一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统新能源协调优化领域，具体涉及一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法。

背景技术

近年来，新能源渗透率逐年提高。海上风电作为风力发电的研究热点和未来风能利用的重要方向意义重大。我国海上风电发展迅猛，装机容量快速增大，截至2021年底，中国海上风电装机容量已达26.4GW，许多沿海的省区市都相继开展了海上风电场的建设工作。与陆上风电相比，海上风电具有平均风速高，单机容量大，年利用小时数长的特点。但是海上极端天气频发，环境复杂多变，给海上风电的高效利用带来巨大挑战，如何在发生停电事故时优化海上风电黑启动方法对推动海上风电可持续发展具有重要意义。

柔性直流输电技术可以与海上风电场协同应对黑启动挑战。柔性直流输电技术与海上风电场紧密结合，柔性直流输电通道将海上风电场发出的电能传输到陆上的交流电网，注入的有功功率能够为陆上交流电网提供频率支撑。然而，海上风电场与陆上交流电网是解耦的，所以海上风电场并不能实时直接对陆上交流电网功率、频率的变化做出响应，而是需要通过其他的技术手段参与对陆上交流电网的频率支撑。

当前国内外对柔性直流输电及其与海上风电场协同参与黑启动展开了广泛的研究。在柔性直流输电参与黑启动方面，主要分为基于二极管整流器的直流送出和基于主动换相型电流源换流器的直流送出方式。但是一方面，二极管整流器无法主动建立风电场交流电压，常规的风电机组控制方法不能适用；另一方面，二极管整流器无法作为逆变器运行，不能有效参与海上风电黑启动。而主动换相型电流源换流器体积小，重量轻，尤其适用于海上风电柔直输送，但因目前缺少能承受反压的大功率可关断器件而难以发展大容量主动换相型电流源换流器。在风电参与黑启动方面，常与储能联合为风储系统作为黑启动电源，储能的作用是平抑风电功率波动和补偿功率缺额。有研究结合模型预测控制策略，以储能输出的方差最小为目标函数，限制风电功率的波动。同时，可根据储能电池退化模型，考虑风电功率波动对储能配置的影响，以实现储能的经济配置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法，该方法从优化方法入手，综合考虑到陆上交流系统与海上风电场之间的耦合关系，充分利用海上风电的功率预测信息，可有效提高系统通过黑启动过程恢复正常的效率，优化方法层次结构中各元素能自主决策并经过严格的收敛证明，海上风电端和陆上柔直端可实现并行优化，黑启动的效率和有效性得到提高。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法，包括如下步骤：

S1：建立海上风电输电网络与柔直系统输电网络的黑启动优化模型，优化目标是系统停电总成本最小；

S2：基于黑启动优化模型，建立海上风电端黑启动子问题优化模型；

S3：基于黑启动优化模型，建立柔直端黑启动子问题优化模型；

S4：采用混合整数二次规划求解海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型；模型考虑了黑启动时间步骤中不同电网组件的恢复操作；

S5：当监测到停电事故发生时，通过海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型协同解决黑启动子问题，实现黑启动优化。

进一步地，所述步骤S1中黑启动优化模型的建立具体为：

海上风电输电网络与柔直系统输电网络的黑启动优化模型目标函数为系统停电总成本最小，具体公式为：

min F＝C

式中，F为海上风电与柔直系统停电总成本，C

基于目标级联分析方法(analytical target cascading，ATC)，对于海上风电场黑启动优化变量，每个黑启动时间步长的海上风电场与陆上柔直端的交互功率需满足以下约束：

式中，P

根据ATC方法的分解与协调策略，将公式(2)作为惩罚函数加入黑启动优化模型目标函数，并分别在海上风电端和陆上柔直端的黑启动优化子问题中求解。

进一步地，所述步骤S2具体为：

给出海上风电端黑启动子问题优化模型的目标函数，海上风电端黑启动子问题优化的目标是使停电成本最小化，主要考虑用户停电成本和有临界时间限制的发电机启动成本，目标函数表示方法如下：

式中，ω

建立约束条件，包括系统恢复指标约束、机组启动时间约束、风电机组最大出力约束、机组爬坡约束、传输线路平衡约束、电压约束、频率约束以及备用容量约束。

进一步地，所述步骤S2中，

系统恢复指标约束指海上风电机组和陆上柔直负荷只有在连接的母线恢复后才能连接，并且非黑启动发电机只有在连接的母线恢复后才能启动；机组启动时间约束指海上风电机组启动时间要大于等于其最小启动时间；风电机组最大出力约束指海上风电机组实际有功出力要小于等于其额定最大出力值；机组爬坡约束限制了机组出力的变化率，表示一定时间内机组出力增大或减小是有一定范围的；传输线路平衡约束表征的是整个海上风电端和陆上柔直端的电力平衡，在任意时刻系统的有功和无功都是平衡的；电压约束指的是联络母线上的电压不越限；频率约束是指系统在黑启动过程中频率必须始终维持在正常波动范围内，不能越限；备用容量约束指的是黑启动过程中备用机组的容量必须大于等于标准要求的最低限度。

进一步地，所述步骤S3具体为：

给出柔直端黑启动子问题优化模型的目标函数，柔直端黑启动子问题优化的目标是使用户停电损失最小，主要考虑用户停电成本和径向拓扑等约束，目标函数表示方法如下：

式中，P

建立约束条件，包括系统恢复指标约束、径向拓扑约束、储能启动时间约束、储能最大出力约束、储能爬坡约束、传输线路平衡约束、电压约束、频率约束以及备用容量约束。

进一步地，所述步骤S3中，其中部分约束与步骤S2中相同，在其与步骤S2不同的约束中，径向拓扑约束指的是整个海上风电端和陆上柔直端的机组开机情况要符合系统拓朴约束；由于陆上柔直端的储能参与了黑启动过程，储能需满足储能启动时间约束、储能最大出力约束和储能爬坡率约束；储能启动时间约束指陆上柔直端储能启动时间要大于等于其最小启动时间；储能最大出力约束指陆上柔直端储能实际有功出力要小于等于其额定最大出力值；储能爬坡约束限制了储能出力的变化率，表示一定时间内储能出力增大或减小是不能越限的。

进一步地，所述步骤S4具体为：

将海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型的约束条件进行线性化处理，包括如下：

进行潮流约束的线性化，采用线性规划逼近的潮流算法，分别线性化海上风电端和陆上柔直端的潮流约束；潮流约束包括海上风电端和陆上柔直端的有功功率约束、无功功率约束、电压约束、相角约束以及步骤S2、S3所提约束；

进行用户停电损失函数的线性化，由于用户停电损失函数提供了用户的停电成本系数和停电时间，可以通过分片线性化方法表示；

通过上述线性化过程，海上风电端和陆上柔直端的黑启动优化子问题被转化为混合整数二次规划问题，而该类问题可通过高效的数学编程求解器来解决，可以有效解决非线性优化模型难以求解的问题，使得优化模型可控性更强。

进一步地，所述步骤S5具体为：

A1：初始化海上风电端和陆上柔直端的各个设备参数，设置它们之间协同交互的交互功率和惩罚函数系数的初始值，并设置迭代数i＝1；

A2：陆上柔直端独立解决黑启动问题的优化子问题，并在每个时间步骤t发送优化后的柔直端等效功率(P

A3：在收到陆上柔直端上传的数据后，海上风电端开始解决黑启动问题的优化子问题，并且在每个时间步骤t发送优化后的海上风电端等效功率(P

A4：海上风电端会检查其是否满足以下收敛条件，如果满足收敛条件，海上风电端会向陆上柔直端发送迭代终止信号，然后海上风电端和陆上柔直端会输出黑启动方案。反之，如果不满足收敛条件，则系统两端都会更新惩罚函数系数，设置i＝i+1，并返回重新解决两端黑启动问题的优化子问题，惩罚函数系数更新规则如下：

式中，

进一步地，所述步骤A4中收敛条件为：

式中，

基于上述方案，可见本发明所采用的技术方案综合考虑了如下因素：

1.海上风电与柔直系统停电总成本；

2.海上风电场的装机容量；

3.陆上交流电网的实际频率与工频的偏差；

4.海上风电场参与陆上交流电网调频的功率数据。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明从优化方法入手，综合考虑到陆上交流系统与海上风电场之间的耦合关系，充分利用海上风电的功率预测信息，可有效提高系统通过黑启动过程恢复正常的效率，优化方法层次结构中各元素能自主决策并经过严格的收敛证明，海上风电端和陆上柔直端可实现并行优化，黑启动的效率和有效性得到了提高。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化方法，如图1所示，其包括如下步骤：

S1：建立海上风电输电网络与柔直系统输电网络的黑启动优化模型，优化目标是系统停电总成本最小；

S2：基于黑启动优化模型，建立海上风电端黑启动子问题优化模型；

S3：基于黑启动优化模型，建立柔直端黑启动子问题优化模型；

S4：采用混合整数二次规划求解海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型；模型考虑了黑启动时间步骤中不同电网组件的恢复操作；

S5：当监测到停电事故发生时，通过海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型协同解决黑启动子问题，实现黑启动优化。

本实施例的步骤S1中黑启动优化模型的建立具体为：

海上风电输电网络与柔直系统输电网络的黑启动优化模型目标函数为系统停电总成本最小，具体公式为：

min F＝C

式中，F为海上风电与柔直系统停电总成本，C

基于目标级联分析方法(analytical target cascading，ATC)，对于海上风电场黑启动优化变量，每个黑启动时间步长的海上风电场与陆上柔直端的交互功率需满足以下约束：

式中，P

根据ATC方法的分解与协调策略，将公式(2)作为惩罚函数加入黑启动优化模型目标函数，并分别在海上风电端和陆上柔直端的黑启动优化子问题中求解。

本实施例的步骤S2具体为：

给出海上风电端黑启动子问题优化模型的目标函数，海上风电端黑启动子问题优化的目标是使停电成本最小化，主要考虑用户停电成本和有临界时间限制的发电机启动成本，目标函数表示方法如下：

式中，ω

建立约束条件，包括系统恢复指标约束、机组启动时间约束、风电机组最大出力约束、机组爬坡约束、传输线路平衡约束、电压约束、频率约束以及备用容量约束。

系统恢复指标约束指海上风电机组和陆上柔直负荷只有在连接的母线恢复后才能连接，并且非黑启动发电机只有在连接的母线恢复后才能启动；机组启动时间约束指海上风电机组启动时间要大于等于其最小启动时间；风电机组最大出力约束指海上风电机组实际有功出力要小于等于其额定最大出力值；机组爬坡约束限制了机组出力的变化率，表示一定时间内机组出力增大或减小是有一定范围的；传输线路平衡约束表征的是整个海上风电端和陆上柔直端的电力平衡，在任意时刻系统的有功和无功都是平衡的；电压约束指的是联络母线上的电压不越限；频率约束是指系统在黑启动过程中频率必须始终维持在正常波动范围内，不能越限；备用容量约束指的是黑启动过程中备用机组的容量必须大于等于标准要求的最低限度。

本实施例的步骤S3具体为：

给出柔直端黑启动子问题优化模型的目标函数，柔直端黑启动子问题优化的目标是使用户停电损失最小，主要考虑用户停电成本和径向拓扑等约束，目标函数表示方法如下：

式中，P

建立约束条件，包括系统恢复指标约束、径向拓扑约束、储能启动时间约束、储能最大出力约束、储能爬坡约束、传输线路平衡约束、电压约束、频率约束以及备用容量约束。

其中部分约束与步骤S2中相同，在其与步骤S2不同的约束中，径向拓扑约束指的是整个海上风电端和陆上柔直端的机组开机情况要符合系统拓朴约束；由于陆上柔直端的储能参与了黑启动过程，储能需满足储能启动时间约束、储能最大出力约束和储能爬坡率约束；储能启动时间约束指陆上柔直端储能启动时间要大于等于其最小启动时间；储能最大出力约束指陆上柔直端储能实际有功出力要小于等于其额定最大出力值；储能爬坡约束限制了储能出力的变化率，表示一定时间内储能出力增大或减小是不能越限的。

本实施例的步骤S4具体为：

将海上风电端黑启动子问题优化模型和柔直端黑启动子问题优化模型的约束条件进行线性化处理，包括如下：

进行潮流约束的线性化，采用线性规划逼近的潮流算法，分别线性化海上风电端和陆上柔直端的潮流约束；在潮流约束中忽略了线路损耗，虽然这会导致潮流计算的偏差，但不会影响系统恢复操作的制定；潮流约束包括海上风电端和陆上柔直端的有功功率约束、无功功率约束、电压约束、相角约束以及步骤S2、S3所提约束；

进行用户停电损失函数的线性化，由于用户停电损失函数提供了用户的停电成本系数和停电时间，可以通过分片线性化方法表示；

通过上述线性化过程，海上风电端和陆上柔直端的黑启动优化子问题被转化为混合整数二次规划问题，而该类问题可通过高效的数学编程求解器来解决。

本实施例的步骤S5具体为：

A1：初始化海上风电端和陆上柔直端的各个设备参数，设置它们之间协同交互的交互功率和惩罚函数系数的初始值，并设置迭代数i＝1；

A2：陆上柔直端独立解决黑启动问题的优化子问题，并在每个时间步骤t发送优化后的柔直端等效功率(P

A3：在收到陆上柔直端上传的数据后，海上风电端开始解决黑启动问题的优化子问题，并且在每个时间步骤t发送优化后的海上风电端等效功率(P

A4：海上风电端会检查其是否满足以下收敛条件，如果满足收敛条件，海上风电端会向陆上柔直端发送迭代终止信号，然后海上风电端和陆上柔直端会输出黑启动方案。反之，如果不满足收敛条件，则系统两端都会更新惩罚函数系数，设置i＝i+1，并返回重新解决两端黑启动问题的优化子问题，，惩罚函数系数更新规则如下：

式中，

收敛条件为：

式中，

本实施例还提供一种基于目标级联分析法的海上风电与柔直协同的黑启动优化系统，该系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，实现信号的接收和发送；存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；处理器，用于在运行计算机程序指令时，执行上述共识方法的步骤。

本实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质 (例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。