Методика оптимизации компоновки ветроэлектростанций морского базирования с учетом затрат на электрическую систему сбора мощности

Предложена методика оптимизации компоновки ветроэлектростанций морского базирования для повышения их эффективности за счет снижения влияния эффекта аэродинамического затенения, минимизации электрических потерь в кабельных линиях системы приема и передачи электрической энергии, вырабатываемой ветроэлектрическими установками в электрическую сеть энергосистемы. Задача сводится к определению нескольких параметров, которыми задаются геометрические размеры и форма компоновочной сетки с предварительно установленными местами расположения турбин. Такой подход, в отличие от покоординатного метода поиска, дает возможность выполнять построение симметричных сеточных схем расположения ветроэлектрических установок, которые на практике более удобны с точки зрения обслуживания и эксплуатации. Совместно с оптимизацией компоновки производятся поиск оптимального места расположения морской трансформаторной подстанции и синтез схемы кабельных соединений между ветроэлектрическими установками. Для решения данной задачи используется эвристический алгоритм поиска минимального остовного дерева с ограничением на проводимость связей, позволяющий осуществлять построение реалистичных схем и более адекватно оценивать их технико-экономические характеристики. Как показали результаты апробации предложенной методики на примере оптимизации компоновки ветроэлектростанции Horns Rev 1, использование такого подхода позволило сократить стоимость электрической системы на 10–12 %. Это на 7–11 % превосходит результат, полученный при использовании MST-алгоритма, выполняющего построение схемы кабельных соединений упрощенной топологии. Изменение размеров и формы границ площадки ветроэлектростанции привело к увеличению расчетной выработки электроэнергии на 2,3 % и снижению ее себестоимости на 4 %. При оптимизации компоновки ветроэлектрических установок в пределах фиксированных границ площадки эти показатели улучшены только на 1 и 2 % по сравнению с оригинальной схемой.

1. Марченко, О. B. Конкурентоспособность солнечных и ветровых электростанций в странах СНГ / О. B. Марченко, С. В. Соломин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 4. С. 301–311. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-301-311.

2. Петруша, Ю. С. Перспективы развития ветроэнергетики в Республике Беларусь / Ю. С. Петруша, Н. А. Попкова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 2. С. 124–134. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-2-124-134.

3. Global Wind Energy Council. Global Offshore Wind Report 2020 [Electronic Resource]. Mode of access: https://gwec.net/global-offshore-wind-report-2020.

4. A Review on Development of Offshore Wind Energy Conversion System / J. Li [et al.] // International Journal of Energy Research. 2020. Vol. 44, Iss. 12. P. 9283–9297. https://doi.org/10.1002/er.5751.

5. U. S. Energy Information Administration’s Annual Energy Outlook 2020. Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation Resources [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.eia.gov/outlooks/aeo/pdf/electricity_generation.pdf.

6. Modelling and Measuring Flow and Wind Turbine Wakes in Large Wind Farms Offshore / R. J. Barthelmie [et al.] // Wind Energy. 2009. Vol. 12, Iss. 5. P. 431–444. https://doi.org/10.1002/we.348.

7. Давыдов, Д. Ю. Оптимизация расположения ветроустановок с учетом аэродинамического взаимовлияния и протяженности кабельных линий сети сбора мощности / Д. Ю. Давыдов, С. Г. Обухов // Энергосбережение и водоподготовка. 2020. Т. 125, № 3. С. 30–34.

8. A Review of Offshore Wind Farm Layout Optimization and Electrical System Design Methods / P. Hou [et al.] // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2019. Vol. 7. P. 975–986. https://doi.org/10.1007/s40565-019-0550-5.

9. A Review of Methodological Approaches for the Design and Optimization of Wind Farms / J. F. Herbert-Acero [et al.] // Energies. 2014. Vol. 7, Iss. 11. P. 6930–7016. https://doi.org/10.3390/en7116930.

10. Optimal Wind-Turbine Micro-Siting of Offshore Wind Farms: A Grid-Like Layout Approach / J. S. Gonzalez [et al.] // Applied Energy. 2017. Vol. 200. P. 28–38. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.05.071.

11. Feng, J. Co-Optimization of the Shape, Orientation and Layout of Offshore Wind Farms / J. Feng, W. Z. Shen // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1618. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1618/4/042023.

12. Combined Optimization for Offshore Wind Turbine Micro Siting / P. Hou [et al.] // Applied Energy. 2017. Vol. 189. P. 271–282. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.083.

13. Elkinton, C. N. Algorithms for Offshore Wind Farm Layout Optimization / C. N. Elkinton, J. F. Manwell, J. G. McGowan // Wind Engineering. 2008. Vol. 1, Iss. 1. P. 67–84. https://doi.org/10.1260/030952408784305877.

14. Esau, L. R. On Teleprocessing System Design: Part II a Method for Approximating the Optimal Network / L. R. Esau, K. C. Williams // IBM Systems Journal. 1966. Vol. 5, Iss. 3. P. 142–147. https://doi.org/10.1147/sj.53.0142.

15. Katsouris, G. Infield Cable Topology Optimization of Offshore Wind Farms: Master of Science Thesis / G. Katsouris. Delft University of Technology. Delft, 2015. 86 p.

16. Fischetti, M. Optimal Wind Farm Cable Routing: Modeling Branches and Offshore Transformer Modules / M. Fischetti, D. Pisinger // Networks. 2018. Vol. 72, Iss. 1. P. 42–59. https://doi.org/10.1002/net.21804.

17. Erdem, U. M. Fast Line Segment Intersection. MATLAB Central File Exchange [Electronic Resource]. 2010. Mode of access: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/ 27205-fast-line-segment-intersection.

18. Katic, I. A Simple Model for Cluster Efficiency / I. Katic, J. Hojstrup, N. Jensen // EWEC'86. European Wind Energy Association Conference and Exhibition. Proceedings Vol. 1. Rome, 1987. P. 407–410.

19. Feng, J. Solving the Wind Farm Layout Optimization Problem Using Random Search Algorithm / J. Feng, W. Z. Shen // Renewable Energy. 2015. Vol. 78. P. 182–192. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.01.005.

20. Frohboese, P. Thrust Coefficients Used for Estimation of Wake Effects for Fatigue Load Calculation / P. Frohboese, C. Schmuck // European Wind Energy Conference and Exhibition. Warsaw, 2010.

21. Обухов, С. Г. Методика оптимизации состава оборудования электроэнергетических систем на основе возобновляемых источников энергии / С. Г. Обухов, Г. Н. Климова, А. Ибрагим // Вестник ИГЭУ. 2020. № 6. С. 25–38.

22. Lundberg, S. Performance Comparison of Wind Park Configurations: Technical Report No 30R / S. Lundberg. Chalmers University of Technology, 2003. 202 p.

23. Gerdes, G. Case Study: European Offshore Wind Farms – A Survey for the Analysis of the Experiences and Lessons Learnt by Developers of Offshore Wind Farms / G. Gerdes, A. Tiedemann, S. Zeelenberg. Groningen: University of Groningen, 2008. 158 p.

24. Vestas V80 Offshore. [Electronic Resource]. Mode of access: https://en.wind-turbine-models.com/turbines/668-vestas-v80-offshore. Date of access: 15.12.2020.

25. The Kingfisher Information Service – Offshore Renewable & Cable Awareness Project (KIS-ORCA). Horns Rev 1 Awareness Chart [Electronic Resource]. Mode of access: https://kis-orca.org/wp-content/uploads/2022/03/Chart-38-Horns-Rev-1.pdf. Date of access: 15.12.2020.

26. Nexans Submarine Power Cables [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.nexans.com/Germany/2013/SubmPowCables_FINAL_10jun13_engl.pdf. Date of access: 16.12.2020.

27. XLPE Submarine Cable Systems Attachment to XLPE Land Cable Systems: User’s Guide [Electronic Resource]. Mode of access: https://new.abb.com/docs/default-source/ewea-doc/xlpe-submarine-cable-systems-2gm5007.pdf. Date of Access: 16.12.2020.

28. RP5 Weather Archive in Blavand [Electronic Resource]. Mode of access: https://rp5.md/Weather_archive_in_Blavand. Date of access: 16.12.2020.

29. Обухов, С. Г. Сравнительный анализ методов оценки параметров распределения Вейбулла для повышения точности прогнозирования ветроэнергетического потенциала / С. Г. Обухов, Д. Ю. Давыдов // Международный технико-экономический журнал. 2019. № 5. С. 7–15. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2019-68-5-7-15.