一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法及相关装置

技术领域

本发明属于风电汇集系统领域，涉及一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法及相关装置。

背景技术

大规模风电经直流汇集、传输并入交流系统有效发挥直流输电的技术优势，可更好地实现新能源的高效接入和新能源波动时负荷侧的稳定供电。汇集系统作为风电汇集与传输的关键环节，其拓扑结构的可靠性和经济性是风电场良好运行的基础，因此风电汇集系统拓扑结构的评估及优化具有重要意义。

我国西部风电大型基地所处电网网架结构薄弱，风电的汇集及远距离传输急需具有稳定性优势的直流电网。风电汇集系统作为风电汇集与传输的关键环节，其电气设备繁多、各设备间的连接方式复杂多样。而目前风电汇集系统结构多由工作人员根据现场经验设计得到的，系统设计质量不能保证，汇集系统拓扑结构的优化设计仍存在较大的提升空间。风电直流汇集系统拓扑结构面向风电全直流发电系统，目前暂无对应的实际工程，风电交流汇集系统的设计思路难以用于直流汇集系统，且鲜有文献针对陆上风电直流汇集系统提供优化设计思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法及相关装置，以解决缺乏优化设计导致的系统设计质量不能保证、风电交流汇集系统的设计思路难以用于直流汇集系统的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法，包括

基于风机串并联型风电直流汇集系统拓扑结构，将风机进行分组；

基于分组输入已知条件：风电直流汇集系统内电缆、风机、DC/DC设备的故障率、故障修复时间和成本数据；

根据直流传输电压约束、风机数量约束、电压汇集能力约束、汇集线路电压降约束和电力电子器件通流约束，获得风机再次分组的方案；

评估不同风机分组方案下风电直流汇集系统的可靠性，得到系统可靠性指标EENS；

基于系统可靠性指标EENS，运用无网格光线寻优算法优选出全生命周期成本最低的风电直流汇集系统风机分组方案。

进一步的，直流传输电压约束公式为：

式中：U

风机数量约束公式为：

式中：g为风机分组数；p为每组支路并联条数；s为每条支路串联风机台数；N为风电场内风机数量；

电压汇集能力约束公式为：

g＝f(U

式中：f函数表示风电直流汇集系统内汇集电压等级与每组风机汇集容量的关系；

汇集线路电压降约束公式为：

式中：P

电力电子通流约束公式为：

式中：I

进一步的，非序贯蒙特卡洛模拟法评估汇集系统可靠性的步骤为：

步骤S1、输入抽样次数，风电场全年负荷数据、风电直流汇集系统拓扑结构和对应的停运率模型；

步骤S2、模拟风电汇集系统全年的出力序列，利用汇集系统停运率抽样修正风电汇集系统全年出力序列；

步骤S3、以系统年电量不足期望值EENS为系统可靠性指标；

步骤S4、计算可靠性指标的方差系数η，当方差系数小于设定方差系数或抽样次数达到最大抽样次数，则输出系统可靠性指标EENS。

进一步的，汇集系统停运率的计算公式为：

式中：Q

进一步的，系统年电量不足期望值EENS的计算公式为：

式中：EENS

方差系数的计算公式为：

式中：F(X)为可靠性指标；N

进一步的，无网格光线寻优算法的步骤为：

设定初始点X(0)＝(x(0),y(0))，初始方向P(0)＝(p(0),q(0))，步长λ，迭代次数k＝0；

计算下一迭代点X(k+1)，并计算点X(k+1)对应的目标函数，目标函数为风电直流汇集系统全生命周期成本，即该点的速度v(k)；

计算各试探点的速度v

重复上述步骤，直到满足终止迭代条件，输出目标函数最小的风机分组方案。

进一步的，目标函数最小即全生命周期成本最低，汇集系统全生命周期的计算公式为：

式中：C

终止迭代条件为：

N

v

所述缺电损失成本计算公式为：

A

式中：m为能源价格。

进一步的，一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化系统，包括：

第一分组模块，用于基于风机串并联型风电直流汇集系统拓扑结构，将风机进行分组；

条件输入模块，用于基于分组输入已知条件：风电直流汇集系统内电缆、风机、DC/DC设备的故障率、故障修复时间和成本数据；

第二分组模块，用于根据直流传输电压约束、风机数量约束、电压汇集能力约束、汇集线路电压降约束和电力电子器件通流约束，获得风机再次分组的方案；

评估模块，用于评估不同风机分组方案下风电直流汇集系统的可靠性，得到系统可靠性指标EENS；

优选模块，用于基于系统可靠性指标EENS，运用无网格光线寻优算法优选出全生命周期成本最低的风电直流汇集系统风机分组方案。

进一步的，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法的步骤。

进一步的，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法的步骤。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

提供一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法及系统，首先基于风机串并联型风电直流汇集系统拓扑结构，将风机进行分组，然后根据相关技术约束条件获得合理的风机分组方案，对该拓扑结构中的不同风机分组方案进行可靠性评估，最后综合考虑系统经济性与可靠性问题带来的缺电损失成本，以总成本最低为目标，构建风电直流汇集系统拓扑结构优化模型，得到最优风机分组方案。本发明将风电汇集系统的可靠性用缺电损失成本量化，统筹考虑系统的可靠性及经济性，优选出总成本最低的风机分组方案，可为风电直流汇集系统的结构和优化提供参考。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例中基于风机分组串并联的风电直流汇集系统拓扑；

图3为本发明全生命周期成本最低的风电直流汇集系统拓扑结构；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进一步说明。

本发明的技术方案是：提供一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法及系统，首先基于风机串并联型风电直流汇集系统拓扑结构，将风机进行分组，然后根据相关技术约束条件获得合理的风机分组方案，对该拓扑结构中的不同风机分组方案进行可靠性评估，最后综合考虑系统经济性与可靠性问题带来的缺电损失成本，以总成本最低为目标，构建风电直流汇集系统拓扑结构优化模型，计算得到最优风机分组方案。

本发明采用以下技术方案：

一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法及系统，包括以下步骤：

步骤S1、基于风机串并联型风电直流汇集系统拓扑结构，将风机进行分组；

步骤S2、输入风电直流汇集系统内电缆、风机、DCDC等设备的故障率、故障修复时间和成本数据；

步骤S3、根据相关技术约束条件获得合理的风机分组方案；所述的相关技术约束条件包括直流传输电压约束、风机数量约束、电压汇集能力约束、汇集线路电压降约束和电力电子器件通流约束；

步骤S4、利用非序贯蒙特卡洛模拟法评估不同风机分组方案下风电直流汇集系统的可靠性；

步骤S5、运用无网格光线寻优算法优选出全生命周期成本最低的风电直流汇集系统风机分组方案。

进一步的，步骤S2中，成本数据包括风电汇集系统投资成本、维护成本和损耗成本数据；

进一步的，步骤S3中，直流传输电压约束公式为：

式中：U

风机数量约束公式为：

式中：g为风机分组数，p为每组支路并联条数，s为每条支路串联风机台数；N为风电场内风机数量。

电压汇集能力约束公式为：

g＝f(U

式中：f函数表示风电直流汇集系统内汇集电压等级与每组风机汇集容量的关系；

汇集线路电压降约束公式为：

式中：P

电力电子通流约束公式为：

式中：I

进一步的，在步骤S4中，非序贯蒙特卡洛模拟法评估汇集系统可靠性的步骤为：

步骤S41、输入抽样次数，风电场全年负荷数据、风电直流汇集系统拓扑结构和对应的停运率模型；

步骤S42、模拟风电汇集系统全年的出力序列，利用汇集系统停运率抽样修正风电汇集系统全年出力序列；

步骤S43、以系统年电量不足期望值EENS为系统可靠性指标；

步骤S44、计算可靠性指标的方差系数η，当方差系数小于设定方差系数或抽样次数达到最大抽样次数，则输出系统可靠性指标EENS。

进一步的，步骤S41中,汇集系统停运率的计算公式为：

式中：Q

单台设备的停运率表示为

式中，

式中，λ

在由α个设备并联组成的系统中，系统的停运率为

式中，Q

在由β个设备串联组成的系统中，一台设备故障将导致系统停运，故系统的停运率为

式中，Q

进一步的，步骤S43所述的系统可靠性指标，系统年电量不足期望值EENS的计算公式为：

式中：EENS

进一步的，步骤S44所述的可靠性指标的方差系数的计算公式为：

式中：F(X)为可靠性指标；N

进一步的，在步骤S5中，无网格光线寻优算法的步骤为：

步骤S51、设定初始点X

步骤S52、计算下一迭代点X

步骤S53、计算各试探点的速度v

步骤S54、重复步骤S52-S53，直到满足终止迭代条件，输出目标函数最小的风机分组方案。

进一步的，步骤S54中目标函数最小即全生命周期成本最低，汇集系统全生命周期的计算公式为：

式中：C

风电汇集系统的投资成本C

C

直流电缆的成本模型为：

C

式中：P

DC/DC变换器成本模型为：

C

式中：C

风电汇集系统的维护成本C

风电直流汇集系统损耗成本C

C

式中：m为能源价格；∑P

风机内变流器由全控型器件IGBT构成，其功率损耗计算公式为：

P

式中：P

变流器开关损耗计算公式为：

式中：f

变流器导通损耗计算公式为：

P

式中：N

DC/DC变换器的功率损耗计算公式为：

P

式中：P

DC/DC开关损耗计算公式为：

P

式中：N

DC/DC导通损耗计算公式为：

P

式中：V

风电场弃风量可表示为

式中：i

缺电损失成本计算公式为：

A

式中：m为能源价格。

进一步的，步骤S54所述终止迭代条件为：

N

v

实施例：

参见图1所示，一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法及系统，包括以下步骤：

步骤1.基于风机串并联型风电直流汇集系统拓扑结构，将风机进行分组。实施例中风电场额定容量为50MW，单台风机功率为2.5MW。风机分组串并联的风电直流汇集系统拓扑结构参见图2所示。设风机分为g组，每组有p条支路并联，每条支路串联风机s台；

步骤2.输入风电直流汇集系统内电缆、风机、DCDC等设备的故障率、故障修复时间和成本数据；表1给出风电直流汇集系统内各设备可靠性参数；表2-表4给出风电直流汇集系统投资成本参数；

表1风电直流汇集系统可靠性参数

表2风电直流汇集系统投资成本参数

表3中压直流断路器成本参数

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表4高频变压器成本

风电汇集系统的维护成本C

表5给出计算风电汇集系统损耗成本相关参数。

表5计算汇集系统成本参数

步骤3.根据相关技术约束条件获得合理的风机分组方案；所述的相关技术约束条件包括直流传输电压约束、风机数量约束、电压汇集能力约束、汇集线路电压降约束和电力电子器件通流约束；表6给出合理风机分组方案。

表6合理风机分组方案

步骤4.利用非序贯蒙特卡洛模拟法评估不同风机分组方案下风电直流汇集系统的可靠性；表7给出不同风机分组方案下风电直流汇集系统EENS。

表7不同风机分组方案下的EENS

步骤5.运用无网格光线寻优算法优选出全生命周期成本最低的风电直流汇集系统风机分组方案。表8给出风电直流汇集系统在不同风机分组方案下的全生命周期内总成本。

表8不同风机分组方案下的全生命周期内总成本

综合考虑经济性和可靠性，风机分组方案为(5,2,2)时总成本最低，为42243.69万元，具体方案为：20台风机分为2组，每组有4条并联支路，每条支路串联5台风机。利用无网格光线寻优算法优选出全生命周期成本最低的风电直流汇集系统拓扑结构如图3所示，该方案汇集系统每组内电压为±35kV，DC/DC额定出口电压U为14kV，风机距离汇集母线最远距离为1.63km，汇集线电缆横截面为240mm

通过上述实施例可以看出，本发明的一种陆上风电直流汇集系统拓扑优化方法及系统，能有效兼顾可靠性及经济性，优选出全生命周期成本最低汇集系统拓扑结构，可为风电直流汇集系统拓扑结构优化设计提供参考。

本发明再一实施例中，提供一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化系统，能够用于实现上述的一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法，具体的，该系统包括：

第一分组模块，用于基于风机串并联型风电直流汇集系统拓扑结构，将风机进行分组；

条件输入模块，用于基于分组输入已知条件：风电直流汇集系统内电缆、风机、DC/DC设备的故障率、故障修复时间和成本数据；

第二分组模块，用于根据直流传输电压约束、风机数量约束、电压汇集能力约束、汇集线路电压降约束和电力电子器件通流约束，获得风机再次分组的方案；

评估模块，用于评估不同风机分组方案下风电直流汇集系统的可靠性，得到系统可靠性指标EENS；

优选模块，用于基于系统可靠性指标EENS，运用无网格光线寻优算法优选出全生命周期成本最低的风电直流汇集系统风机分组方案。

本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法的操作。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关一种陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化方法的相应步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。