计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法技术

本发明专利技术公开了一种计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法，具体为：根据海上风电场容量和输送距离选取补偿点和补偿方式；建立海上风电场等值模型，根据海上风电场不同有功出力水平下的无功需求，优化高压并联电抗器的补偿容量及分组数，并制定P

【技术实现步骤摘要】
计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法
本专利技术属于电力系统的风电场无功补偿
，具体涉及一种计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法。
技术介绍
近年来，海上风电由于其清洁环保、发电资源丰富且适合大规模建设等优势，在世界范围内受到广泛应用。随着海上风电场装机容量和规模的不断扩大，无功配置问题逐渐突出。一方面，海上风电汇集线路和送出线路普遍采用高压交流海底电缆，相比陆上架空线路，交流海缆容性充电功率较大，导致的过电压和无功配置问题显著；另一方面，受海上风电场的地理因素限制，无功补偿装置补偿点和补偿方式的选择有局限性；且目前国内外对基于双馈机组无功调节能力的无功配置优化策略的研究较少，现有的《海上风电场接入电网技术规定》对双馈风电机组无功资源的配置约束并没有做出明确规定，缺乏实际技术导则和评估方法。目前海上风电场普遍采用变速恒频运行的双馈异步风力发电机组，可实现有功和无功的解耦控制，在不影响有功出力情况下可以灵活调节无功输出，而国内风电机组通常以单位功率因数或恒功率因数方式运行，未能充分利用机组本身快速、灵活的无功调节能力，依赖大容量的无功补偿装置进行补偿，降低风电场经济性。相关文献主要聚焦于对双馈异步风电机组无功极限和风电场无功电压控制策略的研究，对无功优化配置方法的研究主要是利用人工智能算法对风电机组无功出力和补偿装置容量采取不同的优化目标进行静态优化，补偿方案对于动态、暂态稳定的考虑不足，尚未做到兼顾经济性与安全性。
技术实现思路
本专利技术针对现存技术的不足，旨在考虑海上风电场静态、暂态电压稳定，充分利用风电机组自身无功调节能力，提高无功配置方案的经济性和安全性。提供了一种计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法。本专利技术的计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法，包括以下步骤：步骤1：考虑海上风电场和无功补偿装置的特性，根据海上风电场容量和输送距离选取合适的补偿点和补偿方式。步骤2：建立海上风电场等值模型，根据海上风电场不同有功出力水平下的无功需求，优化高压并联电抗器的补偿容量及分组数，并制定PDFIG-n表；根据海上风电场并网技术规范对电压的要求，通过动态仿真优化SVG装置的补偿容量，确保暂态电压稳定。步骤3：根据优化后的补偿装置容量，以静态电压稳定和运行成本为目标，充分利用风电机组无功调节能力，协调优化风电机组与无功补偿装置的无功出力。进一步的，上述步骤1中，充分考虑海上风电场海底电缆充电功率大、发电功率波动大的特性。选择高压并联电抗器来补偿充电功率，根据海底电缆长度采用两端补偿或单端补偿，当海底电缆长、风电场容量小时选择两端补偿方式，其他情况选择陆上开关站单端补偿方式；选择海上升压站加装动态补偿装置SVG配合风电机组无功出力来满足风电场不断变化的无功需求，同时提升风电场的暂态电压稳定。进一步的，上述步骤2中，确定高压并联电抗器补偿容量时，考虑风电机组发出不同有功功率PDFIG时的无功需求QC不同，建立海上风电场等值模型，将无功需求QC作为控制变量，以内部节点电压偏差最小为目标，利用遗传算法分别对风电机组空载和满发两种情况进行计算，得到最大补偿量QC_max和最小补偿量QC_min。其目标函数为：式中，N为海上风电场节点集,Ui为节点i电压幅值，Ui.ref为节点i电压参考值。约束条件为：式中，Pi、Qi分别为第i节点注入的有功功率、无功功率，Gij、Bij为i、j节点间线路的导纳，θij为i、j节点相位差，QDFIG、QSVG分别为风电机组、SVG的无功出力。在对电抗器容量优化时，限制风电机组和SVG的无功出力均为0，是因为电抗器相对于其他补偿方式价格低，应尽可能多利用电抗器来补偿，降低补偿成本，同时能在实际运行时为风电机组和SVG留有更多的无功裕量，提升电压稳定性。根据风电场容量，对QC_max、QC_min取整并选取合适的补偿容量QSR和分组数n。确定容量后，将补偿投入组数n作为控制变量，计算出风电机组不同有功出力水平下所需的电抗器组数，制定成PDFIG-n表以在实际运行中使用。此步优化过程仅需将上一步优化更改为整数优化：式中，为一组电抗器的容量。基于高压并联电抗器容量分组固定、投切次数有限的特点，通过采集风电功率预测系统的短期风电功率预测数据，提前制定当日的电抗器投切计划。将24小时风电功率预测曲线分段，以各时间段内风电功率平均值Pi_DFIG代表这一时间段的有功水平，参考PDFIG-n表得出这一时段的电抗器投入组数。在对风电功率预测曲线分段时，保证分段数不超过高压并联电抗器的日投切次数限制，分段时间间隔长于电抗器投切时间间隔限制。确定高压并联电抗器补偿容量后，利用SVG和风电机组的无功调节能力来补偿由于风速变化、电网电压波动等情况带来的无功需求。根据《海上风电场接入电网技术规定》的要求，当并网点电压在标称电压在90％～110％之间时，风电机组应能正常运行，并网点电压低于标称电压的20％时，海上风电场应能按照低电压穿越要求运行。根据此要求计算SVG的补偿容量，具体步骤如下：1)建立海上风电场动态仿真模型，根据风电机组发出有功功率PDFIG确定电抗器投入组数及风电机组无功出力极限Qi_max、Qi_min。电抗器投入组数可通过PDFIG-n表得到，风电机组的无功极限在定子、转子电流极限和静态稳定极限的约束下，可表示为：式中，P为风电机输出有功功率，Us为定子侧线电压，Is.max、Ir.max分别为定子侧电流最大值和转子侧电流最大值，Xs、Xm分别为定子漏抗和励磁电抗。2)模拟电网侧电压瞬时跌落，将并网点电压UPCC降至0.9pu。仿真过程中，利用仿真优化工具箱，将SVG补偿装置容量QSVG设为控制变量，以海上升压站电压UT及风电机组端电压UDFIG为约束条件：式中，UT.st和UDFIG.st为升压站电压和风电机组机端电压的稳态值。通过此步优化计算得出SVG最小补偿容量QSVG.min，并对配置此容量SVG的风电场进行低电压穿越测试，验证是否满足技术规定的要求。进一步的，上述步骤3中，为充分利用风电机组无功调节能力，协调静态时各风电机及SVG的无功出力，将风电机组及SVG无功出力作为控制变量，以静态电压稳定裕度、电压偏差、补偿装置无功裕量、有功网损为目标，其目标函数为：式中，N为节点数，△Ui为i节点电压幅值与参考值的偏差，QSVG_ref为SVG无功出力，QSVG为SVG总补偿容量，Ploss为有功网损，δmin为潮流计算雅可比矩阵的最小特征值，表征静态电压稳定裕度，λ1,λ2...λ5为各项指标的权重系数，n为在优化前选取的无功电压灵敏度较大的风电机数量，Qi_DFIG为第i台风电机的无功出力；通过目标函数中加入此项，使灵敏度大的风电机发出更多无功，减少风电机组总无功出力；优化约束条件为：式中，Qi.min(P)和Qi.max(P)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：考虑海上风电场和无功补偿装置的特性，根据海上风电场容量和输送距离选取补偿点和补偿方式；/n步骤2：建立海上风电场等值模型，根据海上风电场不同有功出力水平下的无功需求，优化高压并联电抗器的补偿容量及分组数，并制定P

【技术特征摘要】
1.计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：考虑海上风电场和无功补偿装置的特性，根据海上风电场容量和输送距离选取补偿点和补偿方式；
步骤2：建立海上风电场等值模型，根据海上风电场不同有功出力水平下的无功需求，优化高压并联电抗器的补偿容量及分组数，并制定PDFIG-n表；根据海上风电场并网技术规范对电压的要求，通过动态仿真优化SVG装置的补偿容量，确保暂态电压稳定；
步骤3：根据优化后的补偿容量，以静态电压稳定和运行成本低为目标，利用风电机组无功调节能力，协调优化风电机组与无功补偿装置的无功出力。


2.根据权利要求1所述的计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
考虑海上风电场海底电缆充电功率大、发电功率波动大的特性，选择高压并联电抗器来补偿充电功率；
根据海底电缆长度采用两端补偿或单端补偿，当海底电缆长、风电场容量小时选择两端补偿方式，其他情况选择陆上开关站单端补偿方式；
选择海上升压站加装动态补偿装置SVG配合风电机组无功出力来满足风电场不断变化的无功需求，同时提升风电场的暂态电压稳定。


3.根据权利要求1所述的计及风电机组无功调节的海上风电场无功优化配置方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
确定高压并联电抗器补偿容量时，考虑风电机组发出不同有功功率PDFIG时的无功需求QC不同，建立海上风电场等值模型，将无功需求QC作为控制变量，以内部节点电压偏差最小为目标，利用遗传算法分别对风电机组空载和满发两种情况进行计算，得到最大补偿量QC_max和最小补偿量QC_min；其目标函数为：



式中，N为海上风电场节点集，Ui为节点i电压幅值，Ui.ref为节点i电压参考值；
约束条件为：



式中，Pi、Qi分别为第i节点注入的有功功率、无功功率，Gij、Bij为i、j节点间线路的导纳，θij为i、j节点相位差，QDFIG、QSVG分别为风电机组、SVG的无功出力；在对电抗器容量优化时，限制风电机组和SVG的无功出力均为0；
根据风电场容量，对QC_max、QC_min取整并选取合适的补偿容量QSR和分组数n；确定容量后，将补偿投入组数n作为控制变量，计算出风电机组不同有功出力水平下所需的电抗器组数，制定成PDFIG-n表以在实际运行中使用；此步优化过程仅需将上一步优化更改为整数优化：



式中，为一组电抗器的容量；
基于高压并联电抗器容量分组固定、投切次数有限的特点，通过采集风电功率预测系统的短期风电功率预测数据，提前制定当日的电抗器投切计划；将24小时风电功率预测曲线分段，以各时间段内风电功率平均值Pi_DFIG代表这一时间段的有功水平，参考PDFIG-n表得出...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜婉琳，马明，王玲，雷二涛，徐柏榆，金莉，唐挺，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44