CN106532775A - 海上风电场并网点优化选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电并网点优化选择方法，结合风电场出力特性和并网点、区域电网负荷特性、电网网架结构及电源出力约束，确定计算周期内(如：一年)区域电网的充裕性、安全性，用以比较分析不同并网点下区域电网对海上风电的消纳能力并初步筛选较优的并网点。对于初步筛选的并网点，形成网架加强方案集合，针对每种网架加强方案，将初筛计算中不满足区域电网充裕性、安全性的时间断面重新计算，以满足电网充裕性、安全性的约束条件，最后以投资最小为目标，得到海上风电场的最佳并网点。本发明以投资费用最小化为目标，综合考虑海上风电并网后对电网的影响以及电网网架加强方案，得到海上风电的最佳并网点。

Description

海上风电场并网点优化选择方法

技术领域

本发明涉及风力发电并网技术领域，特别涉及海上风电场并网点优化选择方法。

背景技术

为了应对气候环境的变化，倡导可持续发展，我国能源正在向低碳化、高效化的发展模式转型。在国家新能源战略和政策的推动下，风力发电已经成为我国新能源应用的主要方式，陆上和海上风电共同发展，装机规模逐年攀升。而海上风电具有风速高、风资源持续稳定、单机容量大、无噪声限制、不占用土地、更接近电网负荷中心、便于并网与利用等巨大优势，其规模化发展已经成为我国当前风电发展的重要任务。

我国海上风能资源丰富，具备大规模发展海上风电的风资源条件。截至2014年底，全球海上风电装机容量已经达到877万kW，中国大陆累计海上风电装机容量达到65.8万kW，与国家可再生能源中长期规划中2015年海上风电装机容量达到500万kW，2020年达到3000万kW(据了解，“十三五”规划中2020年全国风电装机目标从2亿kW上调至2.5～2.8亿kW，海上风电目标存在上调可能)的目标还存在一定差距。

2014年6月，国家发展改革委出台了《国家发展改革委关于海上风电上网电价政策的通知》(发改价格[2014]1216号)，通知中进一步明确了海上风电的阶段上网电价，电价政策基本符合业内上网电价预期，释放出我国海上风电将加快发展的政策信号。重视并大力发展海上风电，加快推进海上风电建设，不仅可以带动海洋经济和装备制造发展，更是保障我国能源安全，满足能源可持续供应，促进节能减排的必然要求。

从海上风电场接入条件来看，所接入的区域电网一般比较薄弱，而海上风电场在逐渐开发的过程中，给区域电网带来的送出压力也逐渐增大。传统的海上风电并网点选择一般仅考虑区域电网网架输送容量是否满足风电的送出需求，而尚未考虑海上风电的消纳问题以及电网故障后系统的稳定性问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供海上风电场并网点优化选择方法，实现的目的之一是结合风电场出力特性和并网点、区域电网负荷特性、电网网架结构及电源出力约束，确定计算周期内(如：一年)区域电网的充裕性、安全性，用以比较分析不同并网点下区域电网对海上风电的消纳能力并初步筛选较优的并网点。

为实现上述目的，本发明提供了海上风电场并网点优化选择方法，步骤如下：

(a)模拟风电场出力特性及调研区域电网负荷特性：

根据ARMA模型得到风电场周期内的出力特性曲线；收集风电场所在区域的电网在所述周期内的负荷特性曲线。

风速具有随机性和波动性，而海上风电场的出力又取决于风速，故建立合适的风速模型是模拟风电场出力特性的前提，也是分析区域电网充裕性和安全性的基础。本发明采用ARMA模型对风速进行建模。区域电网的负荷特性采用调研的方式获取，包括电网中各个节点的一年的负荷特性曲线。

所述ARMA模型是回归滑动平均(Auto Regressive and Moving Average，ARMA)模型。

(b)对海上风电场在区域电网中的并网点进行初筛：

将所述周期精确到小时单位，并针对不同的并网点，根据所述风电场的所述出力特性曲线、所述区域电网的所述负荷特性曲线、风力发电机组出力约束以及网架结构对每个小时单位的时间断面进行潮流计算，统计每个时间断面电网的充裕性和安全性，所述充裕性体现在线路最大负载率，所述安全性体现在电网N-1通过率；通过对比电网的所述充裕性和所述安全性指标，初步筛选出较优3-4个并网点。

优选的，步骤(a)中所述周期为一年。

相应的，在步骤(b)中，将所述周期精确到小时单位时，共计有8760个时间断面。

(c)生成区域电网网架加强方案集和故障集：

根据步骤(b)，找到电网的薄弱环节并生成相应的区域电网网架加强方案集，以满足电网的所述充裕性和所述安全性要求；针对加强后的网架结构，生成电网故障集，用以分析电网的暂态稳定性。

(d)建立海上风电场并网点优化选择模型：

根据步骤(b)中所述区域电网网架加强方案和所述故障集，对海上风电场并网点进行优化选择，函数的数学表达式为：

min C_sum＝C_{wind_line}+C_{strong_line}

式中，C_sum为投资费用；C_{wind_line}为风电场至并网点的线路投资费用；C_{strong_line}为区域电网网架加强方案的投资费用，包括变电站间隔投资。

约束条件为：

s.t.

P_Gimin≤P_Gi(t)≤P_Gimax (3)

U_min≤U_i≤U_max (4)

Load₁≤α (5)

β_N-1≥β (6)

β_Sta＝100％ (7)

公式(1)、公式(2)为功率平衡等式约束，其中P_Gi、P_Di分别为发电机节点和负荷节点的有功，Q_Gi、Q_Di分别为发电机节点和负荷节点的无功，U_i为节点电压，G_ij、B_ij为支路的导纳和阻抗，这两个公式是电力系统专业教材中的公式；S_B为计算区域的节点集合。

公式(3)为区域电网内电源的出力约束。

公式(4)为电网节点电压约束。

公式(5)为电网充裕性约束，即线路最大负载率不超过α。

公式(6)为区域电网的N-1通过率，应超过β；α和β可根据区域供电公司的要求取值。

公式(7)为电网暂态稳定性，在给定故障集合下，应能100％保证电网稳定。

(e)求解并得到海上风电场最优并网点：

根据所述网架加强方案集和所述故障集，针对初筛的并网点进行计算，验证其是否满足步骤(d)中的约束条件，若不满足则将该并网点对应的网架加强方案从方案集中删除；若满足约束条件，则将该方案置入备选方案集中；按优化目标的费用计算公式计算备选方案集各个方案的投资费用，选择投资最小的为海上风电场的最优并网点。

本发明的有益效果：

本发明结合风电场出力特性和并网点、区域电网负荷特性、电网网架结构及电源出力约束，确定计算周期内(如：一年)区域电网的充裕性、安全性，用以比较分析不同并网点下区域电网对海上风电的消纳能力并初步筛选较优的并网点。

本发明对于初步筛选的并网点，形成网架加强方案集合，针对每种网架加强方案，将初筛计算中不满足区域电网充裕性、安全性的时间断面重新计算，以满足电网充裕性、安全性的约束条件，最后以投资最小为目标，得到海上风电场的最佳并网点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出的是本发明一位于上海崇明岛的实施例的海上风电场示意图。

图2示出的是本发明一位于上海崇明岛的实施例的风电场出力特性曲线图。

图3示出的是本发明一位于上海崇明岛的实施例的负荷特性曲线图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，以图1中崇明岛海上风电场为例，周边可供其并网的站点有220kV陈家镇站、220kV堡北站以及220kV长兴站。

步骤(a)模拟风电场出力特性及调研区域电网负荷特性：

根据ARMA模型得到风电场一年的出力特性曲线见图2。

根据调研得到区域电网一年的负荷特性曲线见图3。

步骤(b)对海上风电场在区域电网中的并网点进行初筛：

根据步骤(a)中风电场出力特性和负荷特性曲线，对8760个时间断面进行潮流计算，统计得到三个并网点线路最大负载率，安全性体现在电网N-1通过率。以陈家镇为并网点线路最大负载率为61.2％，电网N-1通过率为12.5％；以堡北为并网点线路最大负载率为59.5％，电网N-1通过率为12.5％；以长兴为并网点线路最大负载率为65.7％，电网N-1通过率为37.5％。故初步筛选选取陈家镇和堡北为并网点。

步骤(c)生成区域电网网架加强方案集和故障集：

根据步骤(b)的计算结果，不满足N-1的线路为陈家镇-团结线路，故对其进行加强，新建1回陈家镇-团结220kV线路。故障集为堡北-陈家镇、陈家镇-团结线路故障。

步骤(d)建立海上风电场并网点优化选择模型：

基于区域电网网架加强方案和故障集，对海上风电场并网点进行优化选择，目标是工程投资费用最小。目标函数的数学表达式为：

min C_sum＝C_{wind_line}+C_{strong_line}

式中，C_sum为投资费用；C_{wind_line}为风电场至并网点的线路投资费用；C_{strong_line}为区域电网网架加强方案的投资费用，包括变电站间隔投资。

约束条件为：

s·t.

P_Gimin≤P_Gi(t)≤P_Gimax (3)

U_min≤U_i≤U_max (4)

Load₁≤α (5)

β_N-1≥β (6)

β_Sta＝100％ (7)

公式(1)、公式(2)为功率平衡等式约束，其中P_Gi、P_Di分别为发电机节点和负荷节点的有功，Q_Gi、Q_Di分别为发电机节点和负荷节点的无功，U_i为节点电压，G_ij、B_ij为支路的导纳和阻抗，这两个公式是电力系统专业教材中的公式；S_B为计算区域的节点集合。

公式(3)为区域电网内电源的出力约束。

公式(4)为电网节点电压约束。

公式(5)为电网充裕性约束，即线路最大负载率不超过α。

公式(6)为区域电网的N-1通过率，应超过β；α和β可根据区域供电公司的要求取值。

公式(7)为电网暂态稳定性，在给定故障集合下，应能100％保证电网稳定。

步骤(e)求解并得到海上风电场最优并网点：

根据区域网架加强方案集合故障集，针对陈家镇和堡北两个并网点，通过计算验证其均能满足约束条件，两个并网点方案均置入备选方案集中。

由于海上风电场至堡北线路较风电场至陈家镇线路长，故投资较大，最终得到最优的并网点为陈家镇。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.海上风电场并网点优化选择方法，步骤如下：

(a)模拟风电场出力特性及调研区域电网负荷特性：根据回归滑动平均ARMA模型得到风电场周期内的出力特性曲线；收集风电场所在区域的电网在所述周期内的负荷特性曲线；

(b)对海上风电场在区域电网中的并网点进行初筛：将所述周期精确到小时单位，并针对不同的并网点，根据所述风电场的所述出力特性曲线、所述区域电网的所述负荷特性曲线、风力发电机组出力约束以及网架结构对每个小时单位的时间断面进行潮流计算，统计每个时间断面电网的充裕性和安全性，所述充裕性体现在线路最大负载率，所述安全性体现在电网N-1通过率；通过对比电网的所述充裕性和所述安全性指标，初步筛选出较优3-4个并网点；

(c)生成区域电网网架加强方案集和故障集：根据步骤(b)，找到电网的薄弱环节并生成相应的区域电网网架加强方案集，以满足电网的所述充裕性和所述安全性要求；针对加强后的网架结构，生成电网故障集，用以分析电网的暂态稳定性；

(d)建立海上风电场并网点优化选择模型：根据步骤(b)中所述区域电网网架加强方案和所述故障集，对海上风电场并网点进行优化选择，函数的数学表达式为：

min C_sum＝C_{wind_line}+C_{strong_line}

式中，C_sum为投资费用；C_{wind_line}为风电场至并网点的线路投资费用；C_{strong_line}为区域电网网架加强方案的投资费用，包括变电站间隔投资；

约束条件为：

s.t.

$\begin{array}{cc}{P}_{Gi}\left(t\right)-P_{Di}\left(t\right)=U_i\left(t\right)\stackrel{N}{\Σ}{U}_j\left(t\right)\[G_{ij}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{ij}\right(t\left)\right)+B_{ij}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{ij}\right(t\left)\right)\]& i\∈S_B\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{cc}{Q}_{Gi}\left(t\right)-Q_{Di}\left(t\right)=U_i\left(t\right)\stackrel{N}{\Σ}{U}_j\left(t\right)\[B_{ij}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{ij}\right(t\left)\right)-G_{ij}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{ij}\right(t\left)\right)\]& i\∈S_B\end{array}---\left(2\right)$

P_Gimin≤P_Gi(t)≤P_Gimax (3)

U_min≤U_i≤U_max (4)

Load_i≤α (5)

β_N-1≥β (6)

β_Sia＝100％ (7)

公式(1)、公式(2)为功率平衡等式约束，其中P_Gi、P_Di分别为发电机节点和负荷节点的有功，Q_Gi、Q_Di分别为发电机节点和负荷节点的无功，U_i为节点电压，G_ij、B_ij为支路的导纳和阻抗；S_B为计算区域的节点集合；

公式(3)为区域电网内电源的出力约束；

公式(4)为电网节点电压约束；

公式(5)为电网充裕性约束，即线路最大负载率不超过α；

公式(6)为区域电网的N-1通过率，应超过β；α和β可根据区域供电公司的要求取值；

公式(7)为电网暂态稳定性，在给定故障集合下，应能100％保证电网稳定；

(e)求解并得到海上风电场最优并网点：

根据所述网架加强方案集和所述故障集，针对初筛的并网点进行计算，验证其是否满足步骤(d)中的约束条件，若不满足则将该并网点对应的网架加强方案从方案集中删除；若满足约束条件，则将该方案置入备选方案集中；按优化目标的费用计算公式计算备选方案集各个方案的投资费用，选择投资最小的为海上风电场的最优并网点。

2.根据权利要求1所述的海上风电场并网点优化选择方法，其特征在于，步骤(a)中所述周期为一年。