ОПТИМИЗАЦИЯ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ СБОРА МОЩНОСТИ МОРСКИХ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРИЗОВАННОГО ЭВРИСТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА

The article discusses an approach to solving the problem of optimizing the routing of infield power cables layout to improve the efficiency and cost-effectiveness of offshore wind farms. Optimization seeks to reduce the total cost of the infield collection system while bearing in mind the constraints including use of sufficiently sized cables and the required absence of cable crossings in the circuit diagram. The problem is a degree-constrained capacitated minimum spanning tree (DCMST) problem with dependent node costs. Search for solution is based on an integrated approach that uses a hybrid optimization algorithm, which combines a parameterized savings heuristic and particle swarm optimization to optimize the parameters of the primary algorithm, ultimately enabling better solutions. Several tests have been performed to compare the constructed circuit diagrams against solutions yielded by other algorithms; tests showed the proposed approach to significantly improve the efficiency of the constructed circuits as demonstrated in a series of tests and evaluated by comparison with other methods, as well as by comparing the efficiency and cost-effectiveness of the optimized routing against the actual layout of the Walney 1 offshore wind farm.Предложен новый подход к решению задачи построения и выбора оптимальной схемы прокладки кабельной сети сбора мощности морских ветроэлектростанций для повышения их технико-экономиче­ской эффективности. Целью оптимизации является снижение общей стоимости кабельной сети и затрат на коммутационное оборудование с учетом технических ограничений, в число которых входит обеспечение выбора достаточных по проводимости сечений кабелей и исключение их взаимного пересечения на схеме. Поставленная задача сведена к построению минимального остовного дерева с ограничением на проводимость связей и степень узлов (Degree-constrained capacitated minimum spanning tree – DCMST). Методика поиска решения базируется на применении комплексного подхода, состоящего в использовании двух алгоритмов: эвристического алгоритма с параметризованной функцией компромиссных решений, выполняющего непосредственно построение схемы, и эволюционного алгоритма (роя частиц), осуществляющего подбор параметров первичного алгоритма, что позволяет достичь более качественных решений. Тестирование методики проведено на основе ряда испытаний, в ходе которых выполнялось построение схем и сравнения полученных результатов с решениями, выполненными другими алгоритмами. Результаты тестовых испытаний показали, что предложенный подход позволяет заметно повысить экономичность построенных схем, что продемонстрировано в серии испытаний и оценено путем сравнения с другими методиками, а также путем сопоставления технико-экономических показателей оптимизированных схем с фактической схемой морской ветроэлектростанции Walney 1

Optimal planning of electrical infrastructure of large wind power plants

Предмет истраживања докторске дисертације је развој математичких модела за унапређење економских и техничких услова планирања и изградње ветроелектране. Основни доприноси су следећи: 1. Развијен је математички модел за оптимизацију избора ветроагрегата. У дисертацији је развијен математички модел за оптимизацију избора ветроагрегата за познату статистику ветра. Основни елементи при оптимизацији избора ветроагрегата су: висина стуба, пречник ветротурбине и називна снага ветрогенератора. Модел врши варијацију кључних параметара и прорачун укупних актуелизовних трошкова ветроагрегата, као и годишње производње електричне енергије. У наведеном оптимизационом проблему постоје техничка ограничења у погледу минималних и максималних вредности параметара које намеће сам произвођач опреме, а може уважити и ограничења која намеће локација на којој се планира изградња ветроелектране. Модел је базиран на генетском алгоритму који након одређеног броја итерација долази до оптималних резултата који задовољавају функцију циља и задата ограничења. Развијени алгоритам и математички модел имају општи карактер тј. применљиви су за оптимизацију избора ветроагрегата за локације са различитим параметрима ветра. Применом модела обезбеђује се оптимално искоришћење потенцијала ветра на одређеној локацији, а тиме и већи профит власнику ветроелектране. Као улазни подаци користе се параметри Вејбулове статистике ветра и висински коефицијент смицања ветра. На конкретним примерима ветроелектрана на локацијама са различитим параметрима Вејбулове статистике ветра демонстрирана је практична употребљивост предложеног математичког модела. 2. Развијен је математички модел за прорачун оптималне површине попречног пресека проводника у интерној кабловској мрежи ветроелектране. Како просторни распоред ветроагрегата у ветроелектранама велике снаге карактерише релативно велика међусобна удаљеност, дужина кабловске колекторске мреже може бити неколико десетина, па и стотина километара, те су губици електричне енергије у њој значајни. Коришћење већих пресека каблова у односу на техничке захтеве је често оправдано и може обезбедити значајно повећање ефикасности, као и боље енергетске показатеље електране. Модел развијен у дисертацији врши прорачун оптималног пресека кабла на који је прикључен произвољан број ветроагрегата, кроз оптимизацију односа инвестиционих и експлоатационих трошкова тј. трошкова услед губитака по јединици дужине кабла. С обзиром на то да се инвестициони трошкови издвајају на почетку, односно у фази изградње ветроелектране, а трошкови услед губитака се генеришу током експлоатације, врши се актуелизација трошкова, односно користи се динамички економски модел. Предност представљеног модела је што су прорачуни оптималне топологије и пресека каблова распрегнути, односно могу се решавати одвојено. Применом развијеног модела у планерској фази развоја пројекта ветроелектране може се оптимизовати сваки од фидера на који је прикључен произвољан број ветроагрегата. На конкретном примеру ветроелектране у Банату показано је да се оптималним избором пресека каблова могу значајно смањити трошкови производње, односно повећати укупан профит током животног века ветроелектране. 3. Развијен је математички модел за избор оптималног напонског нивоа и оптималне тачке прикључења ветроелектрана великих снага на преносну мрежу. Избор оптималне тачке прикључења ветроелектране на преносну мрежу представља захтеван задатак који мора обухватити бројне факторе. У великом броју случајева у погледу прикључења ветроелектране на преносну мрежу постоје конкурентне тачке прикључења, па се поставља питање избора оптималне тачке у којој ће ветроелектрана бити прикључена и Резиме iv Докторска дисертација Ана Петровић пласирати произведену електричну енергију током експлоатације. Потенцијалне тачке прикључења могу се разликовати по удаљености, али и у погледу напонског нивоа, па се избор тачке прикључења проширује и на избор напонског нивоа на који ће бити прикључена ветроелектрана. Развијени модел врши прорачун укупних актуелизованих инвестиционих и експлоатационих трошкова прикључења на преносну мрежу, у функцији удаљености од прикључне тачке. Поред трошкова одржавања, у експлоатационе трошкове су сврстани и трошкови неиспоручене електричне енергије услед нерасположивости мреже. Oптималан напонски ниво и оптимална тачка прикључења одређени су прорачуном критичних удаљености конкурентних прикључних тачака ветроелектране одређене инсталисане снаге, за које су трошкови прикључења једнаки. Развијени математички модел омогућава операторима преносног система, као и инвеститорима, да оптимално сагледају и планирају прикључење ветроелектране на преносну мрежу. На примеру реалног инжењерског проблема прикључења ветроелектране Чибук 1 у јужном Банату демонстрирана је практична употребљивост развијеног математичког модела. 4. Развијен је лабораторијски модел темељног уземљивача ветроагрегата за експериментално одређивање карактеристика уземљивача ветроагрегата. Нарочита пажња у току изградње ветроелектране посвећује се пројектовању уземљивачког система. У кабловском рову заједно са енергетским кабловима полажу се бакарна ужад која повезују темељне уземљиваче ветроагрегата. Темељни уземљивач ветроагрегата изводи се полагањем уземљивача у бетонски темељ, лоциран под површином земље, у облику затворених контура (прстенова) од бакарних трака које се спајају са арматуром у темељу. Електрична својства оваквог уземљивача су одређена геометријом уземљивача, карактеристикама бетона, арматуре, саставом тла и стањем тла (доминантно садржајем влаге). Због своје сложене конструкције, темељни уземљивач ветроагрегата је веома тешко математички моделовати. Ради одређивања карактеристика уземљивача које су од значаја за његово димензионисање развијен је физички модел темељног уземљивача ветроагрегата, који представља еквивалент реалном моделу уземљивача комерцијалног произвођача. Уземљивач је положен у тло чије су карактеристике у погледу електричне проводности вариране. Анализирани су резултати добијени мерењима на умањеном моделу уземљивача.The subject of the doctoral dissertation is development of mathematical models for the improvement of economic and technical conditions of planning and construction of wind farms. The main contributions are the following: 1. A mathematical model for optimal wind turbine selection has been developed. In the dissertation, a mathematical model for optimal wind turbine selection, for known wind statistics, was developed. The main elements for wind turbine optimization are: the hub height, the wind turbine diameter, and the wind turbine rated power. The model varies key parameters and calculates the total wind turbine actualization costs, as well as the annual electricity production. In the mentioned optimization problem, there are technical limitations regarding the minimum and maximum values of parameters imposed by the equipment manufacturer. The model is based on a genetic algorithm which, after a certain number of iterations, leads to optimal results that satisfy both, the optimisaton function and the given constraints. The developed algorithm and mathematical model have a general character ie. can be used to optimize WT selection for locations with different wind parameters. The application of the model ensures optimal use of wind potential at a certain location, and also provides a higher profit to the owner of the wind farm. The parameters of the Weibull wind statistics and the wind shear coefficient are used as input data. The practical applicability of the proposed mathematical model was demonstrated on specific examples of WPPs at locations with different Weibull parameters. 2. A mathematical model for the calculation of the optimal cross-section of cables of the wind farm internal cable network has been developed. As the spatial arrangement of wind turbines in wind farms is characterized by a relatively large distance from each other, the length of the cable collector network can be several tens or even hundreds of kilometers, so electricity losses are significant. The use of larger cable cross-sections in relation to technical requirements is often justified, and can provide a significant increase in efficiency and better energy performance of the power plant. The model developed in the dissertation calculates the optimal cable cross-section to which an arbitrary number of wind turbines is connected, through the optimization of the ratio of investment and operating costs, i.e. costs due to losses per unit length of cable. Considering that investment costs are segregated at the beginning i.e. in the phase of wind power plant construction, and the costs of losses are generated during operation in each year, the costs are actualized i.e. a dynamic economic model is used. The advantage of the presented model is that the calculations of the optimal topology and cable crosssection are decoupled i.e. they can be solved separately. By applying the developed model in the planning phase of the wind power plant project, each of the connection feeders to which an arbitrary number of WTs are connected can be optimized. On specific example of wind power plant in Banat region is shown that the optimal choice of cable cross-section can significantly reduce production costs, i.e. increase the total profit during the lifetime of the wind farm. 3. A mathematical model for the selection of the optimal voltage level and the optimal point of connection of large wind power plants to the transmission network has been developed. The selection of the optimal wind farm connection point is a demanding task that must include many parameters. In many cases of connecting a wind farm to the transmission network there are competing connection points, so the question is how to choose the optimal point at which wind farm will be connected and deliver the produced energy during operation. Potential connection points can differ in distance, but also in terms of voltage level, so the choice of connection point is extended in terms of choosing the voltage level to which the wind farm will be connected. The developed model calculates the total actualized investment and operating costs of connection to the transmission network, as a function of the distance from the connection point. In Abstract vi Докторска дисертација Ана Петровић addition to maintenance costs, operating costs also include the costs of undelivered electricity due to the unavailability of the network. The optimal voltage level and the optimal connection point are determined by calculating the critical distances of competing connection points for wind power plant of a certain rated power, for which the connection costs are equal. The developed mathematical model enables transmission system operators, as well as investors, to optimally consider and plan the connection of wind power plants to the transmission network. The practical applicability of the proposed mathematical model is demonstrated on the example of a real engineering problem of connecting the WPP Čibuk 1, located in South Banar region. 4. A laboratory model of the wind turbine grounding has been developed for the experimental determination of the grounding system characteristics. During the construction of the wind power plant, special attention is given to the design of the earthing system. Copper ropes are laid in the cable trench together with the power cables, which connect the basic earthing conductors of the wind turbine. The basic earthing of the wind turbine is performed by laying the earthing in a concrete foundation, located below the ground surface, in form of closed contours (rings) of copper strips that are connected to the reinforcement in the foundation. The electrical properties of such an earthing system are determined by the earthing conductor geometry, concrete characteristics, reinforcement characteristics, soil composition and soil condition (dominantly moisture content). Due to its complex construction, the grounding of the wind turbine is very difficult to model mathematically. In order to determine the characteristics of the earthing system that are important for its sizing, a physical model of the wind turbine earthing system has been developed, which is equivalent to the real model of the earthing system of a commercial manufacturer. The grounding conductor is laid in the ground whose characteristics in terms of electrical conductivity vary. The results obtained by measurements on a scale model of the earthing system were analyzed

Advanced methods for offshore windfarm planning

There have been increasing interests and projects of Offshore wind farm (OWF) development across the world given the rich wind resources in order to achieve carbon neutral objectives. Appropriate electrical system design of OWF is of key importance in terms of cost saving and improving system efficiency. Two novel electric system layout optimization models for OWF planning are proposed to optimize the topology of collector system and connected transmission system simultaneously in OWFs with single and multiple substations. For OWF with single-substation, a novel mathematical model to represent the system topology is proposed to reduce the number of variables so as to effectively decrease the search space of the optimisation problem, where the continuous substation sitting problem is discretized by a 2-step rasterization method. For large-scale OWFs, the overall electric system optimization problem has been classified into 3 levels: substation optimization, feeder selection, and cable determination. Fuzzy clustering technique and wind turbine allocation method has been proposed to effectively divide the large offshore windfarms into partitions. Both HVDC and HVAC cables are considered as alternatives used in the associated transmission system, which can be optimized at the substation level. The concept of clustering is further applied in feeder level to cluster wind turbines into appropriate feeders. The proposed model and the optimization algorithms are tested and validated in two large-scale offshore winds. A comprehensive decision support model is proposed which covers three key factors that characterize OWF integration: investment cost, system stability and the interactions between MTDC and local AC system, all of which are concerned to characterize the optimal integration location of wind turbines into AC bus location and appropriate converter size installed at the corresponding MTDC terminals. To better fit into the real-world situation, various wind speed and load scenarios have been considered. Validity and effectiveness of the proposed model has been tested to integrate two wind farms to a benchmark AC system via a MTDC grid. The research methodologies presented in the thesis form a rather comprehensive approach for OWF design and planning. With the rapid development in OWF technologies, future research needs are also identified and presented in the thesis