海上風(fēng)電場(chǎng)接入上海電網(wǎng)的無功優(yōu)化研究

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(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.國(guó)網(wǎng)上海電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(fēng)電主要采用長(zhǎng)距離海底交流電纜傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)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(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)以及所接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過電壓,同時(shí)也會(huì)增加電網(wǎng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)損耗。因此,對(duì)于大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)所接入的區(qū)域電網(wǎng),研究其無功電壓優(yōu)化問題,以提高節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量和減小網(wǎng)絡(luò)損耗,是海上風(fēng)電并網(wǎng)研究的重要課題之一[1-3]。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》,在公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí),風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差在額定電壓的-3%～+7%范圍。這對(duì)海上風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)配置無功補(bǔ)償裝置就顯得十分必要[4-5]。變速恒頻風(fēng)電機(jī)組是目前風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的主流機(jī)組,在實(shí)際運(yùn)行中,其功率因數(shù)運(yùn)行在0.95(超前)～0.95(滯后)區(qū)間,在較大出力的情況下,風(fēng)電場(chǎng)有較強(qiáng)的無功調(diào)節(jié)能力。風(fēng)電機(jī)組可根據(jù)上層控制命令吸收和發(fā)出無功功率[6]。充分利用風(fēng)電機(jī)組和并網(wǎng)點(diǎn)無功補(bǔ)償裝置的無功調(diào)節(jié)能力,可以有效減少接入電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗,并大幅提升電壓質(zhì)量[7-8]。

本文提出了對(duì)于接入海上風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域電網(wǎng)的多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化算法,在MATLAB中驗(yàn)證所提出算法的有效性和正確性。

1 多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化問題

多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化問題,即包括海上風(fēng)電場(chǎng)在內(nèi)的各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)利用風(fēng)機(jī)自身無功調(diào)節(jié)能力及無功補(bǔ)償設(shè)備,如高壓并聯(lián)電抗器(以下簡(jiǎn)稱“高抗”),實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)無功功率的優(yōu)化調(diào)節(jié),從而達(dá)到提高區(qū)域電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量和減少網(wǎng)絡(luò)損耗的目的。崇明島、北支廠址兩個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)所采用的無功補(bǔ)償方式為固定高抗和可投切高抗聯(lián)合補(bǔ)償?shù)姆绞?能夠靈活調(diào)節(jié)輸出無功功率[9]。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)

(2)

式中:Qw/g——無功優(yōu)化變量,在描述風(fēng)電場(chǎng)時(shí)表示風(fēng)電場(chǎng)輸出的無功功率,在描述并網(wǎng)點(diǎn)投入高抗時(shí)表示投入組數(shù);

m1,m2——權(quán)重系數(shù),且m1+m2=1;

Ui,Un——節(jié)點(diǎn)電壓幅值及額定值;

x0——未優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)最大偏移值;

Ploss——系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗;

P0——未優(yōu)化的系統(tǒng)網(wǎng)損;

λ——電壓越限懲罰系數(shù);

Ui max,Ui min——系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓上下限值。

1.2 約束條件

海上風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的有功和無功功率應(yīng)滿足功率平衡的等式約束,即

筆者制作的這款拼貼磁性教具除了可以突破“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的一些重難點(diǎn)，還可以用于教材第三章第三節(jié)“DNA的復(fù)制”的使用，可以利用教具進(jìn)行DNA是半保留還是全保留復(fù)制的探究。學(xué)生通過自己動(dòng)手拼接理解半保留復(fù)制的特點(diǎn)及結(jié)果，并進(jìn)一步聯(lián)系本節(jié)內(nèi)容，深入探討子代噬菌體的放射性情況。

(3)

(4)

此外,還應(yīng)滿足如下不等式條件

(5)

(6)

Ui min≤Ui≤Ui max

(7)

式中:Pi,Qi——節(jié)點(diǎn)i注入的有功、無功功率;

PD,i,QD,i——節(jié)點(diǎn)i處的有功、無功負(fù)荷;

Uj——節(jié)點(diǎn)j的電壓幅值;

δij——支路i-j首末端的電壓相角差;

2 多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化粒子群算法

多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化粒子群算法流程如圖1所示。

圖1 多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化算法流程

為了在具體系統(tǒng)運(yùn)行情況下減少系統(tǒng)網(wǎng)損、提高節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量,并得到風(fēng)電場(chǎng)無功輸出量及并網(wǎng)點(diǎn)高抗投入組數(shù),本文利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)尋優(yōu)能力強(qiáng)、易收斂于最優(yōu)解的特性,對(duì)含海上風(fēng)電場(chǎng)的多風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行無功優(yōu)化,目標(biāo)函數(shù)即為PSO算法的適應(yīng)度函數(shù)[10-12]。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置和評(píng)價(jià)指標(biāo)

在MATLAB軟件中編寫了崇明島、北支廠址兩個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)分別接入崇明地區(qū)堡北站、陳家鎮(zhèn)站電網(wǎng)后的無功優(yōu)化程序。海上風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)的接線圖如圖2所示。計(jì)算條件如下:電網(wǎng)負(fù)荷取某時(shí)刻的崇明地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷;崇明地區(qū)已投入運(yùn)行的前衛(wèi)、北沿、東灘3個(gè)陸上風(fēng)電場(chǎng)的有功功率輸出均為48 MW;崇明島、北支廠址兩個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率分別按出力30%和出力60%(場(chǎng)景1和場(chǎng)景2)兩種場(chǎng)景考慮;所有風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行功率因數(shù)取0.95(超前)～0.95(滯后)。崇明島廠址海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)補(bǔ)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(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)補(bǔ)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(tǒng)基準(zhǔn)功率取100 MW。

圖2 海上風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)的接線示意

為使優(yōu)化結(jié)果更為直觀,引入3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo):區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)損耗PL,節(jié)點(diǎn)電壓最大偏移ΔUmax,電壓偏移系數(shù)E。ΔUmax和E的計(jì)算公式為

ΔUmax=maxUi-1

(8)

(9)

3.2 無功優(yōu)化分析

當(dāng)某時(shí)刻電網(wǎng)負(fù)荷確定,風(fēng)電場(chǎng)以額定功率因數(shù)運(yùn)行(單位功率因數(shù)),假設(shè)陸上風(fēng)電場(chǎng)有功功率出力一定,海上風(fēng)電場(chǎng)有功功率按場(chǎng)景1和場(chǎng)景2出力。未配置無功補(bǔ)償裝置且風(fēng)電場(chǎng)不參與無功優(yōu)化調(diào)節(jié),以及配置無功補(bǔ)償裝置且風(fēng)電場(chǎng)參與無功優(yōu)化調(diào)節(jié)時(shí)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2中給出了經(jīng)多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化后各風(fēng)電場(chǎng)在不同場(chǎng)景下的無功出力及并網(wǎng)點(diǎn)高抗投入組數(shù)(無功出力負(fù)號(hào)表示吸收無功,正號(hào)表示發(fā)出無功)。

圖3和圖4分別為場(chǎng)景1和場(chǎng)景2優(yōu)化前后的各節(jié)點(diǎn)電壓分布曲線對(duì)比。由表1,圖3和圖4可知,對(duì)于接入海上風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng),采用多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化后,區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗明顯小于未優(yōu)化時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗,且電壓質(zhì)量改善效果顯著。

表2 多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化后的各風(fēng)電場(chǎng)無功出力及并網(wǎng)點(diǎn)高抗投入組數(shù)

圖3 場(chǎng)景1下區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)電壓分布

圖4 場(chǎng)景2下區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)電壓分布

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了海上風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)系統(tǒng)無功功率的影響。在充分發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上,以提高電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損為目標(biāo),提出了多風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化PSO算法,以優(yōu)化各風(fēng)電場(chǎng)及無功補(bǔ)償設(shè)備的無功出力。算例結(jié)果表明,所提出的無功優(yōu)化PSO算法能有效減少系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗,改善電壓質(zhì)量,驗(yàn)證了算法的有效性和可行性。