海上風電場接入上海電網的無功優化研究

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(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.國網上海電力公司電力經濟技術研究院, 上海 200002;3.浙江華云清潔能源有限公司,浙江 杭州 310000)

目前,海上風電主要采用長距離海底交流電纜傳輸的方式進行傳輸。相比陸上的架空線路,海底交流電纜的容性充電功率較大,隨著離岸距離的增加,可能導致并網點以及所接入區域電網的節點出現過電壓,同時也會增加電網內部的網絡損耗。因此,對于大規模海上風電場所接入的區域電網,研究其無功電壓優化問題,以提高節點電壓質量和減小網絡損耗,是海上風電并網研究的重要課題之一[1-3]。

根據國家標準GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統技術規定》,在公共電網電壓處于正常范圍內時,風電場應能控制并網點電壓偏差在額定電壓的-3%～+7%范圍。這對海上風電并網點配置無功補償裝置就顯得十分必要[4-5]。變速恒頻風電機組是目前風電并網運行的主流機組,在實際運行中,其功率因數運行在0.95(超前)～0.95(滯后)區間,在較大出力的情況下,風電場有較強的無功調節能力。風電機組可根據上層控制命令吸收和發出無功功率[6]。充分利用風電機組和并網點無功補償裝置的無功調節能力,可以有效減少接入電網的網絡損耗,并大幅提升電壓質量[7-8]。

本文提出了對于接入海上風電場的區域電網的多風電場無功優化算法,在MATLAB中驗證所提出算法的有效性和正確性。

1 多風電場無功優化問題

多風電場無功優化問題,即包括海上風電場在內的各個風電場利用風機自身無功調節能力及無功補償設備,如高壓并聯電抗器(以下簡稱“高抗”),實現對區域電網內無功功率的優化調節,從而達到提高區域電網節點電壓質量和減少網絡損耗的目的。崇明島、北支廠址兩個海上風電場所采用的無功補償方式為固定高抗和可投切高抗聯合補償的方式,能夠靈活調節輸出無功功率[9]。

1.1 目標函數

(1)

(2)

式中:Qw/g——無功優化變量,在描述風電場時表示風電場輸出的無功功率,在描述并網點投入高抗時表示投入組數;

m1,m2——權重系數,且m1+m2=1;

Ui,Un——節點電壓幅值及額定值;

x0——未優化系統節點最大偏移值;

Ploss——系統網絡損耗;

P0——未優化的系統網損;

λ——電壓越限懲罰系數;

Ui max,Ui min——系統內各節點電壓上下限值。

1.2 約束條件

海上風電場接入系統各節點的有功和無功功率應滿足功率平衡的等式約束,即

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(3)

(4)

此外,還應滿足如下不等式條件

(5)

(6)

Ui min≤Ui≤Ui max

(7)

式中:Pi,Qi——節點i注入的有功、無功功率;

PD,i,QD,i——節點i處的有功、無功負荷;

Uj——節點j的電壓幅值;

δij——支路i-j首末端的電壓相角差;

2 多風電場無功優化粒子群算法

多風電場無功優化粒子群算法流程如圖1所示。

圖1 多風電場無功優化算法流程

為了在具體系統運行情況下減少系統網損、提高節點電壓質量,并得到風電場無功輸出量及并網點高抗投入組數,本文利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)尋優能力強、易收斂于最優解的特性,對含海上風電場的多風電場系統進行無功優化,目標函數即為PSO算法的適應度函數[10-12]。

3 算例分析

3.1 參數設置和評價指標

在MATLAB軟件中編寫了崇明島、北支廠址兩個海上風電場分別接入崇明地區堡北站、陳家鎮站電網后的無功優化程序。海上風電場接入電網系統的接線圖如圖2所示。計算條件如下:電網負荷取某時刻的崇明地區電網負荷;崇明地區已投入運行的前衛、北沿、東灘3個陸上風電場的有功功率輸出均為48 MW;崇明島、北支廠址兩個海上風電場輸出有功功率分別按出力30%和出力60%(場景1和場景2)兩種場景考慮;所有風電場運行功率因數取0.95(超前)～0.95(滯后)。崇明島廠址海上風電場并網點補償固定高抗為40 MW以及可投切高抗為125 MW,可投切高抗分為10組,每組12.5 MW;北支廠址海上風電場并網點補償固定高抗為20 MW以及可投切高抗為90 MW,可投切高抗分為10組,每組9 MW。系統基準功率取100 MW。

圖2 海上風電場接入電網系統的接線示意

為使優化結果更為直觀,引入3個評價指標:區域電網內部網絡損耗PL,節點電壓最大偏移ΔUmax,電壓偏移系數E。ΔUmax和E的計算公式為

ΔUmax=maxUi-1

(8)

(9)

3.2 無功優化分析

當某時刻電網負荷確定,風電場以額定功率因數運行(單位功率因數),假設陸上風電場有功功率出力一定,海上風電場有功功率按場景1和場景2出力。未配置無功補償裝置且風電場不參與無功優化調節,以及配置無功補償裝置且風電場參與無功優化調節時的系統評價指標如表1所示。

表1 系統評價指標

表2中給出了經多風電場無功優化后各風電場在不同場景下的無功出力及并網點高抗投入組數(無功出力負號表示吸收無功,正號表示發出無功)。

圖3和圖4分別為場景1和場景2優化前后的各節點電壓分布曲線對比。由表1,圖3和圖4可知,對于接入海上風電場的系統,采用多風電場無功優化后,區域電網的網絡損耗明顯小于未優化時的網絡損耗,且電壓質量改善效果顯著。

表2 多風電場無功優化后的各風電場無功出力及并網點高抗投入組數

圖3 場景1下區域電網內的各節點電壓分布

圖4 場景2下區域電網內的各節點電壓分布

4 結 語

本文分析了海上風電場接入對系統無功功率的影響。在充分發揮風電場無功調節能力的基礎上,以提高電壓質量、降低網損為目標,提出了多風電場無功優化PSO算法,以優化各風電場及無功補償設備的無功出力。算例結果表明,所提出的無功優化PSO算法能有效減少系統的網絡損耗,改善電壓質量,驗證了算法的有效性和可行性。