CN108899941A - 一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法和系统，包括：将预先划分的多端柔性直流送出的海上风电基地的子区域中的运行数据带入预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；基于所述无功补偿最优配置解对所述海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。本发明提供的技术方案根据风电基地出力特性，以风电送出的网损最低和经济成本最低为双目标，建立海上风电基地无功补偿设备优化配置方法，为海上风电的稳定运行及送出提供技术支撑。

Description

一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法和系统

技术领域

本发明配电网领域，具体涉及一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法。

背景技术

海上风电因具有不占用陆地土地资源、风能利用率高等诸多优势，是未来风电市场的发展重心。截至2015年底，我国已建成的海上风电项目装机容量共计1014.68MW；按照我国海上风电初步规划，到2020年装机规模将达到1000万千瓦

当海上风电场离岸距离比较远时，交流远距离传输时的成本要比直流输电高，同时电感、电容的充电功率太大，需要无功补偿，带来电能质量下降等问题；随着海上风电并网规模、开发海域距离等发展，柔性直流输电技术更适用于远距离输电，且不会出现换相失败、有功功率和无功功率解耦控制等许多优点，因此，柔性直流输电技术已成为大规模海上风电送出的发展趋势。

而大型海上风电基地通过柔性直流送出，海上交流侧控制与陆上同步电网相对隔离，送端区域同步性相对薄弱，由柔性直流控制频率和电压，为了保证风电场内部损耗最低，通常情况下配置无功补偿设备，以实现网损最低，送出功率最大，但同时无功补偿的投入增加了建设和运行成本，因此需要考虑如何在保证网损最低的情况下，达到无功补偿的最优经济运行目标。

发明内容

针对风电送出的网损最低和经济成本最低的双目标，本发明提出一种大型海上风电基地柔直送出下的多目标无功优化配置方法，该法根据风电基地出力特性，以海上风电基地功率平衡等因素为约束，建立海上风电基地无功补偿设备优化配置方法，实现有功网损最低和投资运行成本最低的双目标配置。

本发明提供的技术方案是：

一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，包括：

将预先划分的多端柔性直流送出的海上风电基地的子区域中的运行数据带入预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；

基于所述无功补偿最优配置解对所述海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置；

所述无功优化配置模型包括：有功网损最低的目标函数、无功补偿经济成本最低的目标函数以及优化配置约束条件。

优选的，所述无功优化配置模型的建立包括：

依据海上风速特征，按照风速服从两参数威布尔分布，在预先设定的子区域中随机抽样得到风速时间序列；

根据所述子区域的电网拓扑，确定子区域的电网支路和电压节点；

基于所述风速时间序列：

由所述子区域的节点电压、节点电压相角差和子区域的电缆参数确定有功网损最低的目标函数；所述电缆参数包括子区域内各支路电导；

由所述子区域的各节点无功容量和子区域的造价参数，确定无功补偿经济成本最低的目标函数；所述造价参数包括子区域内各节点的单位无功容量建设成本和单位时间运行维护成本；

根据风电机组输出功率与风速的关系，获取各风电机组的有功功率和无功功率，并根据各风电机组的有功功率和无功功率，建立目标函数运行的海上风电基地的潮流约束、海上风电基地风机出力约束和海上风电基无功补偿的出力约束。

进一步的，所述有功网损最低的目标函数如下式所示：

其中，P_loss为时间序列[1,2,…,n]内的单个子区域总有功网损，m为子区域个数，G_b(k,j)为第b条支路的电导，k，j为支路两端节点号，U_k为节点k电压，U_j为节点j电压，θ_kj为节点k、j的电压相角差，N_b为支路条数。

进一步的，所述无功补偿经济成本最低的目标函数如下式所示

其中，Q_CNk为节点k的无功容量，Cost_{in_k}为节点k的单位无功容量建设成本，Cost_{op_k}为节点k的单位时间运行维护成本，[1,2,…,n]为时间序列，N_grid为节点个数。

进一步的，所述海上风电基地的潮流约束如下式所示：

其中，k为子区域网络的节点；N_grid为节点个数；U_j为节点j电压；U_k为节点k电压；Q_Ck为节点k设置的无功补偿；P_Gk为节点k的风电机组输出的有功功率，Q_Gk为节点k的风电机组输出的无功功率(无风电机组的节点设为0)；P_Lk为节点k的直流送出有功功率，Q_Lk为节点k的直流送出无功功率(无直流送出的节点设为0)；G_kj为节点导纳矩阵中第k行第j列对应的导纳的实部，B_kj为节点导纳矩阵中第k行第j列对应的导纳的实虚部，[1,2,…,n]为时间序列；

进一步的，所述海上风电基地风机出力约束如下式所示：

其中，P_m表示子区域内第m台风电机组输出的有功功率，Q_m表示子区域内第m台风电机组输出的无功功率，[1,2,…,n]为时间序列；

进一步的，所述海上风电基无功补偿的出力约束如下式所示：

Q_Ckmin≤Q_Ck≤Q_Ckmax,[1,2,...,n]

其中，Q_Ckmax表示节点k的无功补偿的补偿上限，Q_Ckmin表示节点k的无功补偿的补偿下限，[1,2,…,n]为时间序列。

进一步的，所述海上风电基地子区域的划分包括：

依据海上风电基地的多段直流柔性直流拓扑，按照直流端的端数将海上风电基地划分为每个子区域只有一个直流端的设定个数的子区域；所述设定个数与多端柔性直流的端数相等。

进一步的，所述将预先划分的多端柔性直流送出的海上风电基地的子区域中的运行数据带入预设的无功优化配置模型，并计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解，包括：

根据所述运行数据，确定所述子区域内的节点电压、节点电压相角差、节点无功容量初始值；

将所述节点电压、节点电压相角差以及节点无功容量作为多目标优化的决策变量；

根据多目标遗传NSGA-Ⅱ算法，从所述初始值开始，针对所述决策变量对应的目标函数进行择优选择，获取满足约束条件的使子区域内的总有功网损最低且无功补偿经济成本最低的节点无功容量；

所述满足约束条件的使子区域内的总有功网损最低且无功补偿经济成本最低的节点无功容量为最优配置解。

一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置系统，所述系统包括：

子区域划分模块，用于将多端柔性直流送出的海上风电基地划分为多个子区域；

无功补偿优化配置模块，用于根据预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解，并基于无功补偿最优配置解对海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。

所述子区域划分模块包括：确定单元和划分单元；

所述确定单元，用于依据海上风电基地的多段直流柔性直流拓扑，确定其中的直流端位置和端数；

所述划分单元，用于根据直流端位置和端数，将海上风电基地划分为每个子区域只有一个直流端的子区域，子区域的个数与直流端端数相等。

所述无功优化配置模块包括：无功优化模型单元、求解单元和配置单元；

所述无功优化模型单元，用于建立有功网损最低的目标函数、无功补偿总经济成本最低的目标函数以及优化配置约束条件；

所述求解单元，用于采用多目标遗传NSGA-Ⅱ算法，获取海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；

所述配置单元，用于根据无功补偿最优配置解对海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，将预先划分的多端柔性直流送出的海上风电基地的子区域中的运行数据带入预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；基于所述无功补偿最优配置解对所述海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。该法根据风电基地出力特性，以海上风电基地功率平衡等因素为约束，以风电送出的网损最低和经济成本最低为双目标，建立海上风电基地无功补偿设备优化配置方法

本发明提供的技术方案利用多目标遗传算法，针对最优经济运行目标和最低有功网损目标，结合无功优化约束条件，求解无功补偿最优配置方案，为海上风电的稳定运行及送出提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法实施流程图；

图2为本发明实施例中一种大型海上风电基地柔直送出下的多目标无功优化配置方法流程图；

图3为本发明实施例中大型海上风电基地柔性直流送出示意图；

图4为本发明的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明作进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

针对未来大规模海上风电开发利用，本专利根据风电基地出力特性，以海上风电基地功率平衡等因素为约束，以风电送出的网损最低和经济成本最低为双目标，建立海上风电基地无功补偿设备优化配置方法，并根据多目标遗传算法求解无功补偿配置最优解，依据最优配置对海上风电基地进行无功补偿配置。

实施例1：

本发明实施例提供的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其具体实施过程如图1所示，包括：

S101：将预先划分的多端柔性直流送出的海上风电基地的子区域中的运行数据带入预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；

S102：基于所述无功补偿最优配置解对所述海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。

具体的，本发明实施例提供的海上风电基地柔直送出下的多目标无功优化配置方法流程图如图2所示，包含如下内容：

步骤S101，首先对大型海上风电基地进行子区域划分，具体过程如下：

步骤S101-1，以直流端为分界线，将海上风电基地分成若干个子区域；

步骤S101-2，每个子区域由柔性直流建立频率和电压，确定子区域的运行数据；

步骤S101-3，根据每个子区域的拓扑结构，确定子区域的电网支路和电压节点，从而确定子区域的电缆参数和造价参数；电缆参数包括各支路电导，造价参数包括子区域内各节点的单位无功容量建设成本和单位时间运行维护成本；

本实施例中，以直流端为分界线，将图3所示的海上风电基地分成4个子区域，每个子区域由柔性直流建立频率和电压，每个子区域分别进行无功补偿优化配置。

步骤S102，以海上风电最佳经济运行为最终目标，一方面海上风电送出功率最大化，即网损最低；另一方面，无功补偿经济性最佳，即投资最低，包括建设成本和运行成本；

以图3中子区域A的无功补偿优化配置为例，在时间序列[1,2,…,n]内进行无功优化配置计算，设定优化目标的步骤如下：

步骤S102-1，建立时间序列和出力模型，后续步骤的目标函数和约束条件均需在时间序列内满足，具体实施过程为：

步骤S102-1-1，海上风电基地各子区域内，以子区域A为为例，依据海上风速特征，假定风速服从两参数威布尔分布，随机抽样得到风速时间序列；

步骤S102-1-2，建立m台风电机组的出力模型：有功功率P₁[1,2,…,n]、P₂[1,2,…,n]、…、P_m[1,2,…,n]，无功功率Q₁[1,2,…,n]、Q₂[1,2,…,n]、…、Q_m[1,2,…,n]，其中，1,2,…,n为时间序列；后续步骤所设定的约束条件需在每个时间序列[1,2,…,n]均满足；

步骤S102-2，无功优化目标之一，考虑风电机组不同运行工况及多机组的出力组合的情况下，有功网损最低，得到海上风电功率送出的网损最低目标函数：

其中，P_loss为时间序列[1,2,…,n]内的子区域总有功网损；G_b(k,j)为第b条支路的电导k，j为支路两端节点号；U_k、U_j分别为节点k、j电压；θ_kj为节点k、j的电压相角差；

步骤S102-3：无功优化目标之二，无论分散接入无功补偿或者集中接入无功补偿，都需要考虑建设和运行成本，经济投入最佳，得到配置无功补偿的建设成本和运行成本最低目标函数：

其中，Q_CNk为节点k的无功容量，待求解量，Cost_{in_k}、Cost_{op_k}分别为节点k的单位无功容量建设成本和单位时间运行维护成本，n为时间序列；

步骤S102-4：实现海上风电基地的多目标无功优化配置，需设定优化配置约束条件，即海上风电基地的运行边界条件，具体包括：

步骤S102-4-1：风电基地各子区域的潮流约束：

其中，k为子区域网络的节点；P_Gk、Q_Gk分别为节点k的风电机组输出的有功、无功功率(无风电机组的节点设为0)；P_Lk、Q_Lk分别为节点k的直流送出有功、无功功率(无直流送出的节点设为0)；Q_Ck为节点k设置的无功补偿；U_k为节点k电压；G_kj、B_kj分别为节点导纳矩阵中第k行第j列对应的导纳的实部和虚部；

步骤S102-4-2：风机出力约束：

其中，P_m、Q_m分别m台风电机组输出的有功、无功功率；

步骤S102-4-3：网络中k节点的无功补偿的出力约束：

Q_Ckmin≤Q_Ck≤Q_Ckmax,[1,2,...,n] (5)

其中，Q_Ckmax、Q_Ckmin分别为k节点无功补偿的补偿上、下限；

步骤S102-4-4：利用多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ算法)求解海上风电基地子区域的最优无功补偿设备优化配置解Q_CNk，并根据无功补偿设备优化配置解Q_CNk，对子区域进行无功补偿优化配置，进而对整个海上风电基地实现无功补偿优化配置。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置系统，如图4所示，所述系统包括：

子区域划分模块，用于将多端柔性直流送出的海上风电基地划分为多个子区域；

无功补偿优化配置模块，用于根据预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解，并基于无功补偿最优配置解对海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。

所述子区域划分模块包括：确定单元和划分单元；

所述确定单元，用于依据海上风电基地的多段直流柔性直流拓扑，确定其中的直流端位置和端数；

所述划分单元，用于根据直流端位置和端数，将海上风电基地划分为每个子区域只有一个直流端的子区域，子区域的个数与直流端端数相等。

所述无功优化配置模块包括：无功优化模型单元、求解单元和配置单元；

所述无功优化模型单元，用于建立有功网损最低的目标函数、无功补偿经济成本最低的目标函数以及优化配置约束条件；

所述求解单元，用于采用多目标遗传NSGA-Ⅱ算法，获取海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；

所述配置单元，用于根据无功补偿最优配置解对海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于，包括：

将预先划分的多端柔性直流送出的海上风电基地的子区域中的运行数据带入预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；

基于所述无功补偿最优配置解对所述海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置；

所述无功优化配置模型包括：有功网损最低的目标函数、无功补偿经济成本最低的目标函数以及优化配置约束条件。

2.根据权利要求1所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于，所述无功优化配置模型的建立包括：

依据海上风速特征，按照风速服从两参数威布尔分布，在预先设定的子区域中随机抽样得到风速时间序列；

根据所述子区域的电网拓扑，确定子区域的电网支路和电压节点；

基于所述风速时间序列：

由所述子区域的节点电压、节点电压相角差和子区域的电缆参数确定有功网损最低的目标函数；所述电缆参数包括子区域内各支路电导；

由所述子区域的各节点无功容量和子区域的造价参数，确定无功补偿经济成本最低的目标函数；所述造价参数包括子区域内各节点的单位无功容量建设成本和单位时间运行维护成本；

根据风电机组输出功率与风速的关系，获取各风电机组的有功功率和无功功率，并根据各风电机组的有功功率和无功功率，建立目标函数运行的海上风电基地的潮流约束、海上风电基地风机出力约束和海上风电基无功补偿的出力约束。

3.根据权利要求2所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于，

所述有功网损最低的目标函数如下式所示：

其中，P_loss为时间序列[1,2,…,n]内的单个子区域总有功网损，m为子区域个数，G_b(k,j)为第b条支路的电导，k，j为支路两端节点号，U_k为节点k电压，U_j为节点j电压，θ_kj为节点k、j的电压相角差，N_b为支路条数。

4.根据权利要求2所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于，

所述无功补偿经济成本最低的目标函数如下式所示

其中，Q_CNk为节点k的无功容量，Cost_{in_k}为节点k的单位无功容量建设成本，Cost_{op_k}为节点k的单位时间运行维护成本，[1,2,…..n]为时间序列，N_grid为节点个数。

5.根据权利要求3所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于：

所述海上风电基地的潮流约束如下式所示：

其中，k为子区域网络的节点；N_grid为节点个数；U_j为节点j电压；U_k为节点k电压；Q_Ck为节点k设置的无功补偿；P_Gk为节点k的风电机组输出的有功功率，Q_Gk为节点k的风电机组输出的无功功率(无风电机组的节点设为0)；P_Lk为节点k的直流送出有功功率，Q_Lk为节点k的直流送出无功功率(无直流送出的节点设为0)；G_kj为节点导纳矩阵中第k行第j列对应的导纳的实部，B_kj为节点导纳矩阵中第k行第j列对应的导纳的实虚部，[1,2,…..n]为时间序列。

6.根据权利要求3所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于：

所述海上风电基地风机出力约束如下式所示：

其中，P_m表示子区域内第m台风电机组输出的有功功率，Q_m表示子区域内第m台风电机组输出的无功功率，[1,2,…..n]为时间序列。

7.根据权利要求3所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于：

所述海上风电基无功补偿的出力约束如下式所示：

Q_Ckmin≤Q_Ck≤Q_Ckmax,[1,2,...,n]

其中，Q_Ckmax表示节点k的无功补偿的补偿上限，Q_Ckmin表示节点k的无功补偿的补偿下限，[1,2,…..n]为时间序列。

8.根据权利要求2所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于，所述海上风电基地子区域的划分包括：

依据海上风电基地的多段直流柔性直流拓扑，按照直流端的端数将海上风电基地划分为每个子区域只有一个直流端的设定个数的子区域；所述设定个数与多端柔性直流的端数相等。

9.根据权利要求2所述的一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置方法，其特征在于，所述将预先划分的多端柔性直流送出的海上风电基地的子区域中的运行数据带入预设的无功优化配置模型，并计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解，包括：

根据所述运行数据，确定所述子区域内的节点电压、节点电压相角差、节点无功容量初始值；

将所述节点电压、节点电压相角差以及节点无功容量作为多目标优化的决策变量；

根据多目标遗传NSGA-Ⅱ算法，从所述初始值开始，针对所述决策变量对应的目标函数进行择优选择，获取满足约束条件的使子区域内的总有功网损最低且无功补偿经济成本最低的节点无功容量；

所述满足约束条件的使子区域内的总有功网损最低且无功补偿经济成本最低的节点无功容量为最优配置解。

10.一种柔直送出的海上风电多目标无功优化配置系统，其特征在于，包括：

子区域划分模块，用于将多端柔性直流送出的海上风电基地划分为多个子区域；

无功补偿优化配置模块，用于根据预设的无功优化配置模型，计算海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解，并基于无功补偿最优配置解对海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。

11.如权利要求10所述的柔直送出的海上风电多目标无功优化配置系统，其特征在于，所述子区域划分模块包括：确定单元和划分单元；

所述确定单元，用于依据海上风电基地的多段直流柔性直流拓扑，确定其中的直流端位置和端数；

所述划分单元，用于根据直流端位置和端数，将海上风电基地划分为每个子区域只有一个直流端的子区域，子区域的个数与直流端端数相等。

12.如权利要求10所述的柔直送出的海上风电多目标无功优化配置系统，其特征在于，所述无功优化配置模块包括：无功优化模型单元、求解单元和配置单元；

所述无功优化模型单元，用于建立有功网损最低的目标函数、无功补偿经济成本最低的目标函数以及优化配置约束条件；

所述求解单元，用于采用多目标遗传NSGA-Ⅱ算法，获取海上风电基地子区域的无功补偿最优配置解；

所述配置单元，用于根据无功补偿最优配置解对海上风电基地的各子区域进行无功补偿优化配置。