海上风电场接入上海电网的无功优化研究

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(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.国网上海电力公司电力经济技术研究院, 上海 200002;3.浙江华云清洁能源有限公司,浙江 杭州 310000)

目前,海上风电主要采用长距离海底交流电缆传输的方式进行传输。相比陆上的架空线路,海底交流电缆的容性充电功率较大,随着离岸距离的增加,可能导致并网点以及所接入区域电网的节点出现过电压,同时也会增加电网内部的网络损耗。因此,对于大规模海上风电场所接入的区域电网,研究其无功电压优化问题,以提高节点电压质量和减小网络损耗,是海上风电并网研究的重要课题之一[1-3]。

根据国家标准GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》,在公共电网电压处于正常范围内时,风电场应能控制并网点电压偏差在额定电压的-3%～+7%范围。这对海上风电并网点配置无功补偿装置就显得十分必要[4-5]。变速恒频风电机组是目前风电并网运行的主流机组,在实际运行中,其功率因数运行在0.95(超前)～0.95(滞后)区间,在较大出力的情况下,风电场有较强的无功调节能力。风电机组可根据上层控制命令吸收和发出无功功率[6]。充分利用风电机组和并网点无功补偿装置的无功调节能力,可以有效减少接入电网的网络损耗,并大幅提升电压质量[7-8]。

本文提出了对于接入海上风电场的区域电网的多风电场无功优化算法,在MATLAB中验证所提出算法的有效性和正确性。

1 多风电场无功优化问题

多风电场无功优化问题,即包括海上风电场在内的各个风电场利用风机自身无功调节能力及无功补偿设备,如高压并联电抗器(以下简称“高抗”),实现对区域电网内无功功率的优化调节,从而达到提高区域电网节点电压质量和减少网络损耗的目的。崇明岛、北支厂址两个海上风电场所采用的无功补偿方式为固定高抗和可投切高抗联合补偿的方式,能够灵活调节输出无功功率[9]。

1.1 目标函数

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式中:Qw/g——无功优化变量,在描述风电场时表示风电场输出的无功功率,在描述并网点投入高抗时表示投入组数;

m1,m2——权重系数,且m1+m2=1;

Ui,Un——节点电压幅值及额定值;

x0——未优化系统节点最大偏移值;

Ploss——系统网络损耗;

P0——未优化的系统网损;

λ——电压越限惩罚系数;

Ui max,Ui min——系统内各节点电压上下限值。

1.2 约束条件

海上风电场接入系统各节点的有功和无功功率应满足功率平衡的等式约束,即

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(3)

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此外,还应满足如下不等式条件

(5)

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Ui min≤Ui≤Ui max

(7)

式中:Pi,Qi——节点i注入的有功、无功功率;

PD,i,QD,i——节点i处的有功、无功负荷;

Uj——节点j的电压幅值;

δij——支路i-j首末端的电压相角差;

2 多风电场无功优化粒子群算法

多风电场无功优化粒子群算法流程如图1所示。

图1 多风电场无功优化算法流程

为了在具体系统运行情况下减少系统网损、提高节点电压质量,并得到风电场无功输出量及并网点高抗投入组数,本文利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)寻优能力强、易收敛于最优解的特性,对含海上风电场的多风电场系统进行无功优化,目标函数即为PSO算法的适应度函数[10-12]。

3 算例分析

3.1 参数设置和评价指标

在MATLAB软件中编写了崇明岛、北支厂址两个海上风电场分别接入崇明地区堡北站、陈家镇站电网后的无功优化程序。海上风电场接入电网系统的接线图如图2所示。计算条件如下:电网负荷取某时刻的崇明地区电网负荷;崇明地区已投入运行的前卫、北沿、东滩3个陆上风电场的有功功率输出均为48 MW;崇明岛、北支厂址两个海上风电场输出有功功率分别按出力30%和出力60%(场景1和场景2)两种场景考虑;所有风电场运行功率因数取0.95(超前)～0.95(滞后)。崇明岛厂址海上风电场并网点补偿固定高抗为40 MW以及可投切高抗为125 MW,可投切高抗分为10组,每组12.5 MW;北支厂址海上风电场并网点补偿固定高抗为20 MW以及可投切高抗为90 MW,可投切高抗分为10组,每组9 MW。系统基准功率取100 MW。

图2 海上风电场接入电网系统的接线示意

为使优化结果更为直观,引入3个评价指标:区域电网内部网络损耗PL,节点电压最大偏移ΔUmax,电压偏移系数E。ΔUmax和E的计算公式为

ΔUmax=maxUi-1

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3.2 无功优化分析

当某时刻电网负荷确定,风电场以额定功率因数运行(单位功率因数),假设陆上风电场有功功率出力一定,海上风电场有功功率按场景1和场景2出力。未配置无功补偿装置且风电场不参与无功优化调节,以及配置无功补偿装置且风电场参与无功优化调节时的系统评价指标如表1所示。

表1 系统评价指标

表2中给出了经多风电场无功优化后各风电场在不同场景下的无功出力及并网点高抗投入组数(无功出力负号表示吸收无功,正号表示发出无功)。

图3和图4分别为场景1和场景2优化前后的各节点电压分布曲线对比。由表1,图3和图4可知,对于接入海上风电场的系统,采用多风电场无功优化后,区域电网的网络损耗明显小于未优化时的网络损耗,且电压质量改善效果显著。

表2 多风电场无功优化后的各风电场无功出力及并网点高抗投入组数

图3 场景1下区域电网内的各节点电压分布

图4 场景2下区域电网内的各节点电压分布

4 结 语

本文分析了海上风电场接入对系统无功功率的影响。在充分发挥风电场无功调节能力的基础上,以提高电压质量、降低网损为目标,提出了多风电场无功优化PSO算法,以优化各风电场及无功补偿设备的无功出力。算例结果表明,所提出的无功优化PSO算法能有效减少系统的网络损耗,改善电压质量,验证了算法的有效性和可行性。