海上风电场电气系统优化设计与运行
风力发电场的电气系统设计与优化张兆华
风力发电场的电气系统设计与优化张兆华发布时间：2023-07-04T02:58:24.826Z 来源：《科技新时代》2023年8期作者：张兆华[导读] 随着中国经济的蓬勃发展，人民生活水平有了很大的提高。
近年来，社会的发展对电力企业的供电提出了更高的要求，这就要求发电企业不仅要提供更优质的能源服务，而且要保证核心发电企业的安全生产。
为确保发电设备在节能减排的大趋势下安全、稳定、可靠、环保运行，只有通过严格、全面的技术监督和科学的技术监督管理措施，才能使发电设备处于良好的运行状态。
身份证号：14232319840616XXXX摘要：随着中国经济的蓬勃发展，人民生活水平有了很大的提高。
近年来，社会的发展对电力企业的供电提出了更高的要求，这就要求发电企业不仅要提供更优质的能源服务，而且要保证核心发电企业的安全生产。
为确保发电设备在节能减排的大趋势下安全、稳定、可靠、环保运行，只有通过严格、全面的技术监督和科学的技术监督管理措施，才能使发电设备处于良好的运行状态。
关键词：风力发电场；电气系统设计；优化1电气一次系统设计1.1风机选型通过对风电机组负荷、设计指标和设备结构的研究，选择了既能在特殊气候条件下高效发电，又能提高风电机组在恶劣气候和台风条件下的可靠性和安全性的风电机组。
本课题以750A和850MΩ两种适合风电场的风力发电机组为研究对象。
选择Vestas V52-850作为风电场电机型号。
所选850kW风电机组采用变桨距或变速发电机风机，桨距可调，轮宽65m，轮长52m，断风4m/s，断风25m/s，额定风速19m/s，极限风速70m/s。
1.2主接线设计风电场电气系统主接线。
电站共配置10台机组容量为850kW、总容量为8.5MW的风电机组，根据实际需求，本项目设置110kV升压点，将110kV主变压器、35kV ~ 110kV风电场发电能力接入华南电网。
在这种情况下，风电场装机容量为8.5MW，单台机组最大运行容量为850KW。
综合考虑经济性与可靠性的海上风电场集电系统布局优化方法
综合考虑经济性与可靠性的海上风电场集电系统布局优化方法摘要：本文在充分考虑了风电场风速分布、尾流效应等环境因素的基础上，提出了综合考虑海上风电场集电系统电气设备的投资成本、运行损耗等经济性指标和运行故障机会成本等可靠性指标来评价集电系统拓扑连接经济效益的方法，并将该全生命周期的评价方法应用于海上风电场集电系统拓扑的优化。
实验结果表明，该方法能够获得经济效益更好的集电系统拓扑连接形式。
关键词：海上风电场；集电系统；经济性评估；拓扑优化0 引言海上风力发电因其相比较于陆地发电的独特优势，近几年来在国内外得到了长足的发展。
虽然目前规模仍然不大，但确是目前被普遍看好的新能源发展方向，预计到2020年，中国海上风电累积装机容量将达到，占到风电装机总容量的30%以上。
海上风电场集电系统用于将风电场各台风力发电机发出的电能汇集到海上升压站，以便将电压进一步升高之后使电能输送到岸上并入电网。
国外的建设经验表明，集电系统的设备投资超过海上风电场总投资的5%，从建设成本角度优化集电系统的布局对降低风电场的建设成本就有着重要意义。
由于恶劣的工作环境，海上风电场每年因为集电系统的设备故障造成的发电损失也十分可观，如采用传统放射形拓扑的集电系统因故障损失的电量即其故障机会成本可能占到该风电场预计发电能力的10%以上，这样，集电系统的可靠性就成为优化集电系统布局所必须考虑的一个因素。
近年来，针对于海上风电场集电系统布局的优化方法的研究，国内外取得了许多成果，论文[1]提出了以集电系统中压海底电缆总长度最小为目标的集电系统优化方法；论文[2]应用模糊聚类和图论的方法提出了使得集电系统电气设备投资最小的优化方法；论文[3]采用混合遗传和免疫算法提出了使海上风电场集电系统电气设备投资和运行损耗最小的优化方法。
但是这些方法在对集电系统布局优化过程中都没有将集电系统的可靠性和运行损耗考虑在内。
在集电系统运营期间，由于故障和运行损耗引起的经济损失都是巨大的，需要引起设计和运营方的重视。
海洋风电场电站系统设计
海洋风电场电站系统设计海洋风电是目前世界范围内最为重要的新型可再生能源，得到众多国家的高度重视和支持。
而在海洋风电站的电站系统设计中，如何充分考虑到海洋复杂的水文气象环境、海洋生态、海洋建设工程技术等多重因素，并且优化各个环节的设计，保证整个系统的高效运行和良好的经济效益，具有非常重要的实际意义。
电站系统是领先的关键技术电站系统是海洋风电站中最重要的关键技术之一。
它的任务是将海上风能转化为电能，以满足人类社会对电能的需求。
在设计电站系统时，需要考虑到多个方面的因素，其中，最主要的包括海洋水文气象环境、船舶技术、海洋资源勘测、建设工程技术等等，还要注意人员和设备的保护和安全，以及环境影响的评估和预测等等。
在这样的多重条件下，需要进行科学合理的设计，进行细致全面的考虑，才能保证整个电站系统的运行效率和经济效益。
设计原则：稳定和高效电站系统的设计应该遵循以下两个原则：稳定和高效。
在稳定方面，电站系统需要确保在海洋环境中，具有良好的适应性，能够承受恶劣的海况和风速，同时还需要考虑到维护和保养的便捷性。
同时，电站应该具有一定的自主安全性，来充分保护人员和设备。
在高效方面，电站应该能够高效地将海流、海水、太阳能、风能等转换为电能，并且尽可能地降低能源的浪费，以提高经济效益。
电站系统的结构和构成电站系统的结构可以分为地与海两种类型。
地上风电站通过风轮机将风能转变为电能，具有简单、可靠、维护方便等优点，但是在海上风电站中，由于风能的能量密度相对较小，需要空气动力学设计、制造和安装技术的配合，在实现高效利用的情况下尽可能降低成本。
这些多种技术属性和特点，需要充分优化和配合，以达到最佳效果。
1.风能转化技术海上风电系统的核心是风能转化技术，它是为了将海洋上的风能转化为电能而发展出来的。
目前，风力发电的核心是风轮机的设计和制造技术。
风轮机的设计和制造过程都需要精密的计算和高度精细化的设备制造；同时还需要准确的风能模拟计算，以评估电站系统的整体设计效果。
风能发电系统的优化设计与运行策略
风能发电系统的优化设计与运行策略随着能源需求的增长和对环境的关注，可再生能源已成为全球能源领域的重点发展方向。
其中，风能作为一种广泛可利用的可再生能源，其发电系统的优化设计和运行策略的研究具有重要意义。
本文将讨论如何优化风能发电系统的设计，并提出一些有效的运行策略。
首先，优化设计风能发电系统应考虑风能资源的分布和条件。
地理位置和气候条件对风能资源具有重要影响。
因此，选择一个适宜的地点是关键。
在确定地点后，应进行详细的风能资源评估，包括测量当地的风速、风向和风能密度等参数。
这些数据可以用于确定风机的布局和选择适当的发电机容量。
其次，优化设计需要考虑风能发电系统的组成部分。
风力发电系统主要由风机、输电系统和电网组成。
在选择风机时，应考虑风机的类型（如水平轴风机或垂直轴风机）、叶片的材料和设计、发电机的类型和容量等因素。
此外，输电系统的设计应确保风电站能够有效地将电能输送到电网。
最后，风能发电系统应与电网相互连接，以确保稳定供电。
除了优化设计，合理的运行策略也对风能发电系统的效率和可靠性有着重要影响。
首先，风能发电系统应采用智能控制技术，以跟踪和适应风速的变化。
通过实时监测风速、风向和其他参数，自动调整风机的角度和转速，可以最大程度地提高能量利用率。
其次，定期的维护和检修是确保风能发电系统持续运行的关键。
定期检查风机的性能，并修复任何故障或损坏，可以提高系统的可靠性和寿命。
此外，可以利用预测模型和数据分析技术来优化风能发电系统的运行计划。
根据天气预报和历史数据，可以预测未来的风能资源，并相应地安排风机的运行计划，以最大化风能的捕获和发电。
同时，考虑到风能发电系统的环境影响也是优化设计和运行策略必须重要考虑的因素。
风能发电系统的建设可能对动植物的迁徙、栖息地和声音环境等产生一定影响。
因此，在选择风电站的地点时，必须进行环境影响评估，并采取相应的保护措施。
此外，在运行过程中，应注意减少噪音和防止鸟类等动物与风机发生碰撞。
海上风电场建设中的设计与施工
海上风电场建设中的设计与施工随着全球能源危机和环保意识的日益提高，海上风电场建设成为了国际上一个备受瞩目的领域。
而海上风电场建设的过程，设计和施工环节是至关重要的。
本文将从海上风电场的特点、设计和施工的难点、技术创新和管理措施等方面分析海上风电场建设中的设计与施工。
一、海上风电场的特点海上风电场建设与陆上风电场相比，不仅具有很高的技术复杂性，而且受自然环境的影响更加明显。
海上风电场的设计与施工相比陆上风电场更加困难、复杂、耗时等。
首先，在海上风电场建设的选址方面，需要考虑到海面的深度、海底地质、水动力和海洋生物等因素。
海底地质状况对风电场的建设非常关键，因为海底地质条件的差异直接影响风机基础的设计和安装方式。
其次，海洋环境对风电场的运营和维护也存在一定的影响，如极端气象条件、浪潮和海流等问题都需要被重视。
其次，在海上风电场设计中，新能源技术的应用将是一个关键因素。
海上风电场和陆上风电场相比增加了海上运输的难度和施工的复杂性，但同时也有着更加广阔的发展空间。
海上风电场的设计需要进行更加细致的模拟、计算和优化，采用更加灵活的风电机组配置和科学的风电机组布局方式，以保证风力发电的符合经济性以及创新性。
最后，海上风电场建设对于施工与运维管理水平要求较高。
由于浪潮等自然因素，海上风电场的施工周期相比陆上风电场要长，施工的风险也更高。
同时，风电机组不同于传统发电机组，对人员的专业素质和维修技能有较高的要求。
管理层在海上风电场建设中需对风电机组周期性检修进行充分规划、调配和技术升级以保证正常的构建运行。
二、设计和施工的难点海上风电场的设计和施工涉及到多学科领域，其中存在的诸多难点。
施工周期长、费用高、前期投资巨大，都是影响海上风电场建设的主要因素。
下面重点讨论一些需要特别关注的问题：1.海洋环境对于设计和施工的影响海上风电场建设需要考虑的第一个因素是风资源的丰度和稳定性，但同时也需要充分考虑海洋环境对风电场程设计和施工的影响，比如水文、气象、水文温度和海雾温度等等。
风力发电场的电气系统设计与优化
风力发电场的电气系统设计与优化摘要：随着我国科研水平的提高，新技术不断取得突破，部分领域已赶上国际先进水平。
不过，与一些发达国家相比，我国的智能化研发水平还有待提高，部分智能化产品还处于试验阶段。
因此，需要进一步推进风电智能化研发和生产，构建科学的风电模型，充分发挥智能系统在风电设备中的作用；实时收集智能装备在实际项目中的使用情况，反馈存在的不足和问题，并进一步进行修正、改进，使风能智能装备的整体工作效率水平得到全面提升。
关键词：风电场；电力系统；设计与优化1风电场分析所谓风电场是风能资源较好地区的人员、设备和物资的集合，包括风电机组、辅助输变电设备、运维人员和基础建筑设施等。
在风电场中，根据风力的特点，将大量的风力发电机按照一定的规律组成阵列，依靠风力发电机组完成风能向电能的转换，然后依靠输变电设备将其馈入电网。
其建设在于更好地利用风能，这也与风电场本身的特点有关。
风电场风资源丰富，同时，风力发电符合当前的环保要求，改善了当今传统燃煤发电的现状。
考虑到单个风电场机组的风电场容量较小，需要依靠大量风电机组组合形成一个整体分散的风电场，增加发电量。
所需风钟等基于上述风电场的特点，可以保证风力发电的整体效果和质量。
2识别风电设备的健康状态针对风电设备健康状态自动识别问题，多位电网专家和高校讲师进行了卓有成效的探索，提出了许多有效的风电设备健康状态自动识别模型。
起初，人们利用模糊综合评价设计了风电设备健康状况自动识别模型，该模型工作过程简单，易于实现，越复杂，模糊缺陷越明显。
风电设备健康状态报废率高等综合评价技术。
随后，出现了基于人工智能技术的风电设备健康状态自动识别模型，其代表有：小波包神经网络、SOM神经网络、支持向量机等，具有较好的学习能力，可以预测发电设备健康状态国家对风电进行跟踪，获得较好的风电设备健康状态识别结果，已成为风电设备健康状态识别的重要研究工具。
但在实际应用中，该模型存在一定局限性，如支持向量机识别风电设备健康状态效率低，神经网络易受噪声干扰，使得风电识别结果发电设备健康状况不稳定，模型泛化能力较弱。
风力发电场的电气系统设计与优化
风力发电场的电气系统设计与优化摘要：我国随着科研水平提升，不断有新的技术实现突破，部分领域已赶上国际先进水平。
但与部分发达国家相比，我国的智能化研发水平还有待提升，部分智能化产品仍处于实验阶段。
因此，应进一步推进风电智能化研发生产工作，构建科学的风电模型，发挥智能系统在风电设备中的作用;实时收集智能化装备在实际项目中的运用情况，反馈存在的不足与问题，进一步修正、提升，使风电智能化设备整体工作效益水平得到全面提升。
关键词：风力发电场；电气系统；设计与优化引言大型风机发电能力更强，但故障率更高、运行成本更高，对风电技术提出了新要求。
智慧风电技术可实现自动检测、提前预测、快速响应，有效降低故障率、实现提质增效，逐渐成为行业技术发展的重点方向。
智慧风电是风电技术发展与信息化技术发展结合的产物，是行业技术顶尖的研究之一。
目前美国国家可再生能源实验室提出了SMAＲT战略，GE公司布局了数字化风电场，远景公司开发了能源互联网平台EnOS，上海电气发布了“风云集控”系统，国内外先进企业均大力投入研究大数据、网络平台和人工智能等智慧化技术如何与风电技术结合，推进风电场生产运行效率、降低生产成本与运维成本，最终实现提升行业整体效率。
1.概述风力发电受到世界各国政府、能源界和环保界的高度重视，风电规模日益壮大。
与传统化石燃料相比，风力发电单位能源产出的成本较高，与其他电力能源之间的差距显著，在一定程度上限制了风电发展空间，成为阻碍行业转型发展的重要因素。
从技术领域上看，提升风力发电效率的方式在于增加风电叶片直径，使之产生更大发电效率，这无疑是降低能源产出成本的常用技术手段。
但是，由于风电装备通常服役在交通不便利的偏远地区或近海地区，风电装备的运行维护面临极高的困难和维护成本。
这点对于我国的风电市场尤为显著。
由此可见，发展风电机组的预警平台系统，将有助于风险问题早预测、早报警、早处理，力求通过技术手段提升故障防范能力，避免灾难事故产生以及保证运行平稳，延长风电机组的服役寿命，这不仅是对于企业的成本考量，更是“双碳”战略下的必然选择，发展绿色能源在实现碳中和目标中具有积极意义。
海上风电系统无功补偿优化设计分析
海上风电系统无功补偿优化设计分析摘要：在海上风电系统建设中，优化无功补偿设计能够增强系统运行效果。
基于此，本文从海上风电系统无功补偿优化设计的研究意义展开论述，详细阐述了机组模型构建、集电系统模型构建、系统无功补偿运行分析、无功补偿设计研究、设计方案仿真验证这几项优化设计分析过程，研究了无功补偿装置的·优化。
关键词：无功补偿；风电系统；机组模型引言：海上风电系统是一种能够将海上风能转化为电能的发电系统，具有低碳、环保等优势。
而无功补偿系统作为保障风电系统稳定供电的重要设施，起到了提高供电效率、减少电网损耗的作用，因此工作者应当深入分析无功补偿系统的优化设计方法，并采取有效措施，强化无功补偿装置的效用，提升系统运行水平。
1优化设计的研究意义据统计，我国东部沿海地区存在可开发风能资源约有7.5千亿瓦，供电企业通过建设海上风力发电系统，能够实现沿海地区的有效供电，推动我国可持续发展国策的落实进程。
在此过程中，海上风电系统需要借助长距离的海底电缆以及海上升压站，来进行电力功率传送，因此，在长距离传输的条件下，电缆不可避免地会呈现出空载的状态，而空载电缆呈容性，会随着功率的增加，出现电容性或电感性无功情况，使无功补偿成为了海上风电系统必不可少的部分。
为了保障供电质量，当前各供电企业大多都会在陆上并网点内安装无功补偿装置，但这并不能弥补长距离传输带来的问题，而且会造成无功容量太大。
然而，在每台风机上都安装补偿装置，则会给整体调度控制带来困难，因此，研究者提出在陆上集控中心、海上升压站分别安装补偿系统，并深入探讨了补偿系统的优化设计方案，希望能够利用电缆的电容和电感特质，提高供电的稳定性。
2优化设计研究过程2.1机组模型构建为了推算出海上风电系统无功补偿装置设计的最优解，研究者需要构建出一个机组模型，来模拟风机运作状态，强化设计的合理性。
在模型构建中，由于风电机组的总容量相当于系统内所有发电机的容量之和，所以研究者将模型中的等值风力发电机作为节点，然后将每台发电机的电厂单链支路编号设为i，并将j设为一个单链支路中发电机的具体编号，同时，支路总数量设为N，支路中风力发电机的总数量设为M，P、Q则为该风电发电机经过变压器之后，线路所呈现出的有功、无功功率。
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风电场并网运行特性
• 对于不同的系统条件，改变风力发电功率， 研究在该系统条件下，风电功率对系统电 压的影响，主要变化的系统条件有：
1)并网电压等级 2)母线负荷（包括负荷水平和功率因数） 3)系统等值阻抗 4)风电厂并网距离
1.并网电压等级不同时的影响
• 瑞典 Gotland Island 2.5MW • 西班牙Puerto de Bilbao 10MW • 丹麦Horn Rev160MW • 英国Beatrice 1000MW（规划中）
• 海上风电场容量可媲美传统火电机组。 • 海上风电场离岸距离越来越远。
国内海上风电发展概况
• 东海大桥100MW海上风电场(完成建设) • 江苏龙源如东150MW海上风电场（招标） • 江苏东台将建30万千瓦海上风电项目 • 2010年2月，国家能源局、国家海洋局联合下发了《海上
风电开发建设管理暂行办法》 • 我国海上风电开发将进入快速发展时期
海上风电场特点
• 风电场容量大（10万kW级）——大容量并网 • 距离海岸远（10km），35kV及110kV（国内暂无220kV及以上海缆） • 输电网络基本采用电缆线路 • 例：
东海大桥海上风电场102MW 离岸距离：10-13km 全海底电缆线路（场内35kV） 110kV并网
0.143430818
0.092609862
0.567871644 26
0.590563786 24
0.566271597 26
4974.555603
5173.338762
4960.539192
• 集电系统拓扑形式影响海上风电场可靠性。 • 海上风电场可靠性主要受风能资源影响。
风电场并网运行特性
220kV系统短路容量：5151MVA ； 220/121/38.5kV主变压器容量： 180MVA ； 35kV侧负荷为50MVA； 110kV侧负荷68MVA ，功率因数 0.9； 风电场距离7km； 风电场变压器取110/10.5kV； 风力发电机功率因数为1 风电场容量：10*2MW
海上风电场电气系统优化设计 与运行
符杨 上海电力学院
内容
• 上海电力学院简介 • 海上风电发展概况 • 海上风电场集电系统优化设计 • 风电场并网运行分析
学校概况 |风电相关
• 教学
风力发电专业 学生：200人，专业教师：10人
• 研究
风力发电项目组 教授 : 3人，副教授: 5人 讲师 ：5人， 研究生: 若干
• 海上风电场集电系统优化设计 • 海上风电场并网运行 • 电缆线路
海上风电场集电系统优化设计
• 变电站的电气主接线 • 风电场集电系统 • 设备的选择与校验 • 经济性 • 可靠性
5km
大容量低压集电电缆
小 容 量 低 压 集
电 电 缆
5.5km
高压输电电缆
海
陆
上
上
变
变
电
电
站
站
集电系统优化设计-经济性
方案（a） 方案（b）
电缆总投资 （RMB）
99.0086 106
88.1926106
• 不同的连接方式的经济性不相同。
• 4个海上变电站 • 12~13台风机一
串
• 大型海上风电场手动优化较困难。
集电系统优化设计-可靠性
• 集电系统接线形式
拓扑形式 、电气设备故障率 、 修复率
• 风能特性
风机功率曲线 、 风速分布图
上海市科委青年科技启明星计划 (01QF14026)
上海市重点科技攻关项目 (06DZ12204)
上海市重点科技攻关项目 (052312003)
上海市电力公司重点科技项目 (H2005-57)
中国－欧盟能源合作项目 （EEP-PMU/CN/126077/RE002）
风电项目组 |项目
主要项目名称
风力发电并网系统暂态电压稳定非 线性控制策略研究
风电项目组 |完成项目
主要项目名称MWLeabharlann 风力发电机组控制系统关 键技术研究
大型电力变压器状态监测与故障 诊断技术的研究
海上风电场风机、变电场电气关 键技术研究
节约型上海电网规划技术研究
风力发电机组的并网运行分析研 究
海上风电场可行性研究
项目来源（编号）
上海市重点科技攻关项目 (061612040)
• 海上风电场集电系统优化中还需考虑原有 及规划中天然气管道，通信电缆管道等。
Wind Turbine
Internal Grid
Cables
Tower cable
Connector to shore
Platform breaker
MV breaker
Equipment
MW switch
LV contactor
Nacelle transformer
电源点 sources
等效停运率（不考虑风能） EFOR
等效停运率（考虑风能） EFOR
等效容量（MW） Equivalent capacity
年停运小时数（h） E
S1 0.089817447 0.564936835
24
4948.846679
Failure rate 0,99 - 1,55 1/y 0,015 1/y/km 0,015 1/y/km 0,0094 - 0,015 1/y/km
东海大桥10万千瓦海上风电场建设 关键技术应用研究－接入系统与运
行维护关键技术研究
多运行方式下的风电混合电力系统 小干扰稳定分析及阻尼改善方法研
究
大规模太阳能与风力发电系统监控 及优化技术研究
风力发电并网运行性能及对电网影 响的研究
项目来源（编号）
国家自然科学基金项目 （50807035）
上海市重大科技攻关项目子课题 (08DZ1200604)
0,025 1/y 0,025 1/y 0,025 1/y 0,0667 1/y 0,0131 1/y
S2
S3
MTTR 220 - 1095 h/y 720-2160 h/y
240 h/y 720-2160 h/y
72 h/y 240 h/y 240 h/y 240 h/y 240 h/y
S4
0.095957272
2008年度上海市浦江人才计划
上海市重点科技攻关项目 (071605123)
上海市教委科技创新计划重点项 目
（08ZZ92）
国外海上风电发展概况
• 欧洲海上风电发展迅速，成为新能源发展的重要风向。 • Offshore wind could be the next wave in U.S.
国外海上风电发展概况