CN116341202A - 一种海上风电场海缆传输极限计算方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电场的海缆传输极限计算方法及设备，应用于海上风电场交流送出系统模型，该方法包括：设置风电场模型中的风电场的初始功率P₀；设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长；利用海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；判断功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；若满足，则执行设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；若不满足，则根据风电场的功率P确定海上风电场的海缆的功率传输极限。通过本发明提供的方法，可以得到海缆传输的最大功率，从而可以将海缆输送的容量维持在安全范围，以便对海上风电场安全运行提供指导。

Description

一种海上风电场海缆传输极限计算方法及设备

技术领域

本发明涉及电力电网技术领域，具体的讲是一种海上风电场海缆传输极限计算方法及设备。

背景技术

近年来，能源环境问题日益严重，给世界各国带来巨大挑战。为了缓解日益严峻的能源环境问题，清洁能源成为国家能源战略的重要组成部分，发展风电是实现清洁能源战略的必然选择。相比陆上风电，我国海上风力资源储量更加丰富，若能加以利用，则能大大缓解能源环境问题。

海上风电大规模接入电网，将对电网的电能质量、电压稳定等方面带来挑战。相对于同电压等级的架空线路，海底电缆充电功率大，可能导致风场并网点出现运行过电压或功率因数过低的现象。随着风电场规模越来越大，海缆输送的容量也越来越大，一旦输送容量超过了海缆的最大载流量，会对电缆造成损坏，甚至威胁整个系统的运行，另外，海缆输送的容量大小也对风机并网点电压、风机的启动过程产生重要影响。

发明内容

本发明提供一种海上风电场的海缆传输极限计算方法及相关组件，用以解决现有技术中海上风电场传输极限无法确定的缺陷，实现对海上风电场的海缆传输极限的精确计算，提高了海上风电场运行的安全性。

本发明提供一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，应用于海上风电场交流送出系统模型，所述海上风电场交流送出系统模型包括风机模型、变频器模型、海缆模型及风电场模型；所述海上风电场的海缆传输极限计算方法包括：设置所述风电场模型中的风电场的初始功率P₀；设置所述风电场的功率增长步长ΔP，以使所述风电场的功率P沿ΔP线性增长；利用所述海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；判断所述功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；若满足，则执行设置所述风电场的功率增长步长ΔP，以使所述风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；若不满足，则根据所述风电场的功率P确定所述海上风电场的海缆的功率传输极限。

根据本发明提供的一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，所述预设功率约束条件为：

其中，上式中的所述预设功率约束条件从上到下分别为：潮流约束、发电机有功功率约束、发电机无功功率约束、节点电压约束、线路传输容量约束和暂态功角稳定约束，

是可控发电机集合S_G中i号发电机的有功出力，/>

是无功电源集合S_R中第i台无功电源的无功出力，V_i是母线集合S_B中第i条母线的母线电压，/>

是i号母线上的有功负载，G_ij和B_ij分别是i号母线和j号母线之间的电导值和电纳值，/>

是线路集合S_L中第i条线路的视在功率，S_faul为预想故障集合，/>

为预想故障后最大功角差预测值，/>

为稳定裕度，用于控制优化问题解的保守性。

根据本发明提供的一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，所述风机模型包括风力机模型、传动系统模型和PMSG模型。

根据本发明提供的一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，所述变频器模型包括机侧变频器控制模型、网侧变流器控制模型和电压内环控制模型。

根据本发明提供的一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，所述海缆模型为基于pscad搭建的分布参数频率传输模型。

根据本发明提供的一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，所述海上风电场交流送出系统模型基于CloudPSS云仿真平台进行建模并结合Python SDK进行所述功率仿真。

根据本发明提供的一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，还包括：设置所述海缆模型中海缆的初始长度L；设置所述海缆的长度增长步长ΔL，以使所述海缆的长度L沿ΔL线性增长；利用所述海上风电场交流送出系统模型进行电压仿真，得到电压仿真结果；判断所述电压结果是否满足预设电压范围；若满足，则根据所述海缆的长度L确定所述海上风电场的海缆的距离传输极限；若不满足，则执行设置所述海缆的长度增长步长ΔL，以使所述海缆的长度L沿ΔL线性增长的步骤。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述海上风电场的海缆传输极限计算方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述海上风电场的海缆传输极限计算方法。

本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述海上风电场的海缆传输极限计算方法。

本发明提供的一种海上风电场的海缆传输极限计算方法及相关组件，应用于海上风电场交流送出系统模型，该方法通过设置风电场模型中的风电场的初始功率P₀；设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长；利用海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；判断功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；若满足，则执行设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；若不满足，则根据风电场的功率P确定海上风电场的海缆的功率传输极限，可以得到海缆传输的最大功率，从而可以将海缆输送的容量维持在安全范围，以便对海上风电场安全运行提供指导。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的海上风电场的海缆传输极限计算方法的流程示意图；

图2是本发明提供的海上风电场交流送出系统模型示意图；

图3-1是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-2是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-3是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-4是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-5是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-6是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-7是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-8是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图3-9是本发明提供的海缆模型的参数设置示意图之一；

图4是本发明提供的海上风电场交流送出系统模型示意图；

图5是本发明提供的在Cloud PSS中搭建的仿真模型示意图；

图6是本发明提供的海上风电场的海缆距离传输极限仿真结果示意图；

图7是本发明提供的海上风电场的海缆距离传输极限无功补偿仿真结果示意图；

图8是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的海上风电场的海缆传输极限计算方法的流程示意图。

本发明提供一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，应用于海上风电场交流送出系统模型，海上风电场交流送出系统模型包括风机模型、变频器模型、海缆模型及风电场模型；海上风电场的海缆传输极限计算方法包括：设置风电场模型中的风电场的初始功率P₀；设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长；利用海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；判断功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；若满足，则执行设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；若不满足，则根据风电场的功率P确定海上风电场的海缆的功率传输极限。

风能是可再生的清洁能源，我国大部分近海90m高度海域平均风速6.5～8.5m/s。目前5～25m水深、50m左右高度海上风电开发潜力大约在2亿kW，5～50m水深、70m左右高度的海上风电开发潜力大约在5亿kW，沿海岛屿的风密度可达到300W/m2以上，有效风的出现时间百分率可以达到80％～90％。目前国内沿海主要的海上风电大省均已编制海上风电中长期发展规划，把海上风电作为了清洁能源的重要领域，海上风电正在从“探索模式”进入“突破发展模式”。截至2021年底，全国累计并网风电装机3.28亿千瓦，其中海上风电累计并网装机达到2639万千瓦，海上风电装机占全部风电装机的比重达到8％。目前，我国海上风电累计装机跃居世界第一，未来还将继续保持比较快的增速。按照海缆的传输方式，海上风电场主要分为交流送出系统和直流送出系统。其中，交流送出系统目前发展技术较为成熟，在我国近海浅水区的风电场中得到了较多应用。随着海上风电场逐渐向远海区发展，风机机组逐渐大型化，交流送出系统遇到的技术问题越来越多，包括电压波动、损耗较大、经济性差等等。在实际工程中，远海风电资源的开发更加需要考虑海缆的功率传输极限以及距离传输极限等因素，以保证所建成风电场的安、稳定投入。现有的研究中，对远距离大容量海上风电场的海缆传输极限并没有太多研究。对于海缆容量传输极限，目前大部分研究只是基于海缆的物理模型计算海缆可长时间传输的容量，根据材料的热稳定极限确定海缆的最大载流量；也有文献研究了风电场接入后对电网稳定性的影响，通过暂态仿真计算了中国台湾区域间可以传输的最大容量。该文献的侧重点在于在风机耦合下电网整体的稳定性，对风机内部结构和海缆的精细化建模并未涉及；还有文献主要考虑海缆的最大载流量，基于此计算了中国台湾多个海上风电场的容量传输极限。

目前，国内对于海上风电场传输极限的研究相对较少，在已有的研究中，缺乏对海缆以及风机的精细化建模以及对风机启动电磁暂态过程的考虑。在实际工程中，风机内部复杂的电力电子结构和海缆参数同样是影响稳定性的重要因素，在仿真中需要着重考虑。因此，为了使海缆极限的计算更为精细且贴合工程实际，本发明提出了一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，通过基于海上风电场交流送出系统模型进行仿真，最终得到考虑预设约束条件的海缆传输极限。具体的，海缆的功率传输极限是指在保证系统静态稳定和暂态稳定的前提下，海缆可以传输有功功率的最大值。计算时需要考虑各种约束，例如潮流约束、节点电压约束、线路载流量约束、暂态稳定约束等等。在数学中，计算海缆的功率传输极限可以写成如下的优化问题：

maximize{P_C}

为了对上述问题进行求解，本发明提出了一种考虑精细化电磁暂态仿真的连续潮流法。求解的具体方法如下：

110：初始化仿真场景，设置风电场模型中的风电场的初始功率P₀，P₀的取值为预估可以满足上述各种约束的一个较小的值；

120：设置风电场的功率增长步长ΔP，使风电场中的每一台风机功率平均增加，使风电场总的有功功率增加ΔP；

130：利用海上风电场交流送出系统模型从风机启动开始对风电场交流送出系统进行电磁暂态仿真，得到功率仿真结果；

140：仿真结束后，根据仿真波形校验需要满足的各项稳定约束，在仿真过程需要中满足暂态稳定、电压稳定、线路传输容量不超过上限等约束，判断功率仿真结果是否满足预设功率约束条件，若满足约束，则继续重复步骤120，若不满足约束，则进入步骤150；

150：根据风电场的功率P确定海上风电场的海缆的功率传输极限，记录下该状态前一状态的风电场功率，该功率值就代表在满足各种约束条件下最大的风电场功率值，此状态下的海缆传输功率就是该海缆在风电场中的功率传输极限。

综上，本发明的海上风电场的海缆传输极限计算方法，可以得到海缆传输的最大功率，从而可以将海缆输送的容量维持在安全范围，以便对海上风电场安全运行提供指导。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，预设功率约束条件为：

其中，上式中的预设功率约束条件从上到下分别为：潮流约束、发电机有功功率约束、发电机无功功率约束、节点电压约束、线路传输容量约束和暂态功角稳定约束，

是可控发电机集合S_G中i号发电机的有功出力，/>

是无功电源集合S_R中第i台无功电源的无功出力，V_i是母线集合S_B中第i条母线的母线电压，/>

是i号母线上的有功负载，G_ij和B_ij分别是i号母线和j号母线之间的电导值和电纳值，/>

是线路集合S_L中第i条线路的视在功率，S_fault为预想故障集合，/>

为预想故障后最大功角差预测值，/>

为稳定裕度，用于控制优化问题解的保守性。

在本实施例中考虑到了风机启动的电磁暂态过程，通过提供预设功率约束条件，能够对风电场中海缆可传输的容量极限进行精确测算，对实际运行场景和工况考虑更加全面，考虑因素更全面，计算得到的海缆极限在风机启动、功率频繁波动等暂态场景下同样具有适用性，在工程应用中可靠性相对较高。

请参照图2，图2为本发明提供的海上风电场交流送出系统模型示意图。

作为一种优选的实施例，风机模型包括风力机模型、传动系统模型和PMSG模型。

在本实施例中风机模型可以包括风力机模型、传动系统模型和PMSG模型，通过风机模型的搭建，提高了海上风电场的海缆传输极限计算的准确性。具体的：

风力机模型：

风轮从风中捕获的功率可以表示为：

式中：P_w为风力机叶片从风能中获取的机械功率；ρ为空气密度；R为风力机转子半径；V_w为风速；β为桨距角；λ为叶尖速比；C_p为风力机的风能利用系数，是β和λ的函数。叶尖速比λ和风能利用系数的表达式为：

式中：ω_w为风力机转子的机械角速度。

风速一定时，风力机的机械功率只与风能利用系数C_p有关，而风能利用系数由叶尖速比λ和桨距角β决定。当风力机转速未达到额定值时，可控制叶尖速比为最优值来实现风力机的最大功率跟踪控制；当转速达到额定值时，风力机保持恒转速运行；当风速在额定值以上时，为保护风力发电系统，需要增大桨距角来限制风力机吸收的机械功率。

传动系统模型：

由于PMSG没有风力机与直驱发电机之间的传动齿轮箱，传动部分可以采用集中质量块模型，数学表达式如下：

式中：ω_r为发电机转子机械转速；T_w为风力机机械转矩；T_e为发电机电磁转矩；B_m为转动粘滞系数；J_eq为机组的等效转动惯量。

PMSG模型：

PMSG采用永磁体来代替同步电机中的励磁绕组，可以看作是励磁电流为常数的同步电机，其在d-q同步旋转坐标下的定子电压方程为

式中：u_sd、u_sq分别为定子d、q轴电压；i_sd、i_sq分别为定子d、q轴电流；R_s为定子电阻；ω_e为发电机的电角速度；ψ_sd和ψ_sq分别为定子d轴、q轴磁链。

采用基于转子磁链定向的矢量控制技术，将旋转坐标系d轴定位于转子永磁体的磁链方向，则定子侧d轴和q轴的磁链方程为

式中：L_d和L_q分别为发电机定子d轴和q轴电感；ψ₀为永磁体磁链。

PMSG输出电磁转矩方程为：

T_e＝1.5n_p(Ψ_sdi_sq-ψ_sqi_sd) (8)

式中：n_p为PMSG的极对数。

将式(7)代入式(8)可得

T_e＝1.5n_p[(L_d-L_q)i_sqi_sd+i_sqψ₀] (9)

假设L_d＝L_q，则

T_e＝1.5n_pi_sqψ₀ (10)

由式(10)可以看出，可以通过控制定子侧q轴电流就可以控制发电机的电磁转矩，进一步控制发电机转子转速。

当然，本实施例的PMSG模型可以但不仅限为平均化的PMSG模型，本发明在此不作特别的限定。

作为一种优选的实施例，变频器模型包括机侧变频器控制模型、网侧变流器控制模型和电压内环控制模型。

在本实施例中变频器模型可以包括机侧变频器控制模型、网侧变流器控制模型和电压内环控制模型，通过变频器模型的搭建，提高了海上风电场的海缆传输极限计算的准确性。具体的：

机侧变频器控制模型：

机侧变频器由二极管构成的不控整流桥和Boost升压斩波电路组成，该部分的主要功能为控制发电机转子转速以实现最大风功率跟踪。永磁同步发电机输出的机端电压有效值与转速成正比，若直接将不控整流桥与直流侧电容相连，风速变化时则会引起直流侧电压的波动，为稳定直流侧电压，在不控整流桥后增加了Boost升压斩波电路使风电机组可以运行在比较宽的风速范围。当风速较低时，通过改变Boost电路的驱动信号，控制机端电流从而改变同步发电机转子转速，使风力机运行在最优叶尖速比的状态，实现最大风功率跟踪。当风速较高时，控制驱动信号使发电机转子保持在额定转速，并通过风力机的桨距角控制系统使风力机捕获的机械功率也维持在额定值。

网侧变频器控制模型：

网侧变频器由绝缘栅双极晶体管构成的可控逆变桥组成。网侧变频器的主要作用是维持直流侧电容电压的稳定，将机侧变频器输出的有功功率传至电网，并根据无功参考值输出给定的无功。目前对于网侧变频器一般采用网侧电压定向的矢量控制技术，将同步旋转坐标系的d轴与电网电压综合矢量重合，此时电网电压在q轴上的投影为0，即

式中：u_gd、u_gq为电网电压d、q轴分量；e_g为网侧电压综合矢量。

此时，网侧变频器与电网交换的有功功率和无功功率可以表示为

式中：P_g、Q_g分别为网侧变频器与电网交换的有功功率和无功功率；i_gd、i_gq为网侧d、q轴电流。

由式(12)可以看出，通过控制电网侧电流矢量在d轴和q轴的投影即可独立的控制有功功率和无功功率的输出，因此d轴电流也可称为有功电流，q轴电流也可称为无功电流。

正常运行期间的电流控制策略：在正常运行时，网侧变频器为保持直流侧电容电压稳定，通过对直流侧电压的控制确定d轴电流的参考值i_gdref。另外，为实现风电机组的单位功率因数运行，通常将无功参考值设置为0，此时q轴电流的参考值i_gqre也为0。

故障及恢复期间的电流控制策略：故障期间有功功率的控制策略仍保持为定直流侧电压控制，网侧电压的突然跌落导致网侧变频器无法将有功正常送出，有功在直流侧电容上累积使其电压升高，当电压达到所设置的阈值后，与其并联的卸荷电路动作，消耗多余的有功使直流侧电压不再继续上升。但由于电容电压在故障发生后始终高于参考值，网侧变频器会不断增大有功电流。

当电网侧电压由于外部故障发生跌落时，风电机组需要发出无功来支撑电网电压，根据并网标准，低电压穿越期间风电机组输出无功电流的计算公式为

I_gqref≥1.5×(0.9-U_T)I_N，(0.2≤U_T≤0.9) (13)

式中，I_gqref为风电机组输出无功电流参考值；U_T为电网故障电压；I_N为额定电流。

在本文算例中，取无功电流参考值为

I_gqref＝2×(0.9-U_T)I_N，(0.2≤U_T≤0.9) (14)

故障期间需要优先保证风电机组向电网提供无功的能力，因此采用无功优先控制的策略，即在变频器容量约束的前提下，优先满足无功电流控制，再确定有功电流参考值。因此，有功电流的上限值为

式中，I_dmax为有功电流上限值；I_max为变频器电流上限值。

在上述限制下，有功电流参考值可以表示为

I_gdref＝min{I_gd1，I_dmax} (16)

式中，I_gdref为有功电流参考值；I_gd1为定直流侧电压控制得到的有功电流参考值。

当故障消除后，若电压恢复正常时有功未恢复至低电压穿越前的水平，应控制有功电流按指定斜率恢复至正常值。这种使有功电流按照恢复斜率的控制方式可以降低电压恢复期间有功突变对机组的冲击。

电压内环控制模型：

网侧变频器在d-q旋转坐标系下的数学模型为

式中：u_d、u_q为网侧变频器输出端d、q轴分量；R_g、L_g分别为网侧电阻及电抗；ω_g为电网同步电角速度。

由式(17)可知，在对d、q轴电流进行闭环PI控制后，需要加上交叉耦合项Δu_d和Δu_q才能得到最终的电压控制量，Δu_d和Δu_q可表示为

请参照图3-1至3-9，其中图3-1至3-7为本发明提供的海缆模型的参数设置示意图，图3-8至3-9为本发明提供的海缆模型的仿真测试示意图。

作为一种优选的实施例，海缆模型为基于pscad搭建的分布参数频率传输模型。

考虑到现有技术中缺乏对海缆的精细化建模，在本实施例中，海缆模型为基于pscad搭建的分布参数频率传输模型，通过精细化建模，使得计算得到的海缆传输极限更加准确，具体的，随着国内海上风电场单机容量的不断增长，以35kV作为风电场内海缆的电压等级逐渐成为制约海缆系统设计的瓶颈，特别是在福建、广东等海域风速比较高的地区采用6MW以上的大功率风电机组时，采用66kV场内集电方案的系统更具有经济性。

考虑大截面导体的阻水特性、金属护套的短路承载能力及铠装金属丝的损耗等综合因素，海缆采用三芯XLPE导体，每根导线采用内导体+XLPE绝缘+分相铅套+粗圆钢丝铠装光纤复合海底电缆。

采用pscad仿真软件对上述三芯XLPE海缆进行建模，其中在传输模型方面选择分布参数频率传输模型；海缆结构方面，每条内海缆采用C-I1-C-I2的四层结构，海缆整体的埋设深度为1m，具体参数设置如图3-1至3-7所示。

构建好海缆物理模型后，对海缆性能进行仿真测试，测试电路与测试结果如图3-8至3-9所示。可以看出在发电机启动时以及启动后，系统的电压电流波形都正常且稳定，说明海缆模型符合要求。

此外，对风电场建模可以采用如下形式，本发明不作特别的限定。

具体的，风电场内主要的电气设备包括风电机组、机端箱式变压器、中压集电线路、升压变电站以及高压输电线路等。

风电场中主要电气设备的典型连接逻辑为：每台风电机组配置一台机端箱式变压器，构成发变组，若干发变组构成一串(具体数量由风电机组容量及中压线路的容量决定)，也就是一条馈线，每条馈线上串联多个风电机组。随后，多条馈线汇集到中压集电线路中，通过中压集电线路汇流(即“一机一变，多、变一线”的模式)，各串接入风电场升压变电站，经升压后通过高压输电线路接入电网。

请参照图4，图4为本发明提供的海上风电场交流送出系统模型示意图。

将前面构建好的风机模型以及电缆模型封装好后，结合海上风电场交流送出系统的连接方式，以无穷大电压源等效陆上交流大电网，本申请在此不作特别的限定。

作为一种优选的实施例，海上风电场交流送出系统模型基于CloudPSS云仿真平台进行建模并结合Python SDK进行功率仿真。

为了能够保证对海上风电场的海缆传输极限计算的准确性和有效性，在本实施例中，海上风电场交流送出系统模型可以基于CloudPSS云仿真平台进行建模并结合PythonSDK进行功率仿真。

具体的，例如可以选取4种不同规模的海缆进行研究，分别为单芯500mm2海缆、单芯1000mm2海缆、三芯3×400mm2海缆、三芯3×1000mm2海缆四种型号。采用PSCAD作为交流海缆的建模工具，采用云端能源互联网建模仿真平台CloudPSS作为风机和风电场整体系统的建模和仿真工具，并辅助PythonSDK编写代码对批量仿真进行操作。CloudPSS SDK是基于CloudPSS-API封装的模型及软件开发套件。可通过编写Python、Matlab等脚本构建自定义模型，或是调用CloudPSS平台中的模型修改、仿真计算功能，实现诸如自动修改模型、批量仿真计算、自动化生成报告等复杂且繁琐的功能，也可在其自己的应用程序中调用CloudPSS仿真引擎，实现仿真驱动的高级分析应用。

请参照本发明提供的海缆参数如表1所示。

表1

风电场建模中的具体参数选择为：风机额定功率为10MW，风电场中的风机采用4×3排布形式，相邻风机的间隔为1km，风机出口额定电压为66kV，汇集后直接经过交流海缆进行传输，最后通过路上升压变压器连接到交流电网。

请参照图5，其中图5为本发明提供的在Cloud PSS中搭建的仿真模型示意图。

在采用连续潮流法进行计算式，采用的功率增加值为，对每个海缆型号，从一个较小值开始提高功率，直到不满足约束为止，最终得到四种海缆型号的功率传输继续如表2所示。

表2

海缆型号	最大载流量	容量传输极限
			单芯500mm2XLPE	809A	93.4MW
单芯1600mm2XLPE	1488A	174.0MW
			三芯3×400mm2XLPE	652A	75.3MW
三芯3×1000mm2XLPE	1045A	129.0MW

作为一种优选的实施例，还包括：设置海缆模型中海缆的初始长度L；设置海缆的长度增长步长ΔL，以使海缆的长度L沿ΔL线性增长；利用海上风电场交流送出系统模型进行电压仿真，得到电压仿真结果；判断电压结果是否满足预设电压范围；若满足，则根据海缆的长度L确定海上风电场的海缆的距离传输极限；若不满足，则执行设置海缆的长度增长步长ΔL，以使海缆的长度L沿ΔL线性增长的步骤。

目前，海上风电正呈现机组大型化，区域由近海浅水区向近海深水区及远海发展趋势，由于输送距离长，送出容量大，随着离岸距离的不断增加，其汇集和输送系统越来越成为海上风电的开发利用的关键环节。海上风电由于远离陆地，需要通过海底电缆来进行电能的传输。随着海上风场离岸距离拉长，海缆长度不断增加，导致风场接入系统的充电功率大量盈余，无功无法实现就地平衡，工频过电压问题严重威胁设备安全运行。交流海缆的距离越长，海缆带来的充电功率盈余就越明显。因此，确定交流海缆的在特定场景中的输送距离极限，可以在工程中更加安全、合理地布置远海风电场。

具体的，根据电力系统的运行规律，一条线路两端的电压降可以表示为：

其中，P、Q为*-+送端传输的有功、无功功率，X、R分别为线路的电阻和电抗，U为送端的电压幅值。由于高压线路中，因此电压降主要取决于无功功率的大小。由于风电场一般不发出无功功率，系统的无功来源主要是高压电缆的充电功率。因此，海上风电交流送出系统的无功功率流向是从交流海缆到交流大电网，而由于风机通常为跟网型，风机连接的换流器无法对并网点电压进行控制，因此会造成风机出口电压升高。因此计算海缆传输距离极限时，主要考虑海缆两端以及风电场内部和出口的电压是否在安全范围内。

海缆传输极限的计算步骤为：

构建不同长度的海缆模型，分别接入海上风电交流送出系统中进行电磁暂态仿真。

对每一次仿真，观察仿真曲线是否稳定，并记录系统中各点的电压。

将每次仿真中系统最高电压和最低电压绘制成曲线，得到电压-海缆长度的关系曲线，通过曲线得出系统电压正常时的海缆长度范围，并由此得到海缆传输距离极限。

请参照图6，其中图6为本发明提供的海上风电场的海缆距离传输极限仿真结果示意图。

计算海缆距离传输极限时，采用三芯3×1000mm2XLPE海缆进行测试，将不同海缆长度的海缆分别接入系统进行仿真，并在不同仿真场景中保持风电场发出的有功和无功功率不变，除了海缆长度外其它值保持一致。由可知，海缆两端的电压降同时也受传输有功功率的影响，传输有功功率越大是电压降越高，因此本仿真设置风电场输出功率接近当前海缆的功率传输极限。仿真时记录每个场景下系统的最高电压和最低电压，绘制系统中最高、最低电压随海缆长度的变化。随着海缆长度的增加，海上风电交流送出系统中的最低电压基本不变，维持在额定电压(66kV)左右，而最高电压逐渐上升。若选择安全运行的电压范围在0.9p.u.～1.1p.u.之间，则在此情景下的海缆距离传输继续约为65km。

请参照图7，其中图7为本发明提供的海上风电场的海缆距离传输极限无功补偿仿真结果示意图。

由于系统中的最高电压主要分布在风机出口处，且主要由海缆的充电功率导致，因此降低风电场电压、提高海缆传输距离的关键措施之一是增加无功补偿装置。为了考虑增加无功补偿装置后的海缆传输极限，本专利在算例仿真中还考虑了在风机侧增加并联电抗器对海缆距离传输极限的影响，得到系统中最高、最低电压随海缆长度的变化情况。同样考虑安全运行的电压范围在0.9p.u.～1.1p.u.之间，得出海缆距离的传输极限约为102km。

图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行海上风电场的海缆传输极限计算方法，该方法包括：设置风电场模型中的风电场的初始功率；设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长；利用海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；判断功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；若满足，则执行设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；若不满足，则根据风电场的功率P确定海上风电场的海缆的功率传输极限。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的海上风电场的海缆传输极限计算方法，该方法包括：设置风电场模型中的风电场的初始功率；设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长；利用海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；判断功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；若满足，则执行设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；若不满足，则根据风电场的功率P确定海上风电场的海缆的功率传输极限。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的海上风电场的海缆传输极限计算方法，该方法包括：设置风电场模型中的风电场的初始功率；设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长；利用海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；判断功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；若满足，则执行设置风电场的功率增长步长ΔP，以使风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；若不满足，则根据风电场的功率P确定海上风电场的海缆的功率传输极限。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种海上风电场的海缆传输极限计算方法，其特征在于，应用于海上风电场交流送出系统模型，所述海上风电场交流送出系统模型包括风机模型、变频器模型、海缆模型及风电场模型；

所述海上风电场的海缆传输极限计算方法包括：

设置所述风电场模型中的风电场的初始功率P₀；

设置所述风电场的功率增长步长ΔP，以使所述风电场的功率P沿ΔP线性增长；

利用所述海上风电场交流送出系统模型进行功率仿真，得到功率仿真结果；

判断所述功率仿真结果是否满足预设功率约束条件；

若满足，则执行设置所述风电场的功率增长步长ΔP，以使所述风电场的功率P沿ΔP线性增长的步骤；

若不满足，则根据所述风电场的功率P确定所述海上风电场的海缆的功率传输极限。

2.根据权利要求1所述的海上风电场的海缆传输极限计算方法，其特征在于，所述预设功率约束条件为：

其中，上式中的所述预设功率约束条件从上到下分别为：潮流约束、发电机有功功率约束、发电机无功功率约束、节点电压约束、线路传输容量约束和暂态功角稳定约束，

是可控发电机集合S_G中i号发电机的有功出力，/>

是无功电源集合S_R中第i台无功电源的无功出力，V_i是母线集合S_B中第i条母线的母线电压，/>

是i号母线上的有功负载，G_ij和B_ij分别是i号母线和j号母线之间的电导值和电纳值，/>

是线路集合S_L中第i条线路的视在功率，S_fault为预想故障集合，/>

为预想故障后最大功角差预测值，/>

为稳定裕度，用于控制优化问题解的保守性。

3.根据权利要求1所述的海上风电场的海缆传输极限计算方法，其特征在于，所述风机模型包括风力机模型、传动系统模型和PMSG模型。

4.根据权利要求1所述的海上风电场的海缆传输极限计算方法，其特征在于，所述变频器模型包括机侧变频器控制模型、网侧变流器控制模型和电压内环控制模型。

5.根据权利要求1所述的海上风电场的海缆传输极限计算方法，其特征在于，所述海缆模型为基于pscad搭建的分布参数频率传输模型。

6.根据权利要求1所述的海上风电场的海缆传输极限计算方法，其特征在于，所述海上风电场交流送出系统模型基于CloudPSS云仿真平台进行建模并结合Python SDK进行所述功率仿真。

7.根据权利要求1至6任一项所述的海上风电场的海缆传输极限计算方法，其特征在于，还包括：

设置所述海缆模型中海缆的初始长度L；

设置所述海缆的长度增长步长ΔL，以使所述海缆的长度L沿ΔL线性增长；

利用所述海上风电场交流送出系统模型进行电压仿真，得到电压仿真结果；

判断所述电压结果是否满足预设电压范围；

若满足，则根据所述海缆的长度L确定所述海上风电场的海缆的距离传输极限；

若不满足，则执行设置所述海缆的长度增长步长ΔL，以使所述海缆的长度L沿ΔL线性增长的步骤。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述海上风电场的海缆传输极限计算方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述海上风电场的海缆传输极限计算方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述海上风电场的海缆传输极限计算方法。

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