一种大规模沿海电力柔直送出系统的优化选址定容方法与流程

1.本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种大规模沿海电力柔直送出系统的优化选址定容方法。


背景技术：

2.柔性直流输电技术具体指基于电压源型换流器(vsc)的高压直流输电技术 (vsc-hvdc)。在我国，模块化多电平换流器(mmc)是电压源型换流器的主流拓扑，mmc采用全控器件与脉冲调制技术，克服了常规直流输电技术中存在的换相失败、不能接入弱交流系统等问题，具有良好的发展前景。
3.柔性直流输电技术发展多年来一直处于理论研究阶段，最近几年才刚刚开始大量兴建示范工程。随着装备的不断升级以及控制与保护系统的不断突破， mmc型柔性直流输电系统的电压等级越来越高，容量越来越大，并逐步呈现出从两端到多端直流输电系统的发展趋势，如昆柳龙特高压混合直流工程、张北多端mmc直流工程和白鹤滩-江苏混合级联直流工程等。
4.海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点。近年来，海上风电开发已经成为全球新能源开发的热点与前沿，而随着“双碳”战略的实施，我国东部沿海地区的海上风电并网量将逐年提高，但这可能会给沿海地区的电力送出带来挑战。为提高海上风电渗透率并满足沿海地区大规模电力的送出需求，建设多端柔直送出系统是一种较好的应对手段；然而，目前国内电力行业和国网公司对大规模沿海电力柔直送出系统的规划方法研究不够充分，可能不足以支撑相关工程的优化选址定容。
5.选址定容问题是工程项目决策的重要内容，根据现有研究和工程经验，适用于柔直工程选址定容的方法主要是技术经济方案论证法[游广增,肖亮,李玲芳, 朱欣春,杨健,武兴龙,王国腾,徐政.典型高比例新能源地区电网采用柔性直流技术进行加强的方案设计方法[j].电力电容器与无功补偿,2020,41(01):142
‑ꢀ
150 157.doi:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2020.01.024]和数学模型法[唐晓骏,韩民晓,谢岩,王璟,霍启迪,田春筝,张鑫,申旭辉.应用于城市电网分区互联的柔性直流容量和选点配置方法[j].电网技术,2019,43(05):1709-1716.doi:10.13335/j.1000
‑ꢀ
3673.pst.2018.2097]，其中技术经济方案论证法需要事先得到备选方案，而数学模型法则对理想数学模型依赖度较高、实际操作性较差。


技术实现要素：

[0006]
鉴于上述，本发明提供了一种大规模沿海电力柔直送出系统的优化选址定容方法，适用于大规模沿海电力柔直送出系统的规划，主张通过初步筛选和经济比选这两个阶段的操作得到要求的数量的选址定容优化方案。
[0007]
一种大规模沿海电力柔直送出系统的优化选址定容方法，用于在区域电网中选择
若干个节点(可接入电力设备的地点，如发电场、变电站等)，在这些节点上增设一定容量的柔直换流站，具体包括：
[0008]
(1)初步筛选阶段：针对火电出力占比低风电出力占比高的区域电网，以主要输电通道(通常指的是输电量较大或电压等级较高的输电通道)n-1故障时不发生线路重载为前提，以新建柔直换流站容量总和最小为目标，计算得到多组候选方案；
[0009]
(2)经济比选阶段：基于共用程度和扩建潜力计算柔直换流站站址和直流线路的额外收益系数，进而估算各候选方案的等效静态成本，并以其中等效静态成本最低的一个或多个方案作为最终方案。
[0010]
进一步地，所述初步筛选阶段的具体实施过程如下：
[0011]
1.1基于区域电网的现状及规划前景，获得一套区域电网的运行数据，该运行数据涉及n个主要节点(通常是指规模较大的变电站、发电厂等重要站点) 可供选为柔直换流站的站址，且这些节点之间连接涉及m条线路；
[0012]
1.2确定新建柔直送出系统的端数即增设柔直换流站的数量，计为n
vsc
；
[0013]
1.3构建n维列向量p
new
与y，向量p
new
中第i个元素值p
newi
为新建柔直送出系统馈入第i个节点的有功功率，向量y中第i个元素值yi指示是否在第i个节点处新建柔直换流站，yi＝0表示否，yi＝1表示是；
[0014]
1.4在新建柔直送出系统前，使用直流法计算区域电网的有功潮流，进而依次计算任一线路k断线时m维的线路负载率列向量η
lk0
，该向量中与线路k 对应的元素值取0，k为线路索引序号且1≤k≤m；
[0015]
1.5建立如下目标函数即新建柔直换流站容量之和s小于设定阈值ε；
[0016][0017]
其中：di表示在第i个节点处新建柔直换流站的容量；
[0018]
1.6基于上述目标函数以及相关约束条件下进行计算，得到多组候选方案，每组候选方案包含有一套关于di和yi的数据。
[0019]
进一步地，所述步骤1.6中涉及的相关约束条件如下：
[0020][0021]
其中：r为与线路热稳定功率极限相关的m阶对角矩阵，xk为线路k断线后根据线路
电抗构建的m
×
n阶稀疏矩阵，bk为线路k断线后的n
×
n阶节点导纳矩阵，η
max
为m维的线路负载率上限值列向量。
[0022]
进一步地，所述对角矩阵r的表达式如下：
[0023][0024]
其中：p
lmaxk
为线路k的热稳定功率极限值。
[0025]
进一步地，所述稀疏矩阵xk每一行对应一条线路，其中第k行所有元素值均为0，第l行中除第a列和第b列元素值分别为1/x
l
和-1/x
l
，其余元素均为 0，x
l
为线路l的电抗，1≤l≤m且l≠k，a和b分别为线路l两端连接节点的索引序号且a＜b。
[0026]
进一步地，所述经济比选阶段的具体实施过程如下：
[0027]
2.1对于获得的多组候选方案，确定每个方案中柔直换流站的站址及站址之间连接所涉及的直流线路，进而得到所有候选方案涉及不重复的所有站址和直流线路，数量分别为z1和z2；
[0028]
2.2计算每个站址的额外收益系数；
[0029]
2.3根据站址的额外收益系数，计算每个候选方案的等效换流站建设成本；
[0030]
2.4计算每条直流线路的额外收益系数；
[0031]
2.5根据直流线路的额外收益系数，计算每个候选方案中的直流线路等效长度；
[0032]
2.6根据所述直流线路等效长度，计算每个候选方案的等效直流线路建设成本；
[0033]
2.7计算每个候选方案的等效静态成本即等效直流线路建设成本与等效换流站建设成本之和；
[0034]
2.8比较各候选方案的等效静态成本，选取等效静态成本最低的一个或多个方案作为最终方案。
[0035]
进一步地，所述步骤2.2中通过以下公式计算每个站址的额外收益系数；
[0036]e1p
＝a1(f
1p-1) f
1p
(p＝1,2,...,z1)
[0037]
其中：e
1p
为第p个站址的额外收益系数，a1为给定的站址共用程度折算因子 (在0～1的范围内取值)，f
1p
为第p个站址在所有候选方案中被选择的次数，f
1p
为第p个站址的扩建潜力系数(在0～1的范围内给定取值)。
[0038]
进一步地，所述步骤2.3中通过以下公式计算每个候选方案的等效换流站建设成本；
[0039][0040]
其中：c
0zj
为第z个候选方案中增设第j个柔直换流站的基础成本，s
zj
为第z个候选方案中增设第j个柔直换流站的容量，c
ave
为柔直换流站每增建单位容量所需增加的平均成本，e
1zj
为第z个候选方案中增设第j个柔直换流站对应站址的额外收益系数，z为候选方案数量。
[0041]
进一步地，所述步骤2.4中通过以下公式计算每条直流线路的额外收益系数；
[0042]e2q
＝a2(f
2q-1),(q＝1,2,...,z2)
[0043]
其中：e
2p
为第q条直流线路的额外收益系数，a2为给定的线路共用程度折算因子(在0～1的范围内取值)，f
2q
为第q条直流线路在所有候选方案中出现的次数。
[0044]
进一步地，所述步骤2.5中通过以下公式计算每个候选方案中的直流线路等效长度；
[0045][0046]
其中：lz为第z个候选方案中的直流线路等效长度，d
zg
为第z个候选方案中第g 条直流线路的航空距离，λ
zg
为第z个候选方案中第g条直流线路的曲折系数(即实际长度除以航空距离)，e
2zg
为第z个候选方案中第g条直流线路的额外收益系数。
[0047]
进一步地，所述步骤2.6中通过以下公式计算每个候选方案的等效直流线路建设成本；
[0048]clz
＝(c1 c2 c3)
·
lz[0049]
其中：c
lz
为第z个候选方案的等效直流线路建设成本，lz为第z个候选方案中的直流线路等效长度，c1为单位长度线路的杆塔成本，c2为单位长度线路的架线成本，c3为单位长度线路的土建及配件成本。
[0050]
本发明针对用于大规模沿海电力送出的柔性直流输电系统，可以在综合考虑建设要求、稳定性约束、方案成本和可扩建性等因素的基础上给出柔直送出系统的最优/较优选址定容方案，适用于大规模新能源消纳、大规模电力集群送出以及大规模直流功率馈入等场景中的柔性直流输电系统规划研究，也能为海上风电汇集送出等其他场景中的柔直规划研究提供参考。
附图说明
[0051]
图1为本发明优化选址定容方法的流程示意图。
[0052]
图2为本发明实施例中候选方案1～3的站址示意图。
[0053]
图3为本发明实施例中候选方案4～6的站址示意图。
[0054]
图4为本发明实施例中全部候选方案涉及的直流线路示意图。
具体实施方式
[0055]
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案
进行详细说明。
[0056]
本发明大规模沿海电力柔直送出系统的优化选址定容方法，包括共计15 个步骤，其中前7个步骤属于初步筛选阶段，用于筛选出满足建设需求和稳定性约束的候选方案；后8个步骤属于经济比选阶段，用于选择经济上最优的方案；如图1所示，具体步骤如下：
[0057]
(1)基于区域电网的现状及规划前景，选定所使用的电网数据，该数据中区域火电出力占比应低于某个门槛值、区域风电出力应高于某个门槛值。选定数据后，要确定系统中可被选为柔直换流站站址的节点列表(假设这样的节点共有n个)，并确定这些节点之间的线路列表(假设这样的线路共有m条)。
[0058]
(2)确定所规划的柔性直流系统的端数(设柔直端数为n
vsc
)。
[0059]
(3)构建n维列向量p
new
与y：p
new
中的元素p
newi
表示新建的多端柔直系统馈入节点i的有功功率；y中的元素yi用于指示是否在节点i处新建柔直换流站(yi＝0表示节点i处不建换流站，yi＝1表示节点i处要新建换流站)。
[0060]
(4)在建设柔直系统前的情况下，使用直流法计算所考虑的区域电网的有功潮流；然后，依次在任一线路k断线时，计算各线路的负载率并给出m维的线路负载率列向量η
lk0
，注意该向量中与断开的线路k对应的元素为0。
[0061]
(5)依次针对任一线路k断线的情况，根据线路热稳定功率极限构建m阶对角矩阵r，根据线路电抗构建m
×
n阶稀疏矩阵xk，并计算线路k断线后的节点导纳矩阵bk；在此基础上，增设以下约束条件式：
[0062][0063]
上式中，较大的正值m仅用于在yi为0时确保p
newi
为0，di表示在节点i处新建的换流站的容量，矩阵r和xk的计算式依次如下：
[0064][0065][0066]
其中：p
lmaxk
表示线路k的热稳定功率极限，x
ij
表示连接节点i和节点j的线路l 的电抗(线路断开时，电抗视为无穷大)。
[0067]
(6)设置目标函数为换流站容量之和最小，即
[0068]
(7)使用步骤(5)设置的约束条件和步骤(6)设置的目标函数，经过计算，可以筛选得到候选方案；至此，选址定容方案的初步筛选已完成。
[0069]
(8)接下来进入经济比选阶段；假设步骤(7)共筛选出了z个候选方案，依次确定每个候选方案中的直流线路走向，得到这z个方案选择建设的共计z1个站址和z2段直流线路。
[0070]
(9)依次计算建设第i个站址的额外收益系数e
1i
，计算式如下：
[0071]e1i
＝a1·
(f
1i-1) f
1i
,(i＝1,2,...,z1)
[0072]
其中：a1为人为给定的站址共用程度折算因子(在0～1的范围内取值)，f
1i
为站址i在全部z个候选方案中被选择的次数，f
1i
为人为给定的站址i的扩建潜力系数(在0～1的范围内取值)。
[0073]
(10)依次计算方案k的等效换流站建设成本c
ck
，计算式如下：
[0074][0075]
其中：c
0kj
为方案k中换流站j的基础成本，s
kj
为方案k中换流站j的容量，c
ave
为换流站每增建单位容量所需的平均新增成本，e
1kj
为方案k建设换流站j的额外收益系数。
[0076]
(11)依次计算建设第i段直流线路的额外收益系数e
2i
，计算式如下：
[0077]e2i
＝a2·
(f
2i-1),(i＝1,2,...,z2)
[0078]
其中：a2为人为给定的线路共用程度折算因子(在0～1的范围内取值)，f
2i
为直流线路i在全部z个候选方案中被选择的次数。
[0079]
(12)依次计算方案k所建设直流线路的等效计算长度lk，计算式如下：
[0080][0081]
其中：d
kj
为方案k中直流线路j的航空距离，λ
kj
为方案k中直流线路j的曲折系数，e
2kj
为方案k建设直流线路j的额外收益系数。
[0082]
(13)依次计算第k个候选方案的等效直流线路建设成本c
lk
，计算式如下：
[0083]clk
＝(c1 c2 c3)
·
lk[0084]
其中：c1为单位长度线路的杆塔成本，c2为单位长度线路的架线成本，c3为单位长度线路的土建及其余配件成本。
[0085]
(14)依次计算第k个候选方案的等效总静态成本，即ck＝c
ck
c
lk
。
[0086]
(15)比较各候选方案的等效总静态成本，选出一个或多个最终方案。
[0087]
江苏电网是一个典型的高受电比例受端电网；随着苏北沿海地区大规模风电接入、苏南火电机组出力占比降低以及负荷水平的不断提高，江苏电网内部发电中心与用电中心的不平衡将被加剧。
[0088]
根据华东电网2025年夏高规划数据，江苏电网中525kv节点共161个(即有n＝161)，525kv网架共有线路325条(即有m＝325)；在规划数据的运行方式下，江苏电网内部过江断面共将14293.9mw的有功功率自长江北侧送往南侧，各输电线路的负载率也较高。具体而言，除了秋藤-秦淮过江通道之外，其余过江通道一旦发生n-1，就会有出现个别线路负载率高于80％的情况，对苏南地区的安全供电造成了很大的威胁。同时，除了过江断面，还有一些负载率偏高的525kv输电线路，主要位于苏南负荷中心。
[0089]
针对未来风电大规模接入沿海地区后江苏电网过江断面输电能力不足的问题，可以考虑利用苏通gil过江走廊中预留的线路建设空间(对应图4中的直流线路
②
)，在江苏省内新建一个三端柔性直流输电系统，使得过江断面或苏南负荷中心的525kv输电通道n-1时，江苏省525kv网架负载率不高于80％。
[0090]
据此，若设n
vsc
＝3(即建设三端柔直系统)和m＝3000(即要求单个换流站的功率不超过3000mw)，并要求直流线路包含苏通gil过江走廊段(对应图4中的直流线路
②
)，则根据本发明优化选址定容方法的步骤(1)～(7)，得到6个候选方案，如表1所示：
[0091]
表1
[0092][0093]
由上表可知，方案1～6的整流站站址都为苏南通51母线处，并且方案1～3 的换流站建设容量相同，方案4～5的换流站建设容量相同。方案1～3的站址选如图2所示，方案4～6的站址选如图3所示，图中较大的黑色圆圈表示整流站站址，较小的灰色圆圈表示逆变站站址；容易得到，z1＝8。
[0094]
由于各方案的换流站总容量相差甚微，各方案的换流站建设成本相差不大，因此本算例中不同候选方案的成本差异主要取决于线路建设成本；而根据方案1～6的选址结果，可以规划所需建设的直流线路。规划结果表明，6种候选方案涉及的直流线路共有9段(即z2＝9)，如图4所示。
[0095]
设a1＝f
1i
＝0.1，a2＝0.2并令曲折系数总取1.2，则可以根据本发明优化选址定容方法的步骤(8)～(14)计算各方案的等效总静态成本，结果如表2所示：
[0096]
表2
[0097][0098]
由上表可见，根据等效总静态成本排序，可以认为方案5是本实施例中的最优方案。
[0099]
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。