CN110504705A - 一种海上风电集群电气系统规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上风电集群电气系统规划方法。在给定陆上电网结构和所有可能并网点的基础上，根据海上风电场集群接入总容量，利用人工鱼群算法优化各并网点的具体接入容量和陆上电网扩建；依据上层优化出的各并网点接入容量，进行风电场集群聚类，配合遗传算法优化海上变电站的选址定容；依据第二层变电站选址定容结果，进行拓扑统一优化，得到新的陆上并网点容量和扩建结果，将其重新传递至第二层遗传算法的适应度函数，指导海上变电站的选址定容，反复迭代，直至陆上电网结构不再改变，输出即为最优解。与现有技术相比，本发明同时考虑经济性与陆上电网扩建后合理程度，将陆上电网与海上风电集群综合统一，实现成本与效益最优。

Description

一种海上风电集群电气系统规划方法

技术领域

本发明涉及海上风电并网领域，尤其是涉及一种海上风电集群电气系统规划方法。

背景技术

我国海上发展迅速。根据沿海各省的规划，至2030年，我国海上风电总装机容量预计达到100GW，其中，广东省预期建成投产海上风电30GW，福建海上风电装机预期达到3GW，上海、江苏等地各约6GW和14GW。这些数据表明，在接下来的10多年间，我国东南沿海10～100km的范围内将建设与分布有不同规模、不同离岸距离的数量众多的海上风电场，形成明显的海上风电集群。根据负荷数据测算，到时华东电网与广东电网的海上风电渗透率将分别达到8.2％与25％。高比例的海上风电并网将成为我国东南沿海电网运行面临的一项重要挑战。

现有的海上风电场电气系统规划研究，主要存在以下两个问题：1)从单个海上风电场的电气接入出发，采用独立建设海上电气系统、接入陆上并网点的并网方式。不考虑相邻海域中其它海上风电场的电气系统规划。2)陆上并网点理想化。默认陆上并网点无扩建需求，将海上电气系统规划与陆上电气系统规划切割为两个独立的问题。但是现有的研究和方法，用于解决大规模海上风电集群的电气系统规划的问题时，不仅会大量占用有限的海上走廊资源，而且还可能会导致高昂的陆上电网扩建成本，同时对陆上电网的稳定性与运行可靠性等产生显著影响。从全局来看，无法实现资源的最优配置。

目前的海上风电接入系统设计方法，都是从风电场业主的角度出发，只考虑了接入系统的经济成本最小，而忽略了大规模海上风电接入近海陆上电网，造成的电网扩建不合理从而影响电网友好运行。海上风电场多建设在偏远的沿海地区，距负荷密集区和传统电源都较远，处于输电网末端，与主网连接弱。大规模的海上风电场的接入，势必要对其原有输电网结构产生影响，应在原有输电走廊的基础上扩建架空线路，来满足海上风电的送电需求。电网结构规划的不合理反映在电力系统运行方面，会造成输电线路负载率分布不均匀，一些线路的输送容量较大，重载甚至满载运行，造成输电阻塞，而另一些线路实际输送容量却很小，处于轻载状态，不能充分发挥其作用。线路负载率相差太大，不仅会造成电网资产利用率低下，更重要的是，重载线路将成为电力线路安全运行的易损部分，一旦发生故障，极易产生连锁故障，最终造成大范围停电。

中国发明专利CN201710785846.4说明书公开了一种海上风电集群输电系统结构优化方法及存储介质，包括以下步骤：根据输入的海上风电集群的信息，获取海上风电集群输电系统结构的表达模型；根据所述表达模型，构建海上风电集群输电系统结构优化的目标函数；基于蚁群算法对所述目标函数获取最优解集，获得风电集群输电海缆结构矩阵；根据所述风电集群输电海缆结构矩阵，架构海上风电集群输电系统。其目的同样是解决海上风电集群优化问题，但是并未考虑接入陆上电网后优化问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海上风电集群电气系统规划方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种海上风电集群电气系统规划方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立目标函数与电网扩建合理性有关的上层规划模型；

步骤S2：基于海上风电数据和初始陆上电网数据，利用上层规划模型优化得到陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S3：建立目标函数与海上变电站成本有关的中层规划模型；

步骤S4：基于步骤S2优化结果，利用中层规划模型优化得到海上变电站选址定容结果；

步骤S5：建立目标函数与海缆成本和无功补偿成本有关的下层规划模型；

步骤S6：基于步骤S4优化结果，利用下层规划模型优化得到海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S7：将步骤S6优化结果传递至步骤S4进行迭代优化得到新的海上变电站选址定容结果并执行步骤S5、S6直至到达最大迭代次数，输出新的海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S8：将步骤S7优化后的陆上电网结构与步骤S2优化后的陆上电网结构进行比对，若一致则完成优化，输出步骤S7得到的新的海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果，完成海上风电集群电气系统规划，否则将新的陆上电网扩建结果作为步骤S2中初始陆上电网数据并执行步骤S2～步骤S8。

步骤S1中的上层规划模型目标函数为：

其中，LDI为电网扩建合理性评价指标，为线路i-j的输电极限容量，

P^i-j为线路i-j的实际输电容量，nl为扩建后局部电网总支路数，Ψ^LAND为陆上电网节点集合，i和j表示陆上电网节点集合中的陆上电网节点。

步骤S1中的上层规划模型约束条件为：

其中：P_i、Q_i为分别第i个节点注入的有功功率和无功功率，P_Di、Q_Di分别为第i个节点的有功和无功负荷，G_ij、B_ij和δ_ij分别为线路i-j的电导、电纳和相角，U_i、U_j分别为节点i和节点j的节点电压；U_imin、U_imax分别为节点i的电压上限和下限。

步骤S3中的中层规划模型为：

min C_sub

其中，C_sub为海上变电站成本，为第i座变电站位置横坐标，为第i座变电站位置纵坐标，D_sub为海域区域约束，Ψ^sub为变电站节点集合，Ψ^WT为风机节点集合，为第i座海上变电站容量，为第i座海上变电站所连接的第j个海上风电场的装机容量，S为海上变电站变压器可选容量集合，N为节点总数。

步骤S5中的下层规划模型为：

min C_cable+C_com

其中，C_cable为海缆成本，C_com为无功补偿成本，S^t _brach、S_max分别为第i条海缆所选截面和海缆截面最大值，I^t、I_max分别为流过第i条海缆的电流和海缆所允许电流的最大值，Q_l为线路所需补偿的无功功率。

步骤S2具体为：在给定陆上电网结构和所有可能并网点的基础上，根据海上风电场集群接入总容量，利用人工鱼群算法求解上层规划模型，优化得到各并网点的具体接入容量和陆上电网扩建结果。

步骤S4具体为：

S41：根据步骤S2获取的各并网点接入容量进行海上风电场集群聚类得到所有聚类中心；

S42：根据所有聚类中心，利用遗传算法求解中层规划模型，优化得到海上变电站选址定容结果。

步骤S6～S8中的海上电气系统拓扑包括风电场集电网拓扑和海上输电系统拓扑。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)三层模型逐层嵌套，迭代优化，在得到陆上并网点接入容量和陆上电网扩建结果时考虑经济性。

(2)通过人工鱼群算法求解上层模型最优解，具有较快的收敛速度，可以快速的得到一个可行解。

(3)考虑陆上电网扩建后合理程度，将陆上电网与海上风电集群综合统一，改善电网薄弱环节，提高输电设备利用率和全网供电可靠性，从整体上实现成本与效益最优。

(4)通过遗传算法求解中层模型最优解，有较高的优化效率，而且具有简单性、易操作性和通用性。

附图说明

图1为大规模海上风电场示意图；

图2为陆上电网结构示意图；

图3为三层优化模型层间关系示意图；

图4为本发明流程图；

图5为现有方法优化拓扑图；

图6为本发明优化拓扑图；

图7为成本分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例将同一海域中的海上风电场集群电气系统规划、陆上电网规划纳入同一模型与优化过程之中，提出了电网扩建合理性评价指标LDI以表征扩建后电网结构的合理程度，以陆上电网扩建成本最小为最上层目标、海上风电场集群高压系统优化规划为中间目标、海上风电场集电系统优化为下层目标的大型海上风电场集群电气系统优化模型，三层嵌套，迭代优化。相比现有的海上电气系统规划方法，具有明显的优势。

本实施例针对1)大规模海上风电集群接入系统的经济性优化，2)大规模海上风电集群接入对已有的陆上电网产生影响与问题，提出了一种适用于大规模海上风电场集群、面向电网友好的接入系统优化设计方法，主要目标是在追求海底线路走廊、海上电气系统投资、陆上电网新增投资等综合资源的最优化配置。

本发明为了解决传统海上风电接入系统建设方法在接入陆上电网时存在的陆网扩建不合理问题，提出了电网扩建合理性评价指标LDI以表征扩建后电网结构的合理程度。

本发明在集群风电接入陆上电网时，充分考虑陆上电网扩建结构合理性带来的影响，通过优化规划使电网结构尽可能合理，改善电网薄弱环节，提高输电设备利用率和全网供电可靠性，从整体上实现成本与效益最优。

本实施例通过以下方面实现：

首先构建电网扩建合理性评价指标LDI以表征扩建后电网结构的合理程度，如式(1)。

式中：为线路i-j的输电极限容量；P^i-j为线路i-j的实际输电容量；nl为扩建后局部电网总支路数，Ψ^LAND为陆上电网节点集合，i和j表示陆上电网节点集合中的陆上电网节点。

然后建立大规模海上风电接入系统成本模型主要包括海上变电站成本、海缆成本、无功补偿成本，具体如表1所示。

表1模型成本分解

各个成本的计算方法如下。

C_cable＝C_ter+C_exp (3)

式中：C_sub为海上变电站成本；n为海上变电站数量；a_T为变电站变压器单位容量成本；g_i为第i个海上变电站的额定容量；R_p为新建一座海上升压平台所需费用。C_cable为海底电缆成本；C_ter为中压集电系统的海缆建设成本；ns'为新建集电系统中压海缆条数；a'_submarine表示中压海缆单位长度建设成本；lⁱ _ter表示第i条中压海缆长度；r'₀为中压海缆单位长度电阻；C_exp为高压海上输电系统的海缆建设成本，该成本项中已综合考虑了海缆产生的海底路由费用；ns为新建高压海缆条数；a_submarine为高压海缆单位长度的建设成本；lⁱ _exp为第i条高压海缆的长度；γ为海缆长度的裕度；l^t _route为第t条高压海缆路由长度；c_w为单位长度海缆路由使用费；n_route为所需海缆路由总数；a_coms为无功补偿单位成本。

通过上述分析建立起优化模型：

图3描述了三层优化模型各层之间的关系。其中上层目标优化陆上电网扩建时，充分考虑了扩建结构合理性，是电网运行安全性和经济性的综合体现。具体优化模型如式(7)至(20)。

上层优化目标:

min[f(LDI)] (7)

中层优化目标:

min C_sub (11)

下层优化目标:

min C_cable+C_com (15)

式中：Sⁱ _sub为第i座海上变电站容量；为第i座海上变电站所连接的第j个海上风电场的装机容量；S为海上变电站变压器可选容量集合；S^t _brach、S_max为第i条海缆所选截面和海缆截面最大值；I^t、I_max为流过第i条海缆的电流和海缆所允许电流的最大值；P_i、Q_i为第i个节点注入的有功功率和无功功率；P_Di、Q_Di为第i个节点的有功和无功负荷；G_ij、B_ij和δ_ij为线路i-j的电导、电纳和相角；N为节点总数；Q_l为线路所需补偿的无功功率；U_i、U_j为节点i和j的节点电压；U_imin、U_imax为节点i的电压上、下限，为第i座变电站位置横坐标，为第i座变电站位置纵坐标，D_sub为海域区域约束，Ψ^sub为变电站节点集合，Ψ^WT为风机节点集合。

本发明旨在通过将这些变量分层优化，从电网友好的角度规划得到经济性最优的海上风电接入系统。发明提出三层嵌套求解策略，优化求解面向电网友好的海上风电场集群接入系统。具体来讲：首先，在给定陆上电网结构和所有可能并网点的基础上，根据海上风电场集群接入总容量，利用人工鱼群算法优化各并网点的具体接入容量和陆上电网扩建；其次，依据上层优化出的各并网点接入容量，进行风电场集群聚类，配合着遗传算法优化海上变电站的选址定容；然后，依据第二层变电站选址定容结果，进行拓扑统一优化，得到新的陆上并网点容量和扩建结果，将其重新传递至第二层遗传算法的适应度函数，指导海上变电站的选址定容，反复迭代，直至陆上电网结构不再改变，输出即为最优解。

综上，本发明方法具体流程图如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立目标函数与电网扩建合理性有关的上层规划模型；

步骤S2：基于海上风电数据和初始陆上电网数据，利用上层规划模型优化得到陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S3：建立目标函数与海上变电站成本有关的中层规划模型；

步骤S4：基于步骤S2优化结果，利用中层规划模型优化得到海上变电站选址定容结果；

步骤S5：建立目标函数与海缆成本和无功补偿成本有关的下层规划模型；

步骤S6：基于步骤S4优化结果，利用下层规划模型优化得到海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S7：将步骤S6优化结果传递至步骤S4进行迭代优化得到新的海上变电站选址定容结果并执行步骤S5、S6直至到达最大迭代次数，输出新的海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S8：将步骤S7优化后的陆上电网结构与步骤S2优化后的陆上电网结构进行比对，若一致则完成优化，输出步骤S7得到的新的海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果，完成海上风电集群电气系统规划，否则将新的陆上电网扩建结果作为步骤S2中初始陆上电网数据并执行步骤S2～步骤S8。

本发明提出的面向电网友好的大规模海上风电接入系统规划方法，不仅能保证经济性较优，还可以减小对近海原有薄弱电网潮流分布的影响，这对陆上电网的运行更加有利。

案例选取如图1所示的大规模海上风电场，共有12个场址，各场址装机容量如表2所示。集电系统采用海底中压电缆连接，电压水平为35kV；海上输电系统采用海底高压电缆连接，电压水平为220kV。陆上电网节点数据使用修改后的IEEE30节点系统数据，节点坐标重新绘制，如图2所示。

(1)拓扑结构分析

使用现有方法，得到大规模海上风电场接入系统优化拓扑结构如图5，该方案需要新建6个海上变电站，选择陆上电网中的节点1和节点8作为并网点。本发明所提出的面向电网友好的接入系统优化设计结果如图6所示，需要新建7个海上变电站，从5个登陆点分散并网。

表2风电场信息

(2)成本分析

由图7可以看出，本专利所提出的优化方法，与现有方法相比成本略有上升，但总的来说两者成本基本持平。

(3)陆上电网扩建合理性评价

针对上述两种方法，进行电网扩建合理性分析，具体数据如表3所示。

表3三种方案电网扩建合理性评价

内容	现有方法	本专利方法
			原电网结构LDI	60.1009	60.1009
扩建后电网LDI	136.2859	90.9828

由表3可以看出：1)本专利所提出的方法充分利用并网点资源，分散各并网点的接入容量，扩建结构最为合理。2)本专利所提出的方法从电网友好性角度出发，合理布局陆上电网扩建结构，近海原有薄弱电网潮流分布的影响，这对陆上电网的运行更加有利。

通过该案例可以看出，本专利提出的方法有效可行，可以有效减少由规模海上风电接入产生的陆上电网不合理扩建，为今后海上风电接入系统的建设提供指导。

Claims (8)

1.一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立目标函数与电网扩建合理性有关的上层规划模型；

步骤S2：基于海上风电数据和初始陆上电网数据，利用上层规划模型优化得到陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S3：建立目标函数与海上变电站成本有关的中层规划模型；

步骤S4：基于步骤S2优化结果，利用中层规划模型优化得到海上变电站选址定容结果；

步骤S5：建立目标函数与海缆成本和无功补偿成本有关的下层规划模型；

步骤S6：基于步骤S4优化结果，利用下层规划模型优化得到海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S7：将步骤S6优化结果传递至步骤S4进行迭代优化得到新的海上变电站选址定容结果并执行步骤S5、S6直至到达最大迭代次数，输出新的海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果；

步骤S8：将步骤S7优化后的陆上电网结构与步骤S2优化后的陆上电网结构进行比对，若一致则完成优化，输出步骤S7得到的新的海上电气系统拓扑、陆上并网点容量和陆上电网扩建结果，完成海上风电集群电气系统规划，否则将新的陆上电网扩建结果作为步骤S2中初始陆上电网数据并执行步骤S2～步骤S8。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，步骤S1中的上层规划模型目标函数为：

其中，LDI为电网扩建合理性评价指标，为线路i-j的输电极限容量，P^i-j为线路i-j的实际输电容量，nl为扩建后局部电网总支路数，Ψ^LAND为陆上电网节点集合，i和j表示陆上电网节点集合中的陆上电网节点。

3.根据权利要求1所述的一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，步骤S1中的上层规划模型约束条件为：

其中：P_i、Q_i为分别第i个节点注入的有功功率和无功功率，P_Di、Q_Di分别为第i个节点的有功和无功负荷，G_ij、B_ij和δ_ij分别为线路i-j的电导、电纳和相角，U_i、U_j分别为节点i和节点j的节点电压；U_imin、U_imax分别为节点i的电压上限和下限。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，步骤S3中的中层规划模型为：

minC_sub

其中，C_sub为海上变电站成本，为第i座变电站位置横坐标，为第i座变电站位置纵坐标，D_sub为海域区域约束，Ψ^sub为变电站节点集合，Ψ^WT为风机节点集合，为第i座海上变电站容量，为第i座海上变电站所连接的第j个海上风电场的装机容量，S为海上变电站变压器可选容量集合，N为节点总数。

5.根据权利要求1所述的一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，步骤S5中的下层规划模型为：

minC_cable+C_com

其中，C_cable为海缆成本，C_com为无功补偿成本，S_max分别为第i条海缆所选截面和海缆截面最大值，I^t、I_max分别为流过第i条海缆的电流和海缆所允许电流的最大值，Q_l为线路所需补偿的无功功率。

6.根据权利要求1所述的一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，步骤S2具体为：在给定陆上电网结构和所有可能并网点的基础上，根据海上风电场集群接入总容量，利用人工鱼群算法求解上层规划模型，优化得到各并网点的具体接入容量和陆上电网扩建结果。

7.根据权利要求6所述的一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，步骤S4具体为：

S41：根据步骤S2获取的各并网点接入容量进行海上风电场集群聚类得到所有聚类中心；

S42：根据所有聚类中心，利用遗传算法求解中层规划模型，优化得到海上变电站选址定容结果。

8.根据权利要求1所述的一种海上风电集群电气系统规划方法，其特征在于，步骤S6～S8中的海上电气系统拓扑包括风电场集电网拓扑和海上输电系统拓扑。