一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法与流程

本发明涉及电力系统新能源协调优化领域，具体涉及一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法。

背景技术：

1、近年来，新能源渗透率逐年提高。海上风电作为风力发电的研究热点和未来风能利用的重要方向意义重大。我国海上风电发展迅猛，装机容量快速增大，截至2021年底，中国海上风电装机容量已达26.4gw，许多沿海的省区市都相继开展了海上风电场的建设工作。与陆上风电相比，海上风电具有平均风速高，单机容量大，年利用小时数长的特点。但是海上极端天气频发，环境复杂多变，给海上风电的高效利用带来巨大挑战，如何在发生停电事故时优化海上风电黑启动方法对推动海上风电可持续发展具有重要意义。

2、柔性直流输电技术可以与海上风电场协同应对黑启动挑战。柔性直流输电技术与海上风电场紧密结合，柔性直流输电通道将海上风电场发出的电能传输到陆上的交流电网，注入的有功功率能够为陆上交流电网提供频率支撑。然而，海上风电场与陆上交流电网是解耦的，所以海上风电场并不能实时直接对陆上交流电网功率、频率的变化做出响应，而是需要通过其他的技术手段参与对陆上交流电网的频率支撑。

3、当前国内外对柔性直流输电及其与海上风电场协同参与黑启动展开了广泛的研究。在柔性直流输电参与黑启动方面，主要分为基于二极管整流器的直流送出和基于主动换相型电流源换流器的直流送出方式。但是一方面，二极管整流器无法主动建立风电场交流电压，常规的风电机组控制方法不能适用；另一方面，二极管整流器无法作为逆变器运行，不能有效参与海上风电黑启动。而主动换相型电流源换流器体积小，重量轻，尤其适用于海上风电柔直输送，但因目前缺少能承受反压的大功率可关断器件而难以发展大容量主动换相型电流源换流器。在风电参与黑启动方面，常与储能联合为风储系统作为黑启动电源，储能的作用是平抑风电功率波动和补偿功率缺额。有研究结合模型预测控制策略，以储能输出的方差最小为目标函数，限制风电功率的波动。同时，可根据储能电池退化模型，考虑风电功率波动对储能配置的影响，以实现储能的经济配置。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法，该方法从优化方法入手，综合考虑到陆上交流系统与海上风电场之间的耦合关系，充分利用海上风电的功率预测信息，可有效提高系统通过黑启动过程恢复正常的效率，优化方法层次结构中各元素能自主决策并经过严格的收敛证明，海上风电端和陆上柔直端可实现并行优化，黑启动的效率和有效性得到提高。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法，包括如下步骤：

3、s1：建立海上风电输电网络与柔直系统输电网络的黑启动优化模型，优化目标是系统停电总成本最小；

4、s2：基于黑启动优化模型，建立海上风电端黑启动子问题优化模型；

5、s3：基于黑启动优化模型，建立柔直端黑启动子问题优化模型；

6、s4：采用混合整数二次规划求解海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型；模型考虑了黑启动时间步骤中不同电网组件的恢复操作；

7、s5：当监测到停电事故发生时，通过海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型协同解决黑启动子问题，实现黑启动优化。

8、进一步地，所述步骤s1中黑启动优化模型的建立具体为：

9、海上风电输电网络与柔直系统输电网络的黑启动优化模型目标函数为系统停电总成本最小，具体公式为：

10、min f＝cwind(xw,xw)+ch(xh,xh) (1)

11、式中，f为海上风电与柔直系统停电总成本，cwind为海上风电停电成本函数，ch为陆上柔直端停电成本函数，xw为海上风电场黑启动优化变量，xw为海上风电场与柔直系统耦合变量，xh为陆上柔直端黑启动优化变量，xh为柔直端与海上风电场耦合变量；

12、基于目标级联分析方法(analytical target cascading，atc)，对于海上风电场黑启动优化变量，每个黑启动时间步长的海上风电场与陆上柔直端的交互功率需满足以下约束：

13、

14、式中，pw,t、qw,t为海上风电场在时间步长t的等效有功、无功功率，ph,t、qh,t为陆上柔直端在时间步数t的等效有功、无功功率，为黑启动时间步长{1,2,…,t,…,tbs}的集合，tbs为黑启动的时间步长；等效功率的正方向定义为从海上风电场流向陆上柔直端；

15、根据atc方法的分解与协调策略，将公式(2)作为惩罚函数加入黑启动优化模型目标函数，并分别在海上风电端和陆上柔直端的黑启动优化子问题中求解。

16、进一步地，所述步骤s2具体为：

17、给出海上风电端黑启动子问题优化模型的目标函数，海上风电端黑启动子问题优化的目标是使停电成本最小化，主要考虑用户停电成本和有临界时间限制的发电机启动成本，目标函数表示方法如下：

18、

19、式中，ωp、ωq、γp、γq为等效有功和无功功率的拉格朗日惩罚系数，初始都设定为较小的常数，在步骤s5中更新迭代；和为海上风电场在时间步长t计划流向陆上柔直端的等效有功和无功功率；

20、建立约束条件，包括系统恢复指标约束、机组启动时间约束、风电机组最大出力约束、机组爬坡约束、传输线路平衡约束、电压约束、频率约束以及备用容量约束。

21、进一步地，所述步骤s2中，

22、系统恢复指标约束指海上风电机组和陆上柔直负荷只有在连接的母线恢复后才能连接，并且非黑启动发电机只有在连接的母线恢复后才能启动；机组启动时间约束指海上风电机组启动时间要大于等于其最小启动时间；风电机组最大出力约束指海上风电机组实际有功出力要小于等于其额定最大出力值；机组爬坡约束限制了机组出力的变化率，表示一定时间内机组出力增大或减小是有一定范围的；传输线路平衡约束表征的是整个海上风电端和陆上柔直端的电力平衡，在任意时刻系统的有功和无功都是平衡的；电压约束指的是联络母线上的电压不越限；频率约束是指系统在黑启动过程中频率必须始终维持在正常波动范围内，不能越限；备用容量约束指的是黑启动过程中备用机组的容量必须大于等于标准要求的最低限度。

23、进一步地，所述步骤s3具体为：

24、给出柔直端黑启动子问题优化模型的目标函数，柔直端黑启动子问题优化的目标是使用户停电损失最小，主要考虑用户停电成本和径向拓扑等约束，目标函数表示方法如下：

25、

26、式中，pload为柔直端实测负荷；tload为系统黑启动过程持续时间；f(tload)为系统负荷的停电损失函数；ωp、ωq、γp、γq为等效有功和无功功率的拉格朗日惩罚系数，初始都设定为较小的常数，在步骤s5中更新迭代；和为陆上柔直端在时间步长t计划流向海上风电场的等效有功和无功功率；

27、建立约束条件，包括系统恢复指标约束、径向拓扑约束、储能启动时间约束、储能最大出力约束、储能爬坡约束、传输线路平衡约束、电压约束、频率约束以及备用容量约束。

28、进一步地，所述步骤s3中，其中部分约束与步骤s2中相同，在其与步骤s2不同的约束中，径向拓扑约束指的是整个海上风电端和陆上柔直端的机组开机情况要符合系统拓朴约束；由于陆上柔直端的储能参与了黑启动过程，储能需满足储能启动时间约束、储能最大出力约束和储能爬坡率约束；储能启动时间约束指陆上柔直端储能启动时间要大于等于其最小启动时间；储能最大出力约束指陆上柔直端储能实际有功出力要小于等于其额定最大出力值；储能爬坡约束限制了储能出力的变化率，表示一定时间内储能出力增大或减小是不能越限的。

29、进一步地，所述步骤s4具体为：

30、将海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型的约束条件进行线性化处理，包括如下：

31、进行潮流约束的线性化，采用线性规划逼近的潮流算法，分别线性化海上风电端和陆上柔直端的潮流约束；潮流约束包括海上风电端和陆上柔直端的有功功率约束、无功功率约束、电压约束、相角约束以及步骤s2、s3所提约束；

32、进行用户停电损失函数的线性化，由于用户停电损失函数提供了用户的停电成本系数和停电时间，可以通过分片线性化方法表示；

33、通过上述线性化过程，海上风电端和陆上柔直端的黑启动优化子问题被转化为混合整数二次规划问题，而该类问题可通过高效的数学编程求解器来解决，可以有效解决非线性优化模型难以求解的问题，使得优化模型可控性更强。

34、进一步地，所述步骤s5具体为：

35、a1：初始化海上风电端和陆上柔直端的各个设备参数，设置它们之间协同交互的交互功率和惩罚函数系数的初始值，并设置迭代数i＝1；

36、a2：陆上柔直端独立解决黑启动问题的优化子问题，并在每个时间步骤t发送优化后的柔直端等效功率(ph,t,qh,t)和柔直端停电成本ch给海上风电端；

37、a3：在收到陆上柔直端上传的数据后，海上风电端开始解决黑启动问题的优化子问题，并且在每个时间步骤t发送优化后的海上风电端等效功率(pw,t,qw,t)给陆上柔直端；

38、a4：海上风电端会检查其是否满足以下收敛条件，如果满足收敛条件，海上风电端会向陆上柔直端发送迭代终止信号，然后海上风电端和陆上柔直端会输出黑启动方案。反之，如果不满足收敛条件，则系统两端都会更新惩罚函数系数，设置i＝i+1，并返回重新解决两端黑启动问题的优化子问题，惩罚函数系数更新规则如下：

39、

40、式中，为第i次迭代的海上风电场在时间步长t的等效有功、无功功率；为第i次迭代的陆上柔直端在时间步长t的等效有功、无功功率；ωp,i、γp,i、ωq,i、γq,i为第i次迭代的等效有功、无功功率的拉格朗日惩罚系数；ωp,i+1和ωq,i+1为第i+1次迭代的等效有功、无功功率的拉格朗日惩罚系数。

41、进一步地，所述步骤a4中收敛条件为：

42、

43、式中，和为海上风电端在第i次迭代的等效功率；和为陆上柔直端在第i次迭代的等效功率；ε1为海上风电端收敛系数。

44、基于上述方案，可见本发明所采用的技术方案综合考虑了如下因素：

45、1.海上风电与柔直系统停电总成本；

46、2.海上风电场的装机容量；

47、3.陆上交流电网的实际频率与工频的偏差；

48、4.海上风电场参与陆上交流电网调频的功率数据。

49、有益效果：本发明与现有技术相比，本发明从优化方法入手，综合考虑到陆上交流系统与海上风电场之间的耦合关系，充分利用海上风电的功率预测信息，可有效提高系统通过黑启动过程恢复正常的效率，优化方法层次结构中各元素能自主决策并经过严格的收敛证明，海上风电端和陆上柔直端可实现并行优化，黑启动的效率和有效性得到了提高。