CN115395529B - 一种海上风电无功优化配置方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种海上风电无功优化配置方法及系统，包括：分别获取海上风电场的满发无功容量和空载无功容量；将预先划分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；根据无功补偿最优配置解、海上风电机组的日前功率预测数据和日内电抗器的最优投切时间点，建立鲁棒优化模型对电抗器组的投切组数进行优化，得到电抗器组日内投切计划；根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿，为海上风电的稳定运行提供了技术支撑。

Description

一种海上风电无功优化配置方法及系统
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体地涉及一种海上风电无功优化配置方法及系统。
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。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。随着海上风力发电技术的发展，海上风电产业链也逐步建设和发展起来。在海上风力发电的过程中，当海上升压站离岸10公里以上时，需要通过交流海缆接入电网，其中，交流电缆对地电容会随着电缆长度的增加而增加。由于海底电缆的充电无功大，导致海上风电场的并网点电压容易越限。所以对于海上风电场来说，有效的无功功率控制对保障并网点电压及整个发电场的稳定性极为重要。
此外，由于海上风电场与电网电气连接紧密，任何一方的故障都会迅速波及另一方，可能会引起整个供电系统的电压大幅震荡、功角失稳以及风电场失速现象。因此，为提高风电系统的可靠性，需要对无功功率进行调节，以控制和改善风场电压。
对于海上风电场来说，无功装置的装设成本大、装设难度高，而且海上风电场风电机组和无功配置之间缺乏协调控制，未能充分利用风电机组自身无功调节能力。而海上风电场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，所以将风电机组与无功补偿装置进行协调控制，这可以充分利用风电机组自身无功调节能力，又可以减少海上风电场的无功补偿装置装设成本。现有技术中对风电机组与无功补偿装置进行协调控制时采用等比例分配控制等方式对各风电机组进行无功分配，这没有充分考虑到风电机组输出功率的随机性，使得海上风电场自身的无功调节能力没有充分发挥，风电场系统的电压稳定性需要进一步提高。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的技术方案。因此，本发明的一个方面，提供了一种海上风电无功优化配置方法，包括：
步骤1、分别获取海上风电场的满发无功容量和空载无功容量；满发无功容量为海上风电场满发时的总无功容量绝对值的最大值；空载无功容量为海上风电场空载时的总无功容量绝对值的最大值；
步骤2、将预先划分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；
步骤3、根据无功补偿最优配置解、海上风电机组的日前功率预测数据和日内电抗器的最优投切时间点，建立鲁棒优化模型对电抗器组的投切组数进行优化，得到电抗器组日内投切计划；
步骤4、根据无功补偿设备优化配置的解以及电抗器组日内投切计划、短期预测功率数据，为对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化而建立风电机组间的优化分配模型；再根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。
进一步，其中，步骤1进一步包括设置海上风电场的并网点中离散无功补偿装置的工作流程，使用设置好工作流程运用到离散无功补偿装置，以减少风速的波动对并网点电压的影响程度；其中，离散无功补偿装置的工作流程包括投切组数以及投切次数，当风速引起海上风电机组的风电功率大幅度变化时，预设此时离散无功补偿装置的投切组数。
进一步，步骤2进一步包括根据电抗器组日内投切计划和短期预测功率数据，建立风电机组间的优化分配模型对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化，并根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式。
进一步，步骤4进一步包括根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。
进一步，步骤4进一步包括经过设置每台海上风电机组的无功出力、动态无功补偿装置的无功出力以及对子区域进行无功补偿优化配置，使得海上风电场的并网点电压不再波动，进而对整个海上风电基地实现无功补偿优化配置。
本发明还提供一种海上风电无功优化配置系统，包括：
获取模块，用于分别获取海上风电场的满发无功容量和空载无功容量；满发无功容量为海上风电场满发时的总无功容量绝对值的最大值；空载无功容量为海上风电场空载时的总无功容量绝对值的最大值；
计算模块，用于将预先划分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；
优化模块，用于根据无功补偿最优配置解、海上风电机组的日前功率预测数据和日内电抗器的最优投切时间点，建立鲁棒优化模型对电抗器组的投切组数进行优化，得到电抗器组日内投切计划；
补偿模块，用于根据无功补偿设备优化配置的解以及电抗器组日内投切计划、短期预测功率数据，为对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化而建立风电机组间的优化分配模型；再根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。
进一步，所述获取模块进一步包括设置海上风电场的并网点中离散无功补偿装置的工作流程，使用设置好工作流程运用到离散无功补偿装置，以减少风速的波动对并网点电压的影响程度；其中，离散无功补偿装置的工作流程包括投切组数以及投切次数，当风速引起海上风电机组的风电功率大幅度变化时，预设此时离散无功补偿装置的投切组数。
进一步，所述计算模块进一步包括根据电抗器组日内投切计划和短期预测功率数据，建立风电机组间的优化分配模型对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化，并根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式。
进一步，所述补偿模块进一步包括根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。
进一步，所述补偿模块进一步包括经过设置每台海上风电机组的无功出力、动态无功补偿装置的无功出力以及对子区域进行无功补偿优化配置，使得海上风电场的并网点电压不再波动，进而对整个海上风电基地实现无功补偿优化配置。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明所提供的方法和系统基于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，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。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提供了技术支撑。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述技术方案和其目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了海上风电无功优化配置方法流程图；
图2示出了海上风电无功优化配置系统结构图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明所提供的一种海上风电无功优化配置方法，包括以下步骤：
步骤1、分别获取海上风电场的满发无功容量和空载无功容量；满发无功容量为海上风电场满发时的总无功容量绝对值的最大值；空载无功容量为海上风电场空载时的总无功容量绝对值的最大值；
设置海上风电场的并网点中离散无功补偿装置的工作流程，使用设置好工作流程运用到离散无功补偿装置，以减少风速的波动对并网点电压的影响程度；其中，离散无功补偿装置的工作流程包括投切组数以及投切次数，当风速引起海上风电机组的风电功率大幅度变化时，预设此时离散无功补偿装置的投切组数。
检测海上风电场的并网点电压是否发生波动或每台海上风电机组的输入风速是否发生波动；若否，则保持海上风电机组原有的下垂系数以及动态无功补偿装置的无功出力；若是，基于每台海上风电机组的无功出力以及海上风电场的并网点中动态无功补偿装置的无功出力，判断海上风电场能否稳定并网点电压，使得并网点电压恢复至稳定范围内；若能，则进行中时间尺度控制，进行下垂系数的优化计算，得到每台海上风电机组的下垂系数，将动态无功补偿装置的无功出力设置为0；若否，则进行短时间尺度控制，启动动态无功装置进行无功补偿，令动态无功补偿装置在恒电压模式下输出无功出力，设置每台海上风电机组的下垂系数使每台海上风电机组的无功出力达到极限值；
步骤2、将预先划分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；
根据电抗器组日内投切计划和短期预测功率数据，建立风电机组间的优化分配模型对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化，并根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式；其中，所述短期预测功率数据是海上风电场根据预设的时间间隔获取的。
步骤3、根据无功补偿最优配置解、海上风电机组的日前功率预测数据和日内电抗器的最优投切时间点，建立鲁棒优化模型对电抗器组的投切组数进行优化，得到电抗器组日内投切计划；
当空载无功容量大于满发无功容量时，根据空载无功容量、满发无功容量和海上风电场的并网点电压，确定并联电抗器容量。
其中，并联电抗器容量可包括并联电抗器无功补偿容量和并联电抗器电压调节容量；并联电抗器无功补偿容量为并联电抗器用于无功补偿的容量；并联电抗器电压调节容量为并联电抗器用于调节并网点电压的容量。
具体地，当空载无功容量大于满发无功容量时，风电场的无功补偿采用SVG和并联电抗器进行组合补偿，并可确认无功补偿总容量为空载无功容量，本申请可根据空载无功容量和满发无功容量，确定并联电抗器无功补偿容量。进一步地，可通过对空载无功容量与满发无功容量进行计算得到，如将空载无功容量与满发无功容量代入预设计算公式，得到计算结果，并将并联电抗器无功补偿容量的值确认为计算结果，同时，并联电抗器无功补偿容量的绝对值可小于或等于补偿容量预设阈值，如补偿容量预设阈值可为无功补偿总容量的一半。
步骤4、根据无功补偿设备优化配置的解以及电抗器组日内投切计划、短期预测功率数据，为对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化而建立风电机组间的优化分配模型，根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。其中，所述短期预测功率数据是海上风电场根据预设的时间间隔获取的。
每台海上风电机组的下垂系数和动态无功补偿装置的无功出力，为每台海上风电机组分配下垂系数，根据每台海上风电机组分配到的下垂系数控制每台海上风电机组的无功出力。通过设置每台海上风电机组的无功出力以及动态无功补偿装置的无功出力，使得海上风电场的并网点电压不恢复到稳定范围内。经过设置每台海上风电机组的无功出力、动态无功补偿装置的无功出力以及对子区域进行无功补偿优化配置，使得海上风电场的并网点电压不再波动，进而对整个海上风电基地实现无功补偿优化配置。
如图2所示，本发明所提供的一种海上风电无功优化配置系统，包括：
获取模块，用于分别获取海上风电场的满发无功容量和空载无功容量；满发无功容量为海上风电场满发时的总无功容量绝对值的最大值；空载无功容量为海上风电场空载时的总无功容量绝对值的最大值。
设置海上风电场的并网点中离散无功补偿装置的工作流程，使用设置好工作流程运用到离散无功补偿装置，以减少风速的波动对并网点电压的影响程度；其中，离散无功补偿装置的工作流程包括投切组数以及投切次数，当风速引起海上风电机组的风电功率大幅度变化时，预设此时离散无功补偿装置的投切组数。
检测海上风电场的并网点电压是否发生波动或每台海上风电机组的输入风速是否发生波动；若否，则保持海上风电机组原有的下垂系数以及动态无功补偿装置的无功出力；若是，基于每台海上风电机组的无功出力以及海上风电场的并网点中动态无功补偿装置的无功出力，判断海上风电场能否稳定并网点电压，使得并网点电压恢复至稳定范围内；若能，则进行中时间尺度控制，进行下垂系数的优化计算，得到每台海上风电机组的下垂系数，将动态无功补偿装置的无功出力设置为0；若否，则进行短时间尺度控制，启动动态无功装置进行无功补偿，令动态无功补偿装置在恒电压模式下输出无功出力，设置每台海上风电机组的下垂系数使每台海上风电机组的无功出力达到极限值；
计算模块，用于将预先划分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；
根据电抗器组日内投切计划和短期预测功率数据，建立风电机组间的优化分配模型对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化，并根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式；其中，所述短期预测功率数据是海上风电场根据预设的时间间隔获取的。
优化模块，用于根据无功补偿最优配置解、海上风电机组的日前功率预测数据和日内电抗器的最优投切时间点，建立鲁棒优化模型对电抗器组的投切组数进行优化，得到电抗器组日内投切计划；
当空载无功容量大于满发无功容量时，根据空载无功容量、满发无功容量和海上风电场的并网点电压，确定并联电抗器容量。
其中，并联电抗器容量可包括并联电抗器无功补偿容量和并联电抗器电压调节容量；并联电抗器无功补偿容量为并联电抗器用于无功补偿的容量；并联电抗器电压调节容量为并联电抗器用于调节并网点电压的容量。
具体地，当空载无功容量大于满发无功容量时，风电场的无功补偿采用SVG和并联电抗器进行组合补偿，并可确认无功补偿总容量为空载无功容量，本申请可根据空载无功容量和满发无功容量，确定并联电抗器无功补偿容量。进一步地，可通过对空载无功容量与满发无功容量进行计算得到，如将空载无功容量与满发无功容量代入预设计算公式，得到计算结果，并将并联电抗器无功补偿容量的值确认为计算结果，同时，并联电抗器无功补偿容量的绝对值可小于或等于补偿容量预设阈值，如补偿容量预设阈值可为无功补偿总容量的一半。
补偿模块，用于根据无功补偿设备优化配置的解以及电抗器组日内投切计划、短期预测功率数据，为对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化而建立风电机组间的优化分配模型。根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。其中，所述短期预测功率数据是海上风电场根据预设的时间间隔获取的。
每台海上风电机组的下垂系数和动态无功补偿装置的无功出力，为每台海上风电机组分配下垂系数，根据每台海上风电机组分配到的下垂系数控制每台海上风电机组的无功出力。通过设置每台海上风电机组的无功出力以及动态无功补偿装置的无功出力，使得海上风电场的并网点电压不恢复到稳定范围内。经过设置每台海上风电机组的无功出力、动态无功补偿装置的无功出力以及对子区域进行无功补偿优化配置，使得海上风电场的并网点电压不再波动，进而对整个海上风电基地实现无功补偿优化配置。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种海上风电无功优化配置方法，其特征在于，包括：
步骤1、分别获取海上风电场的满发无功容量和空载无功容量；满发无功容量为海上风电场满发时的总无功容量绝对值的最大值；空载无功容量为海上风电场空载时的总无功容量绝对值的最大值；
步骤2、将预先划分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；
步骤3、根据无功补偿最优配置解、海上风电机组的日前功率预测数据和日内电抗器的最优投切时间点，建立鲁棒优化模型对电抗器组的投切组数进行优化，得到电抗器组日内投切计划；
步骤4、根据无功补偿设备优化配置的解以及电抗器组日内投切计划、短期预测功率数据，为对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化而建立风电机组间的优化分配模型；再根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿；
所述方法还包括：
检测海上风电场的并网点电压是否发生波动或每台海上风电机组的输入风速是否发生波动；若未发生波动，则保持海上风电机组原有的下垂系数以及动态无功补偿装置的无功出力；若发生波动，基于每台海上风电机组的无功出力以及海上风电场的并网点中动态无功补偿装置的无功出力，判断海上风电场能否稳定并网点电压，使得并网点电压恢复至稳定范围内；若能，则进行中时间尺度控制，进行下垂系数的优化计算，得到每台海上风电机组的下垂系数，将动态无功补偿装置的无功出力设置为0；若不能，则进行短时间尺度控制，启动动态无功装置进行无功补偿，令动态无功补偿装置在恒电压模式下输出无功出力，设置每台海上风电机组的下垂系数使每台海上风电机组的无功出力达到极限值。
2.根据权利要求1所述的海上风电无功优化配置方法，其特征在于：步骤1进一步包括设置海上风电场的并网点中离散无功补偿装置的工作流程，使用设置好工作流程运用到离散无功补偿装置，以减少风速的波动对并网点电压的影响程度；其中，离散无功补偿装置的工作流程包括投切组数以及投切次数，当风速引起海上风电机组的风电功率大幅度变化时，预设此时离散无功补偿装置的投切组数。
3.根据权利要求1所述的海上风电无功优化配置方法，其特征在于：步骤2进一步包括根据电抗器组日内投切计划和短期预测功率数据，建立风电机组间的优化分配模型对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化，并根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式。
4.根据权利要求1所述的海上风电无功优化配置方法，其特征在于：步骤4进一步包括根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。
5.根据权利要求4所述的海上风电无功优化配置方法，其特征在于：步骤4进一步包括经过设置每台海上风电机组的无功出力、动态无功补偿装置的无功出力以及对子区域进行无功补偿优化配置，使得海上风电场的并网点电压不再波动，进而对整个海上风电基地实现无功补偿优化配置。
6.一种海上风电无功优化配置系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于分别获取海上风电场的满发无功容量和空载无功容量；满发无功容量为海上风电场满发时的总无功容量绝对值的最大值；空载无功容量为海上风电场空载时的总无功容量绝对值的最大值；
计算模块，用于将预先划分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；
优化模块，用于根据无功补偿最优配置解、海上风电机组的日前功率预测数据和日内电抗器的最优投切时间点，建立鲁棒优化模型对电抗器组的投切组数进行优化，得到电抗器组日内投切计划；
补偿模块，用于根据无功补偿设备优化配置的解以及电抗器组日内投切计划、短期预测功率数据，为对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化而建立风电机组间的优化分配模型；再根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿；
所述系统还用于：
检测海上风电场的并网点电压是否发生波动或每台海上风电机组的输入风速是否发生波动；若未发生波动，则保持海上风电机组原有的下垂系数以及动态无功补偿装置的无功出力；若发生波动，基于每台海上风电机组的无功出力以及海上风电场的并网点中动态无功补偿装置的无功出力，判断海上风电场能否稳定并网点电压，使得并网点电压恢复至稳定范围内；若能，则进行中时间尺度控制，进行下垂系数的优化计算，得到每台海上风电机组的下垂系数，将动态无功补偿装置的无功出力设置为0；若不能，则进行短时间尺度控制，启动动态无功装置进行无功补偿，令动态无功补偿装置在恒电压模式下输出无功出力，设置每台海上风电机组的下垂系数使每台海上风电机组的无功出力达到极限值。
7.根据权利要求6所述的海上风电无功优化配置系统，其特征在于，所述获取模块进一步包括设置海上风电场的并网点中离散无功补偿装置的工作流程，使用设置好工作流程运用到离散无功补偿装置，以减少风速的波动对并网点电压的影响程度；其中，离散无功补偿装置的工作流程包括投切组数以及投切次数，当风速引起海上风电机组的风电功率大幅度变化时，预设此时离散无功补偿装置的投切组数。
8.根据权利要求6所述的海上风电无功优化配置系统，其特征在于，所述计算模块进一步包括根据电抗器组日内投切计划和短期预测功率数据，建立风电机组间的优化分配模型对海上风电机组的无功输出和静止无功发生器的无功输出进行优化，并根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式。
9.根据权利要求6所述的海上风电无功优化配置系统，其特征在于，所述补偿模块进一步包括根据优化结果调控海上风电机组的无功功率和静止无功发生器的工作模式，再根据并联电抗器容量和空载无功容量，确定SVG容量，以对海上风电场进行无功补偿。
10.根据权利要求9所述的海上风电无功优化配置系统，其特征在于，所述补偿模块进一步包括经过设置每台海上风电机组的无功出力、动态无功补偿装置的无功出力以及对子区域进行无功补偿优化配置，使得海上风电场的并网点电压不再波动，进而对整个海上风电基地实现无功补偿优化配置。
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