線側(cè)故障會(huì)造成其后的風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)。由表2可以看出，在格式網(wǎng)模式的集電網(wǎng)中，3類風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)率近似相等，停運(yùn)等效容量均為單機(jī)有功出力P，表明格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集電網(wǎng)中風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)不會(huì)相互影響，可提高機(jī)組接入的可靠性。

為了更客觀地比較2種結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)率以及格式網(wǎng)的集電網(wǎng)接納更多數(shù)量電源的有效性，將鏈狀和格式網(wǎng)集電網(wǎng)電量不足期望值折算至單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，可得到鏈狀集電網(wǎng)的等效電量不足期望值為3 164.861P，而格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集電網(wǎng)的電量不足期望值為694.42P。由此可見，鏈狀集電網(wǎng)的等效電量不足期望值約為格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)集電網(wǎng)的4.6倍，該數(shù)據(jù)從另一角度驗(yàn)證了格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的可靠性以及格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)可接納數(shù)量更多的風(fēng)電機(jī)組以及其他類型的電源，例如風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性。

3 集電網(wǎng)的集電能力

利用建立的格式網(wǎng)和鏈狀集電網(wǎng)停運(yùn)模型，考慮集電網(wǎng)實(shí)際參數(shù)，計(jì)算接入機(jī)組變化對(duì)集電網(wǎng)電壓電流的影響，評(píng)估集電網(wǎng)的集電能力。

3.1 集電能力計(jì)算條件

針對(duì)圖1和圖2這2種結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際參數(shù)［15-16］以及本文建立的2種集電網(wǎng)的停運(yùn)模型，利用MATLAB/Simulink可搭建2種集電網(wǎng)的數(shù)值仿真計(jì)算模型，從而可計(jì)算接入的機(jī)組數(shù)量對(duì)集電網(wǎng)電壓和電流的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的集電能力。在本文的計(jì)算中，設(shè)圖1和圖2電網(wǎng)的系統(tǒng)母線為無窮大母線，按照風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)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(jì)算集電網(wǎng)布線電纜的阻抗，風(fēng)電機(jī)組為普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)定速風(fēng)電機(jī)組，系統(tǒng)母線電壓為110kV，集電網(wǎng)母線電壓為35kV，2電網(wǎng)都接有機(jī)組容量相同的16臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量為2MW，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速采用典型的風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)［17］，計(jì)算中考慮風(fēng)速隨時(shí)間的變化。

3.2 集電能力仿真分析

依據(jù)計(jì)算條件和仿真模型，通過計(jì)算正常運(yùn)行方式和典型故障情況下，2種集電網(wǎng)母線上的電壓電流水平，可比較分析2種集電網(wǎng)的集電能力。通過計(jì)算，在正常運(yùn)行方式下，得到的格式網(wǎng)和鏈狀集電網(wǎng)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(yùn)行方式下，2種集電網(wǎng)母線的電壓、電流水平近似一致，輸出近似相同的風(fēng)電功率。

圖7 2種集電網(wǎng)的正常運(yùn)行曲線Fig.7 Operating curves of two power collection grids in normal state

由于集電網(wǎng)的電纜故障占集電網(wǎng)總故障的37%［18-19］。因此，本文主要對(duì)集電網(wǎng)的電纜故障進(jìn)行計(jì)算仿真研究。仿真起始時(shí)間設(shè)置為0，終止時(shí)間設(shè)置為20 s，采用變步長Ode23tb算法;設(shè)仿真開始第5 s時(shí)，在靠近母線側(cè)的1條集電網(wǎng)電纜中點(diǎn)處發(fā)生各種類型的短路故障，并在5.08 s時(shí)切除故障電纜，計(jì)算各種故障和故障切除前后集電網(wǎng)母線的電壓電流水平。對(duì)鏈狀集電網(wǎng)，三相短路切除前后電壓電流單相值計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖1和圖8可知，對(duì)鏈狀集電網(wǎng)，由于由1條電纜線路的首端斷路器切除故障，故障點(diǎn)下游的4臺(tái)機(jī)組被同時(shí)切除以及接入系統(tǒng)變壓器阻抗的作用，在故障切除后，集電網(wǎng)母線的電壓升高，集電網(wǎng)的工作電流減小，因此鏈狀集電網(wǎng)電纜故障，造成風(fēng)電場(chǎng)的出力下降。鏈狀集電網(wǎng)的可靠性差，影響集電網(wǎng)的集電能力。

圖8 鏈狀集電網(wǎng)的故障前后運(yùn)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(duì)于格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集電網(wǎng)，由于任何一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都有多個(gè)路徑送出功率，在技術(shù)上保證電纜故障不影響風(fēng)電機(jī)組，因此仿真計(jì)算結(jié)果表明，網(wǎng)內(nèi)電纜故障切除前后的集電網(wǎng)母線電壓電流的變化與圖7中實(shí)線電壓電流吻合，表明網(wǎng)內(nèi)電纜故障不影響風(fēng)電機(jī)組，格式網(wǎng)集電網(wǎng)的集電能力強(qiáng)，更有利于風(fēng)電功率的平穩(wěn)輸出。但格式網(wǎng)和鏈?zhǔn)郊娋W(wǎng)短路電流水平的計(jì)算結(jié)果表明，格式網(wǎng)集電網(wǎng)的短路電流比鏈狀集電網(wǎng)的更大。

3.3 電纜投資與電量收益

同鏈狀集電網(wǎng)相比，同等規(guī)模的格式網(wǎng)集電網(wǎng)的投資成本主要體現(xiàn)在縱向電纜的投資上，包括電纜的價(jià)格和敷設(shè)費(fèi)用等。而相應(yīng)地，由于格式網(wǎng)集電網(wǎng)的高可靠性，在不考慮多重故障同時(shí)發(fā)生的情況下，格式網(wǎng)集電網(wǎng)的電量收益較高。為突出格式網(wǎng)集電網(wǎng)的投資、收益水平，本文選擇比較格式網(wǎng)集電網(wǎng)與鏈狀集電網(wǎng)的投資、收益的差值。

(1)電纜投資差值。對(duì)集電電纜的造價(jià)［9］取均值，可得電纜單價(jià)和電纜敷設(shè)費(fèi)用分別為1 286.375元/m以及371.625元/m，而實(shí)例中風(fēng)電場(chǎng)南北風(fēng)機(jī)間距為0.5 km，可得電纜投資差值函數(shù)(單位萬元)為

(2)電量收益差值。結(jié)合實(shí)例中的2MW普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)定速風(fēng)電機(jī)組，鏈狀集電網(wǎng)的集電電纜發(fā)生故障時(shí)所造成的電量缺失計(jì)算公式如下(單位MW):

式中t為某鏈上集電電纜的平均修復(fù)時(shí)間(以年為計(jì)量單位)。借鑒相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)［14］，取風(fēng)機(jī)間電纜的平均修復(fù)時(shí)間為880 h，風(fēng)電場(chǎng)東西向風(fēng)電機(jī)組間距為1 km，取風(fēng)電上網(wǎng)價(jià)格為600元/(MW·h)［20］，可得電量效益差值函數(shù)(單位萬元)為

結(jié)合實(shí)例中4×4布局的32MW的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)，以年為計(jì)量單位，可得格式網(wǎng)集電網(wǎng)與鏈狀集電網(wǎng)的投資收益差值比較結(jié)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(wǎng)集電網(wǎng)的電纜投資成本高于鏈狀集電網(wǎng)，需多投入994.8萬元的資金，但是基于格式網(wǎng)集電網(wǎng)的高可靠性，格式網(wǎng)集電網(wǎng)的年電量收益比鏈狀集電網(wǎng)的年電量收益多1 056萬元?？傮w而言，格式網(wǎng)集電網(wǎng)仍可獲得收益61.2萬元，投資前景良好。

4 結(jié)論

(1)風(fēng)電接入系統(tǒng)和風(fēng)電儲(chǔ)能的應(yīng)用需要新原理新模式的集電網(wǎng)。本文提出了一種格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)，建立了格式網(wǎng)和鏈狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)模型，對(duì)比研究了格式網(wǎng)和鏈狀網(wǎng)集電網(wǎng)的停運(yùn)率指標(biāo)，得到了鏈狀集電網(wǎng)的等效電量不足期望值是格式網(wǎng)集電網(wǎng)的4.6倍等結(jié)論，證明了格式網(wǎng)集電網(wǎng)可接納的電源數(shù)量更多。

(2)低壓格式網(wǎng)已在歐美很多國家的城市配電網(wǎng)中廣泛采用，但高壓的格式網(wǎng)還有很多問題需要研究。本文利用建立的集電網(wǎng)模型和實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)，計(jì)算研究了2種集電網(wǎng)電纜故障切除前后匯集母線的電壓和電流水平，結(jié)果表明，格式網(wǎng)集電網(wǎng)匯集的功率更大，承載風(fēng)電機(jī)組功率波動(dòng)的能力也更強(qiáng)，更有利于風(fēng)電功率的平穩(wěn)送出。通過對(duì)比本文實(shí)例中格式網(wǎng)和鏈狀集電網(wǎng)的電纜投資與電量收益，得出格式網(wǎng)集電網(wǎng)可獲得收益61.2萬元，投資前景良好的結(jié)論。

(3)與鏈?zhǔn)骄W(wǎng)的集電網(wǎng)相比，格式網(wǎng)模式的風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)不僅是一個(gè)新事物，也是一種極復(fù)雜的配電網(wǎng)，尤其高壓的格式網(wǎng)缺少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本文仿真案例的機(jī)組數(shù)量不多，考慮的集電網(wǎng)的規(guī)模不大，并且只是對(duì)格式網(wǎng)集電網(wǎng)建模、接納電源的能力問題進(jìn)行了初步研究，由于格式網(wǎng)集電故障和工作電流大，因此格式網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集電網(wǎng)的保護(hù)配置以及限制短路電流等問題都是有待研究的新課題。

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