一种多平台互联海上风电交流输电系统无功配置方法与流程

1.本发明涉及风电技术领域，具体地说是一种多平台互联海上风电交流输电系统无功配置方法。


背景技术：

2.海上风能具有较高的风速、较小的波动，因此更容易接入电网稳定运行，资源利用效率高，因此我国近年来加快了海上风能的开发步伐。随着海上风电的大规模开发，海上风电并网的相关技术和问题引起了重视。距离海岸线100km范围内一般采用高压交流输电(hvac)的方式，hvac系统由陆上变电站、输电线路、海底电缆以及海上变电站组成。为了充分发挥海上风电资源，突破海上平台限制，减少线路损耗，多平台互联的海上风电交流输电系统应运而生。
3.如图1所示，海上风电机组一般采用海底电缆进行集电，经过建立在海上平台的升压站将电能输送出去，此时高压海底电缆作为输送电能的主要媒介，将产生大量容性充电功率。无功功率在电力系统中的分布将影响系统整体运行，无功功率不足会导致电压下降，而无功功率过多，则会降低有功功率的输送效率，功率因数降低，因此需要配置合理容量的无功补偿装置。而对于多个平台互联的系统，无功补偿方案的选择将更加复杂。
4.对于点对点送电系统，传统的无功补偿方案，一般将无功补偿装置安装在并网点，根据对安全电压的要求进行计算，确定投切的无功容量大小。这种方式实现起来简单方便，但一般确定了无功补偿的方式很难变动，无法根据负荷以及风场输出功率的变化实现灵活补偿。另一种方案可以将选址以及定容看成非线性优化问题，采用启发性寻优算法，同时确定无功补偿装置的位置以及容量，但往往由于大量的迭代计算使得求解时间过长，计算难度较大，且无功补偿并非需要最优解，只要满足运行条件即可正常运行。目前海上风电送出系统的无功补偿方案往往针对单一点对点系统，对于多平台互联的综合系统尚未进行计算，且往往忽略风机本身对系统无功的调节，以及邻近变电站的无功支援，难以综合考虑选址与定容两个关键问题。
5.无功补偿配置规划是综合考虑全局电压响应、功率因数、潮流变化等多个问题的集合，因此需要充分利用海上风电输电系统中现有的设备，提高输电效率，优化无功配置，建立合理的数学模型进行选址和定容两个问题，同时选择合适的求解方法，提高求解速度，并降低冗余配置情况的发生。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种多平台互联海上风电交流输电系统无功配置方法，用于解决传统无功配置方法寻优困难、求解效率低的技术问题。
7.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种多平台互联海上风电交流输电系统无功配置方法，其特征在于，它包括以下步骤：
8.1、收集多平台互联海上风电交流输电系统数据，确定系统无功需求；
9.2、对电压控制指数进行计算，选择对全局电压控制能力强的点作为无功补偿点；
10.3、选择目标函数，以有功损耗小、投入无功最少为目标，建立多平台互联海上风电交流输电系统无功配置模型；
11.4、根据风电场运行规则建立约束条件，并在每一次迭代后重新进行潮流计算，更新约束条件；
12.5、利用天牛须搜索寻优算法，并与上一次计算进行比较，更新寻优方向以及步长，当达到局部最优解或最大迭代次数后，输出最终的最优无功补偿量q
svg
。
13.进一步地，收集互联海上风电交流输电系统数据，包括风电机组容量及节点位置、海上升压站变压器容量及节点位置、海缆充电容量及分布参数。
14.进一步地，收集互联海上风电交流输电系统数据时，
15.a.并网点无功平衡具体与风机输出无功q
dfig
、变压器无功损耗q
t
、负荷无功q
f
以及海缆无功损耗q
l
q
c
有关，无功平衡方程为
16.q
f
＝q
dfig
‑
q
t
‑
(q
c
q
l
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
17.p
f
＝p
dfig
‑
p
l
‑
p
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
18.其中，p
dfig
为风电机组输出的有功功率，q
dfig
为风电机组输出的无功功率，q
l
为海缆线路上的感性无功功率，q
c
为海缆线路上的容性无功功率，p
f
为海缆线路上的有功损耗，p
t
为变压器有功损耗，q
t
为变压器无功损耗；
19.b.风电机组可与电网进行双向功率传输，通过控制励磁电流，实现对无功功率的调节，从而实现变速恒频发电；当风电机组p
dfig
一定时，风电机组通过调节励磁电流使得q
dfig
在一定范围内变化；风电机组输出的无功功率存在如下的约束关系：
20.p
dfig,min
≤p
dfig
≤p
dfig,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
21.q
dfig,min
≤q
dfig
≤q
dfig,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
22.c.长距离海底电缆产生巨大无功功率影响输电效率，单条电缆的无功损耗计算如下：
[0023][0024]
其中，x
sc
为线路电抗，b
sc
为电缆对地导纳，u为系统电压；
[0025]
d.海缆首尾两端分别连接各个海上平台，风电机组的电能通过海上平台升压后输送到路上变电站或与其他平台互联，单个海上平台变压器无功损耗计算如下：
[0026][0027]
其中，s为计算视在功率，s
n
为变压器额定容量，u
d
为短路阻抗，q0为空载无功损耗，
△
q
t
为负载无功损耗。
[0028]
进一步地，对电压控制指数进行计算，选择对全局电压控制能力强的点作为无功补偿点，在节点进行无功补偿后，海缆上传输的无功功率将减小，此时海缆上有功损耗将减小，计算式如下：
[0029][0030]
节点电压的约束条件为
[0031]
0.2u
n
≤u
i
≤0.9u
n
ꢀꢀꢀ
(8)
[0032]
在节点进行无功补偿后，电压降落的两个分量计算式为
[0033][0034][0035]
可以看出，对节点进行无功补偿后减小，电压损耗降低，因此可以利用节点对电压的调控能力来作为迭代计算中的比较因子；
[0036]
构建电压比较因子
[0037]
定义当在某节点设置无功补偿之后，其对另一节点的电压调节能力用该节点响应指标来衡量，定义节点i设置无功补偿装置后，节点j的电压相应响应程度为vr
ij
，
[0038]
vr
i,j
＝(v
ji
‑
v
j0
)/v
j0
ꢀꢀꢀ
(11)
[0039]
其中，v
j0
为j节点稳态运行状态下电压幅值，v
ji
为在节点i加装无功补偿装置后节点j的电压幅值；则某节点对全局n个节点的电压调控能力可用向量vrg表示
[0040]
vrg
i
＝[vr
i,1
,vr
i,2
,...,vr
i,n
]
ꢀꢀꢀ
(12)
[0041]
无功补偿的节点应对整个系统有较大的电压调控能力，因此需先计算电压调控指数，选择∣vrg∣值较大的节点作为补偿点。
[0042]
进一步地，目标函数为
[0043]
min f＝δp
σ
(q) λ|q|2ꢀꢀꢀ
(13)
[0044]
根据风电场运行要求，当风电场并网点电压处于额定电压的20％
‑
90％区间内时，风电场应注入电力系统的动态无功电流，对称跌落期间，向电网提供无功功率；且风电机组应满足功率因数在超前0.95和滞后0.95的范围内动态可调。综合以上说明，海上风电无功功率规划的约束条件为
[0045][0046]
进一步地，利用天牛须搜索寻优算法时，步骤如下：
[0047]
a.设置步长及迭代次数，其中迭代次数为7次；
[0048]
b.选择天牛寻优方向
[0049][0050]
c.每次计算后，根据新的q
i
重新计算式(15)无功补偿量约束条件，实现算法的自适应计算，并比较每次目标函数计算结果，使得计算向电压调控指标较高的方向进行；
[0051]
d.通过多次迭代计算直到达到最大迭代次数，排序找到有功损耗与无功投入最小的最佳配置方案q
svg
。
[0052]
本发明的有益效果是：本发明提供的一种多平台互联海上风电交流输电系统无功配置方法，可以解决传统无功配置方法寻优困难、求解效率低的技术问题。
附图说明
[0053]
图1为多平台互联海上风电交流输电系统图；
[0054]
图2为系统等值潮流计算图；
[0055]
图3为海上风电系统潮流计算图；
[0056]
图4为天牛须寻优搜索法(bas)的流程图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明进行详细描述。
[0058]
一种多平台互联海上风电交流输电系统无功配置方法，包括以下步骤：
[0059]
1、确定系统无功需求
[0060]
收集互联海上风电交流输电系统数据，包括风电机组容量及节点位置、海上升压站变压器容量及节点位置、海缆充电容量及分布参数，列出潮流等式约束，如图2所示，通过计算系统潮流，确定系统无功需求。
[0061]
例如，陆上220kv变电站分别通过海缆l1、l2、l3与海上升压站1、海上升压站2和海上升压站3相连，分别含额定容量120mw，135mw，以及105mw的双馈风机，并通过陆缆l6接到系统上，三个平台之间设置了互联海缆。当任一路海缆故障，可通过稳控系统实现不同海缆之间的快速切换。
[0062]
a.并网点无功平衡具体与风机输出无功q
dfig
、变压器无功损耗q
t
、负荷无功q
f
以及海缆无功损耗q
l
q
c
有关，无功平衡方程为
[0063]
q
f
＝q
dfig
‑
q
t
‑
(q
c
q
l
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0064]
p
f
＝p
dfig
‑
p
l
‑
p
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0065]
其中，p
dfig
为风电机组输出的有功功率，q
dfig
为风电机组输出的无功功率，q
l
为海缆线路上的感性无功功率，q
c
为海缆线路上的容性无功功率，p
f
为海缆线路上的有功损耗，p
t
为变压器有功损耗，q
t
为变压器无功损耗。
[0066]
b.风电机组可与电网进行双向功率传输，通过控制励磁电流，实现对无功功率的调节，从而实现变速恒频发电。当风电机组p
dfig
一定时，风电机组通过调节励磁电流使得q
dfig
在一定范围内变化。风电机组输出的无功功率存在如下的约束关系：
[0067]
p
dfig,min
≤p
dfig
≤p
dfig,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0068]
q
dfig,min
≤q
dfig
≤q
dfig,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0069]
c.长距离海底电缆产生巨大无功功率影响输电效率，单条电缆的无功损耗计算如
下：
[0070][0071]
其中，x
sc
为线路电抗，b
sc
为电缆对地导纳，u为系统电压。
[0072]
d.海缆首尾两端分别连接各个海上平台，风电机组的电能通过海上平台升压后输送到路上变电站或与其他平台互联，单个海上平台变压器无功损耗计算如下：
[0073][0074]
其中，s为计算视在功率，s
n
为变压器额定容量，u
d
为短路阻抗，q0为空载无功损耗，
△
q
t
为负载无功损耗。
[0075]
2、无功功率在各平台之间流动将引起有功功率及电压波动
[0076]
a.在节点进行无功补偿后，海缆上传输的无功功率将减小，此时海缆上有功损耗将减小，计算式如下：
[0077][0078]
b.节点电压的约束条件为
[0079]
0.2u
n
≤u
i
≤0.9u
n
ꢀꢀꢀ
(21)
[0080]
在节点进行无功补偿后，电压降落的两个分量计算式为
[0081][0082][0083]
可以看出，对节点进行无功补偿后减小，电压损耗降低，因此可以利用节点对电压的调控能力来作为迭代计算中的比较因子。
[0084]
c.构建电压比较因子
[0085]
定义当在某节点设置无功补偿之后，其对另一节点的电压调节能力用该节点响应指标来衡量，定义节点i设置无功补偿装置后，节点j的电压相应响应程度为vr
ij
，
[0086]
vr
i,j
＝(v
ji
‑
v
j0
)/v
j0
ꢀꢀꢀ
(24)
[0087]
其中，v
j0
为j节点稳态运行状态下电压幅值，v
ji
为在节点i加装无功补偿装置后节点j的电压幅值。则某节点对全局n个节点的电压调控能力可用向量vrg表示
[0088]
vrg
i
＝[vr
i,1
,vr
i,2
,...,vr
i,n
]
ꢀꢀꢀ
(25)
[0089]
无功补偿的节点应对整个系统有较大的电压调控能力，因此需先计算电压调控指数，选择∣vrg∣值较大的节点作为补偿点。
[0090]
3、设置目标函数
[0091]
系统的无功配置应降低电力网络中的有功损耗，减少电压损耗，因此目标函数需要包含两个方面，构建拉格朗日函数，设目标函数为
[0092]
min f＝δp
σ
(q) λ|q|2ꢀꢀꢀ
(26)
[0093]
根据风电场运行要求，当风电场并网点电压处于额定电压的20％
‑
90％区间内时，风电场应注入电力系统的动态无功电流，对称跌落期间，向电网提供无功功率；且风电机组应满足功率因数在超前0.95和滞后0.95的范围内动态可调。综合以上说明，海上风电无功功率规划的约束条件为
[0094][0095]
4.种群初始化
[0096]
根据式(1)(2)进行系统潮流计算，在最大负荷条件下，计算每个无功补偿节点的电压调控指数，选择对电压调控能力较大的点投运无功装置，此时的q＝[q1，q2，
…
，q
n
]为系统整体无功补偿配置方案。
[0097]
系统初始状态下的无功分配如下表:
[0098]
项目无功功率/mvar1、线路充电功率990.062.无功损耗
‑
150.843.无功负荷
‑
172.914.容性无功盈( )亏(
‑
)666.315.节点无功补偿
‑
680.00a.陆上电站
‑
240.00b.海上升压站1
‑
190.00c.海上升压站2
‑
170.00d.海上升压站3
‑
80.006、并网点无功补偿结果
‑
13.69
[0099]
5、以天牛须搜索算法(bas)进行无功补偿装置选址及容量选择函数f(q)进行寻优；
[0100]
a.设置步长及迭代次数，其中迭代次数为7次；
[0101]
b.选择天牛寻优方向
[0102][0103]
c.每次计算后，根据新的q
i
重新计算式(15)无功补偿量约束条件，实现算法的自适应计算，并比较每次目标函数计算结果，使得计算向电压调控指标较高的方向进行。
[0104]
d.通过多次迭代计算直到达到最大迭代次数，排序找到有功损耗与无功投入最小
的最佳配置方案q
svg
。
[0105]
通过多次迭代计算直到达到最大迭代次数7次，排序找到有功损耗与无功配置最少的最佳配置方案q
svg
，即陆上电站补偿容量为50mvar，海上升压站1补偿容量为190mvar，海上升压站2补偿容量为170mvar，海上升压站3补偿容量为80mvar，且此时并网点功率因数大于99％。
[0106]