一种用于远海风电集群的多端直流系统灵活性规划方法

本发明涉及电力传输领域，尤其是涉及一种用于远海风电集群的多端直流系统灵活性规划方法。

背景技术：

1、从海上风电开发情况来看，其呈现出明显的集群化、深远海化特征，多端柔性直流输电(vsc-mtdc)方式在远距离、大容量功率传输中具有经济性、可控性等优势，被认为是未来大容量远距离海上风电集群功率外送的重要选择。vsc-mtdc系统从波动性分配与控制的角度为海上风电并网提供了另一种灵活性调节手段。如何规划科学合理的海上风电集群vsc-mtdc并网系统，提升大规模海上风电并网灵活性，已成为大规模、高比例海上风电并网与消纳亟待解决的问题之一。

2、现有的海上风电场交流系统规划的以经济性为主要目标。由于海上风电vsc-mtdc系统规划作为电气系统规划受系统运行控制方式与控制参数耦合影响，亟需从优化规划的视角，分析vsc-mtdc系统规划与控制方式、控制性能、以及随机场景下稳定运行区间及运行灵活性边界之间的耦合关系，建立包括并网功率灵活性的海上风电vsc-mtdc系统规划模型与方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于远海风电集群的多端直流系统灵活性规划方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种用于远海风电集群的多端直流系统灵活性规划方法，还包括以下步骤：

4、s1：获取给定海域的风速概率密度分布情况、风电场机组位置坐标和公共耦合点位置坐标，构建多端直流系统模型；

5、s2：根据风电场机组位置坐标，通过多端直流系统模型，进行基于模糊聚类的海上整流站选址定容优化，制定单位灵活性成本最低的规划方案，规划方案包括海上风电电站发电量、陆上逆变站有功指令值和海上整流站的位置；

6、s3：根据规划方案和风速概率密度分布情况，基于蒙特卡洛抽样构造风电功率波动场景；

7、s4：在规划方案和风电功率波动场景的基础上，当海上风电电站发电量与陆上逆变站有功指令值存在偏差时，进行包括换流站控制模式变化的稳态运行点计算；若计算结果为各换流站均进入限流模式或存在电压越限，则规划方案不合理，返回s2重新制定规划方案；否则，输出最优规划方案。

8、进一步地，多端直流系统模型包括系统稳定灵活运行域ωdr，系统稳定灵活运行域由设备运行可行域ωre与系统稳定运行域ωsd两部分构成，多端直流系统模型的表达式包括：

9、

10、s.t.ωdr＝ωre∩ωsd

11、式中，ft表示所有并网点有功功率运行上下限的差值，为稳定灵活运行域ωdr约束下换流站i在t时刻的有功功率运行上限，为稳定灵活运行域ωdr约束下换流站i在t时刻的有功功率运行下限。

12、进一步地，设备运行可行域包括的约束的表达式为：

13、idc＝[y]udc

14、

15、式中，idc表示换流站的运行电流，udc表示换流站的运行电压，[y]为导纳矩阵；为换流站i与换流站j间海缆上流过的电流，is,max为海缆载流量上限；pi为第i个换流站输出的有功功率，为第i个换流站的额定有功功率；为换流站i的运行电压下限，为换流站i的运行电压上限；为换流站i的运行电流限幅值。

16、进一步地，多端直流系统模型采用主从控制策略时，主从控制模式表示为：

17、

18、式中，m、n和q分别表示定电压控制换流站、定有功功率控制换流站及风电场侧换流站的数量；uref_conv,1为定电压控制换流站的电压参考值；udc_conp和pref_conp为定有功功率控制换流站的电压与有功功率参考值；udc_wf和pwfn为风电场换流站的电压与额定有功功率，kf为风电场换流站有功频率控制器的斜率参数，f和fn分别为风电场侧交流系统的实时频率和额定频率，当风电场系统频率为额定值时，即f＝fn。

19、进一步地，多端直流系统模型采用下垂控制策略时，下垂控制模式表示为：

20、

21、式中，m、n和q分别表示定电压控制换流站、定有功功率控制换流站及风电场侧换流站的数量，pref_condroop,p为第p个下垂控制站的功率，dp为第p个下垂控制站的下垂控制系数，uref_condroop,p为第p个下垂控制站电压参考值，udc_condroop,n为下垂控制站电压实际值，kf为风电场换流站有功频率控制器的斜率参数，f和fn分别为风电场侧交流系统的实时频率和额定频率，当风电场系统频率为额定值时，即f＝fn。

22、进一步地，系统稳定运行域包括的约束的表达式为：

23、dcon,j,min≤dcon,j≤dcon,j,min

24、maxre{λ[asys(dcon,j)]}<0

25、式中，dcon,j代表换流站j的控制参数，其取值需要在换流站控制参数的可行范围[dcon,j,min,dcon,j,max]内，控制参数的取值边界受换流站设计容量影响；asys为受控制参数影响的直流系统状态空间矩阵，λ(asys)为状态空间矩阵的特征值；re(λ)表示对特征值λ取实部。

26、进一步地，多端直流系统模型包括上层和下层，上层为规划决策层，以经济性和灵活性为优化目标，以换流站位置、换流站容量、拓扑接线、电缆型号为决策变量，确定多端直流系统的网络拓扑，并将规划方案传递到下层；下层为运行模拟层，在上层确定的网络拓扑中进行功率波动场景下的运行模拟，以校验功率波动后控制指令与实际出力不匹配时规划方案的可行性，并将校验结果返回上层。

27、进一步地，规划决策层的表达式为：

28、

29、式中，优化目标中的总成本ctotal由海上换流站成本coff、陆上换流站成本con、电缆成本ccable以及全生命周期内的弃风损失成本cwp四项构成，和分别表示第i个海上/陆上换流站的换流阀设备成本，和表示第i个海上/陆上换流站配套电气设备与控保装置等费用，表示第i个海上换流站海上平台造价，ccable,k,ij为连接换流站i与换流站j的海缆k的单位长度成本，lij表示海缆长度，n表示规划场景数量，αt表示第t个风速场景的发生概率，cw为海上风电的上网电价，non为陆上换流站数量，noff、xoff,i、yoff,i分别表示海上换流站的数量及位置坐标，poff,i和pon,j表示海上/陆上换流站的容量，dnet表示海上直流线路的邻接矩阵，sk表示海缆型号，nwf为海上风电场数量，ase表示海上换流站的可规划区域，pwf,m表示风电场m的输出功率，scable为直流海缆候选集合。

30、进一步地，运行模拟层的计算表达式为：

31、

32、式中，idc′与udc′分别表示风电功率波动场景下换流站的电流与电压矩阵，他们同样需要满足换流站的运行约束；mod表示换流站的控制方式，表示各换流站的控制模式不全为限流控制模式。

33、进一步地，进行基于模糊聚类的海上整流站选址定容优化中，聚类数量上限为风电场数量。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、1)本发明通过构建包含网络拓扑、电气参数、控制参数等多因素耦合关系的多端直流系统模型，从经济性和运行灵活性两个角度，得到最优规划结果，多端直流系统模型通过上层优化、下层校验的过程不断进行方案优化，检验规划方案在实际控制时的可行性，得到具有高可行性的的系统规划结果。

36、2)本发明提出的规划方法，不仅能保证经济性较优，还考虑了电网对大规模新能源并网的灵活性需求，更符合实际工程需求。