海上风电低频送出系统无功电压优化补偿方法

本发明属于电力系统输配电，具体涉及一种海上风电低频送出系统无功电压优化补偿方法。

背景技术：

1、加快开发海上风电资源是保证能源安全可靠供应的重要途径。海上风电的送出方式有工频交流输电、高压直流输电以及低频交流输电三种。工频交流输电无需在海上设置高压大功率的电力电子换流装置，其造价低廉，运行维护简单，可靠性高；但受海底电缆电容充电效应的影响，其有功功率传输能力随传输距离的提高而急剧减小，故一般适用于风电场装机容量在400mw以下、离岸距离在70km以内的风电场。高压直流输电不存在电缆电容充电效应的问题，适合电能的远距离输送，是目前离岸距离超过70km的海上风电场主要并网方式之一，但高压直流输电需要采用大量igbt等电力电子器件，导致海上换流平台的建设成本高、运行维护困难、经济性较差。而低频交流输电兼备工频交流输电和高压直流输电的优点，一方面通过降低交流输电频率减小了海底电缆的电容充电效应，提高了有功功率传输能力；另一方面只需在陆上建立全功率变频站，无需设置海上换流平台，建设难度和维护成本都大幅降低。

2、低频交流输电的另一个优势在于可采用风电场集中变频方案，即由一台较大容量的变频器对多台同型号风电机组实施集中变频控制。该方案省去了变速恒频风电机组内部的背靠背变流器，使得机组结构与定速机组类似，可极大地降低风电场的建设成本。然而该方案中的风机丧失了对无功电压的主动调节能力。另外，海上风电低频送出系统中的海缆长度进一步增加，陆上换流站与风电机组之间的距离更长，并且随着输电频率的降低，整个低频送出系统的无功电压、电流分布特性与传统工频交流送出系统也存在较大差异。

3、综上所述，海上风电低频送出方案在远海风电资源的开发和利用中具有广阔的应用前景，亟需开展系统无功电压分布特性的研究，并充分利用陆上变频站和无功补偿装置的灵活控制能力实现无功电压协同优化。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种海上风电低频送出系统无功电压优化补偿方法，分析系统中关键节点的无功电压分布规律，实现无功电压优化补偿。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种海上风电低频送出系统无功电压优化补偿方法，包括以下步骤：

4、(1)对海上风电场进行等值建模，包括海上风电场内部汇集网络纯并联化转换以及风电机组容量加权等值聚合两部分；

5、(2)建立海上风电低频送出系统的功率传输等效模型，所述海上风电低频送出系统包括：海上风电场、升压变压器、交流送出海缆、降压变压器、陆上m3c变频站以及工频电网；

6、(3)确定海上风电低频送出系统中关键节点的节点类型，利用matlab中的matpower工具箱对所建立的海上风电低频送出系统的功率传输等效模型在全功率运行范围内进行精确的潮流计算；

7、(4)确定无功补偿装置的配置方案，即采用动态响应速度快的svg作为海上风电场汇流母线处的无功补偿装置，选择分组投切并联高抗的方式对降压变压器低频端口处进行无功补偿；并基于全功率运行范围内潮流计算结果，确定无功补偿装置的额定容量；

8、(5)当海上风电场汇流母线电压处于正常运行范围内时，以降低海上风电低频送出系统内部有功损耗为优化目标，基于无功电压优化算法进行无功电压优化补偿；

9、(6)当海上风电场汇流母线电压超出正常运行范围内时，svg切换为定电压控制，使海上风电场汇流母线电压恢复正常运行范围内。

10、优选的，所述海上风电场内部汇集网络纯并联化转换，包括以下步骤：

11、s11：将风机内部变压器等效为变压器的等效串联电抗xt1i，具体方法为：

12、

13、式中：utin、stin和xtipu分别表示风机内部变压器的二次侧绕组额定电压、额定容量和漏抗标幺值；

14、s12：将发电机的等值阻抗zgi和变压器的等效串联电抗xt1i相加得到第i台风电机组的等值阻抗zi；

15、s13：基于电路串并联关系将海上风电场混联网络转化为纯并联网络，该网络能实现海上风电场内任意位置风电机组的聚合。

16、优选的，所述风电机组容量加权等值聚合，包括以下步骤：

17、s11：根据不同的风速将海上风电场中的风电机组进行分群，保证同一机群内所有风电机组的风速相同；

18、s12：采用容量加权法对同一机群内的所有风电机组进行等值，假设某一机群由n台低频风机组成，则第i台低频风机的容量加权系数σi表示为：

19、

20、式中，si为机群内第i台风机的额定容量；风电机组需要等值的参数包括：发电机的等值阻抗和变压器的等效串联电抗；对聚合风机的等值电抗的计算方法如下：

21、

22、式中，xeq为聚合风机的等值电抗，xi为第i台风机的实际电抗。

23、优选的，所述建立海上风电低频送出系统的功率传输等效模型，包括以下步骤：

24、s21：将整个海上风电场根据风速等效为n台聚合风机，每一台聚合风机用一个有功功率源和串联阻抗进行等效；

25、s22：升压变压器和降压变压器与风机内部变压器的等值方法相同，分别等效为升压变压器等效串联电抗xt2和降压变压器等效xt3；

26、s23：采用π模块级联的方法逼近带有分布式参数的长距离交流送出海缆的阻抗模型，模块个数m与能表示的最大频率范围fmax之间满足关系式：

27、

28、式中，d表示交流送出海缆长度；v表示行波的传播速度，表达式为l和c分别表示交流送出海缆单位长度的电感值和电容值。

29、优选的，所述确定海上风电低频送出系统中关键节点的节点类型如下：

30、所述海上风电低频送出系统中关键节点包括陆上m3c变频站的低频端口和各台风机的等效有功功率源；陆上m3c变频站的低频侧采用定交流电压控制，该节点的有功功率无法给定，故将陆上m3c变频站的低频端口划分为平衡节点，该节点的电压幅值为um3c，相位为0°；将每一台风机的等效有功功率源均划分为pq节点，并且q＝0，当风机处于最大功率跟踪状态时，第k个有功功率源输出的有功功率按下式近似计算：

31、

32、式中ρ表示空气密度，r是风轮半径，vw是风速。cp(λ,β)是风能利用系数，与叶尖速比λ和桨距角β有关。

33、优选的，所述在全功率运行范围内进行精确的潮流计算，具体实施方法为：

34、设某一时刻整个海上风电场输出的有功功率为pwf，整个海上风电场输出的额定有功功率为prate；通过改变风速，使得pwf从pwf＝0到pwf＝prate的全功率范围内变化；基于潮流计算的结果，分别绘制风电场汇流母线、降压变压器低频端口的无功功率、交流电压随pwf变化的特性曲线。

35、优选的，所述基于全功率运行范围内潮流计算结果，确定无功补偿装置的额定容量，具体实施方法为：

36、s41：假设海上风电场汇流母线处感性无功功率的最大值为容性无功功率的最大值为则svg的额定容量设计为：

37、

38、式中，和分别为svg无功功率的最大值和最小值；

39、s42：假设降压变压器低频端口处容性无功功率的最大值为则并联高抗的额定容量设计为：

40、

41、优选的，所述无功电压优化算法，具体包括：

42、s51：计算海上风电低频送出系统的有功总损耗，以最小化有功总损耗作为无功电压补偿的优化目标；

43、海上风电低频送出系统的有功总损耗ploss_sum为：

44、ploss_sum＝ploss_cablel+ploss_cableh+ploss_m3c

45、式中，ploss_cablel表示风机内部和汇集交流送出海缆等效串联阻抗的有功损耗，ploss_cableh表示交流送出海缆的有功损耗，ploss_m3c表示陆上m3c变频站的有功损耗；

46、目标函数为：f1＝min(ploss_sum)；

47、s52：建立海上风电低频送出系统无功电压优化补偿的约束条件，其中等式约束条件为电网的基本潮流约束方程，不等式约束条件为各节点电压幅值上下限条件、无功补偿装置容量上下限条件，即

48、

49、式中，pi、qi为各节点注入的有功和无功，ui、uj为各节点的电压幅值，gij、bij表示为i节点和j节点的互导纳，gii、bjj表示为i节点和j节点的自导纳，θij为节点i和节点j的电压相角差，nbus为所有节点集合；

50、

51、式中，qsvg和qhl分别为svg和并联高抗输出的无功功率；ui为海上风电低频送出系统中各节点电压，和根据海上风电机组相关并网标准进行设置。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

53、1)本发明提供的海上风电低频送出系统无功电压优化补偿方法包含无功电压分布特性分析过程，即首先通过风电场内部汇集网络纯并联化转换以及风电机组容量加权等值聚合对海上风电场的进行等值建模，进而建立整个海上风电低频送出系统的功率传输等效模型，最后利用matlab中的matpower工具箱对所建立的功率传输等效模型进行精确的潮流计算。该分析过程无需获取每台风机的功率信息，减小了对海上风电低频送出系统进行精确潮流计算的复杂度。另外，无功电压分布特性分析的结果可以为无功补偿装置的容量设计提供参考依据。

54、2)本发明提供的海上风电低频送出系统无功电压优化补偿方法，当风电场汇流母线电压处于正常运行范围内时，以最小化系统的有功总损耗为控制目标，保证了系统的经济性；当风电场汇流母线电压越限时，以恢复母线电压至正常运行范围为控制目标，保证了系统的安全性。