海上风电场电力电缆优化与全寿命周期成本管理研究

摘要

在全球资源和环境问题日益严峻的形势下，大力发展风电等可再生能源已成为各国保护生态环境和保障能源安全的重要手段。与此同时，大力推动海上风电加速发展，已成为趋势。电力电缆是海上风电场的重要组成部分，为了降低生产成本并提高风资源的利用率，需要对影响整个风电场可靠经济运行的集电系统进行优化，将环境因素的不确定性融入送出线系统优化选型中，并从全寿命周期角度统筹整个风电场各阶段的成本。本文的主要研究工作如下:
　　首先，以集电系统常见的放射形和环形拓扑结构为研究对象，建立了兼顾经济性和可靠性的数学优化模型，该数学模型计及了海底中压电力电缆、开关等设备一次投资成本、运行维护成本和故障惩罚成本。并结合海缆实际运行工况构建约束条件，运用改进遗传智能算法求解集电系统优化模型。并通过案例仿真分析验证了所提方案的有效性。
　　其次，提出一种基于半不变量法及Gram-Charlier级数理论的计及风电场随机出力和环境温度的送出线海缆选型方法。建立了风力发电和环境温度的随机模型，将此模型引入海缆热路模型中进行最差工况组合条件下的海缆线芯温度计算，得到其线芯温度概率分布曲线，从而进行海缆优化选型。并采用有限元暂态分析方法进行海缆选型以验证半不变量法的可行性，最终得到了能够安全稳定运行的经济性最佳海缆。实际工程中可以舍弃使用COMSOL商业软件，降低工程设计成本。
　　再次，本文对海上风电场建设项目进行逐层分解，将成本划分为一次投资成本、运行维护成本、故障惩罚成本和报废成本，建立全寿命周期成本(LCC)数学模型。其中，运行维护成本中机电设备能耗成本考虑风资源概率统计参数，建立符合风电场实际情况的能耗成本数学模型;故障惩罚成本采用蒙特卡罗模拟法进行计算。
　　最后，基于全寿命周期成本数学模型开发海上风电场全寿命周期经济性评估软件。首先重点介绍了海上风电场全寿命周期经济性评估软件的设计原则和开发过程，其次全面展示了一次投资成本、运行维护成本、故障惩罚成本、报废成本和全寿命周期成本各子模块的设计方法和操作流程。最后通过案例分析进一步验证了此软件的可靠性和实用性。
　　本文的研究工作改善了传统拓扑布置和送出线选型的主观性和不合理性等缺点。此外，本文所建立的海上风电场全寿命周期成本数学模型为工程人员提供理论参考，开发的全寿命周期经济性评估软件为科学直观地评估风电场工程项目全寿命周期过程经济效益提供技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海上风电场集电系统优化设计研究现状

1．2．2 环境因素对电力电缆载流量影响研究现状

1．2．3 海上风电场全寿命周期经济性研究现状

1．3 本文主要工作

第二章 基于改进遗传算法的海上风电场集电系统优化研究

2．1．1 集电系统主要电气设备

2．1．2 集电系统主要拓扑结构

2．2 海上风电场集电系统拓扑优化

2．2．1 经济性数学模型的建立

2．2．2 海上风电场集电系统约束条件

2．3 优化方法

2．3．1 编码

2．3．2 遗传算子

2．3．3 适应度函数

2．3．4 优化流程

2．4 案例分析

2．4．1 计算参数

2．4．2 优化结果

2．5 本章小结

第三章 海上风电场送出线优化选型研究

3．1 基于半不变量法的海上风电场送出线优化选型研究

3．1．1 海底电缆热路模型

3．1．2 海上风力发电系统随机模型

3．1．3 半不变量和Gram-Charlier级数展开

3．1．4 电缆温度线性化模型的建立

3．1．5 基于半不变量法海底电缆优化选型计算流程

3．1．6 案例分析

3．2 基于有限元法的海上风电场送出线优化选型研究

3．2．1 有限元计算原理与方法

3．2．2 暂态物理模型建立

3．2．3 暂态数学模型建立

3．2．4 海底电缆及环境热物性参数

3．2．5 海底电缆周期性载流量因子建模与计算

3．2．6 基于有限元法海底电缆优化选型流程

3．2．7 案例分析

3．3 本章小结

第四章 海上风电场全寿命周期成本管理研究

4．1 一次性投资成本

4．2 运行维护成本

4．2．1 电缆线路和变压器的电能损耗

4．2．2 风电机组自耗电费用

4．2．3 无功补偿设备运行期损耗费用

4．2．4 设备折旧费用

4．2．5 维护检修费用

4．2．6 材料费

4．2．7 工人工资和福利费用

4．2．8 银行利息

4．2．9 税金

4．3 故障惩罚成本

4．3．1 蒙特卡罗仿真

4．3．2 元件停运模型

4．3．3 故障修复时间模型

4．3．4 仿真流程

4．4 报废成本

4．5 案例分析

4．5．1 一次性投资成本

4．5．2 运行维护成本

4．5．3 故障惩罚成本

4．5．4 报废成本

4．5．5 全寿命周期成本

4．6 本章小结

第五章 海上风电场全寿命周期经济性评估管理软件

5．1 软件开发

5．1．1 软件设计原则

5．1．2 软件预期目标

5．2 软件总体设计

5．2．1 软件用户界面设计

5．2．2 软件总体结构设计

5．2．3 软件各功能模块设计

5．3 软件系统界面介绍与操作

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来展望

参考文献

附录

攻读硕士期间的研究成果

致谢