CN113158431B - 大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法 - Google Patents

Abstract

大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，属于电力系统等值建模技术领域。本发明为了解决现有的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法无法满足多种工况的模拟需求的问题。本发明包括对送端交流侧和受端交流侧进行等值计算的过程，对送端交流侧进行等值时，根据风电集群子系统、送端交流侧和直流输电子系统间的功率关系和送端交流侧的短路电流、送端交流侧的额定电流、送端交流侧强度系数，以及送端交流侧的各矢量关系E_R＝I_RR_R+jI_RX_R+U_R，结合送出系统实际运行参数，求得送端交流侧等值参数。参照送端交流侧进行等值的方式对受端交流侧进行等值。主要用于大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模。

Description

大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法

技术领域

本发明涉及一种大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，属于电力系统等值建模技术领域。

背景技术

目前，在对大规模风电经特高压直流送出系统建模时，现有交流侧等值建模方法通常没有考虑风机的功率贡献，在建模时一般认为直流输送功率全部由送端交流侧提供，导致建立的等值模型不够精确。另一方面，现有方法多为针对某一特定的送出系统工况建立，通常为额定工况，直流传输功率改变或风电出力改变时，送端交流侧和受端交流侧功率也将变化，如果其等值参数维持不变，送端换流变压器和受端换流变压器高压侧母线电压无法保持在额定值，送出系统将偏离正常运行点，导致较大偏差。因此，现有方法已经无法满足直流传输功率不同、风电出力不同、电网支撑强度不同等多样化工况的模拟需求，亟须改进。

发明内容

本发明为了解决现有的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法无法满足多种工况的模拟需求的问题。

大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，所述大规模风电经特高压直流送出系统包含送端交流侧子系统、受端交流侧子系统、直流输电子系统、风电集群子系统；将送端交流侧子系统简称送端交流侧，将受端交流侧子系统简称受端交流侧；

所述大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法包括对送端交流侧进行等值计算的过程，对送端交流侧进行等值计算的过程包括以下步骤：

直流输电子系统整流器运行所需的无功功率均由无功补偿电容和滤波器组提供，风电集群子系统中风电机组都运行在单位功率因数；送端交流侧向直流输电子系统只输送有功功率，不输送无功功率；设定I_R与U_R同方向，送端交流侧的各矢量满足如下关系：

E_R＝I_RR_R+jI_RX_R+U_R (1)

式中，j为虚数单位；E_R为送端交流侧的等值电势，R_R为送端交流侧的等值电阻，X_R为送端交流侧的等值电抗，U_R为送端换流变压器高压侧母线电压，I_R为送端交流侧的电流；

送端交流侧向直流输电子系统输送额定直流功率时，计算送端交流侧的电流并将其定义为送端交流侧的额定电流I_NR；

将送端交流侧的短路电流I_SR与送端交流侧的额定电流I_NR模值之比定义为送端交流侧强度系数

根据风电集群子系统、送端交流侧和直流输电子系统间的功率关系和送端交流侧的短路电流I_SR、送端交流侧的额定电流I_NR、送端交流侧强度系数k_R，以及公式(1)，结合送出系统实际运行参数，求得送端交流侧等值参数E_R、R_R和X_R。

进一步地，所述送端交流侧的额定电流

式中，P_dcN为直流输电子系统额定功率，U_NR为送端换流变压器高压侧母线额定电压。

进一步地，所述风电集群子系统、送端交流侧和直流输电子系统间的功率关系为：

P_acR+P_wind＝P_dc

式中，P_acR为送端交流侧向直流输电子系统输送的功率，P_wind为风电集群子系统向直流输电子系统输送的功率，P_dc为直流输电子系统实际运行功率。

进一步地，所述送端交流侧的短路电流

进一步地，所述送端交流侧电流

进一步地，所述大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法还包括对受端交流侧进行等值计算的过程，对受端交流侧进行等值计算的过程包括以下步骤：

受端交流侧向直流输电子系统只输送有功功率，不输送无功功率；设定I_I与U_I同方向，受端交流侧的各矢量满足如下关系：

U_I＝E_I+I_IR_I+jI_IX_I (7)

式中，j为虚数单位；E_I为受端交流侧的等值电势，R_I为受端交流侧的等值电阻，X_I为受端交流侧的等值电抗，U_I为受端换流变压器高压侧母线电压，I_I为受端交流侧的电流，I_SI为受端交流侧的短路电流；

直流输电子系统向受端交流侧输送额定直流功率时，计算受端交流侧的电流并将其定义为受端交流侧的额定电流I_NI；

将受端交流侧的短路电流I_SI与受端交流侧的额定电流I_NI模值之比定义为受端交流侧强度系数

根据受端交流侧和直流输电子系统间的功率和受端短路电流I_SI、受端交流侧的额定电流I_NI、受端交流侧强度系数k_I，以及公式(7)，结合大规模风电经特高压直流送出系统受端运行参数，可以求得系统受端交流侧等值参数E_I、R_I和X_I。

进一步地，所述受端交流侧的额定电流

式中，P_dcN为直流输电子系统额定功率，U_NI为受端换流变压器高压侧母线额定电压。

进一步地，所述受端交流侧和直流输电子系统间的功率关系为：

P_acI＝P_dc

式中，P_acI为直流输电子系统向受端交流侧输送的功率，P_dc为直流输电子系统实际运行功率。

进一步地，所述受端交流侧短路电流

进一步地，所述受端交流侧电流

有益效果：

本发明提出了一种大规模风电经特高压直流送出系统的交流侧建模方法，给出了系统各部分参数的计算方法，用于构建与系统工况相匹配的交流侧等值模型，可以适应多种工况的模拟需求，提升送出系统仿真精度。

附图说明

图1为送端交流侧等值电路图；

图2为送端交流侧矢量关系图；

图3为受端交流侧等值电路图；

图4为受端交流侧矢量关系图；

图5为k_R-R_R对应关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式为大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，所述方法包括以下步骤：

所述大规模风电经特高压直流送出系统包含送端交流侧子系统、受端交流侧子系统、直流输电子系统、风电集群子系统；将送端交流侧子系统简称送端交流侧，将受端交流侧子系统简称受端交流侧；

对送端交流侧进行等值计算：

等值电路参考附图1，附图1中，E_R为送端交流侧的等值电势，R_R为送端交流侧的等值电阻，X_R为送端交流侧的等值电抗，U_R为送端换流变压器高压侧母线电压，I_R为送端交流侧的电流，I_SR为送端交流侧的短路电流，上述变量的矢量关系参考附图2。计算时，基于以下条件：直流输电子系统整流器运行所需的无功功率均由无功补偿电容和滤波器组提供，风电集群子系统中风电机组都运行在单位功率因数。因此，送端交流侧向直流输电子系统只输送有功功率，不输送无功功率，因此可以设定I_R与U_R同方向。图2中的各矢量满足如下关系：

E_R＝I_RR_R+jI_RX_R+U_R (1)

式中，j为虚数单位。

送端交流侧向直流输电子系统输送额定直流功率时，送端交流侧的电流可根据式(2)计算，将其定义为送端交流侧的额定电流I_NR：

式中，P_dcN为直流输电子系统额定功率，U_NR为送端换流变压器高压侧母线额定电压。

风电集群子系统、送端交流侧和直流输电子系统间的功率关系为：

P_acR+P_wind＝P_dc (3)

式中，P_acR为送端交流侧向直流输电子系统输送的功率，P_wind为风电集群子系统向直流输电子系统输送的功率，P_dc为直流输电子系统实际运行功率。

进一步，送端交流侧电流I_R和送端交流侧的短路电流I_SR分别可表示为：

将送端交流侧的短路电流I_SR与送端交流侧的额定电流I_NR模值之比定义为送端交流侧强度系数k_R：

根据公式(1)-(6)，结合送出系统实际运行参数，可以求得送端交流侧等值参数E_R、R_R和X_R。

对受端交流侧进行等值计算：

受端交流侧等值电路参考附图3，附图3中，E_I为受端交流侧的等值电势，R_I为受端交流侧的等值电阻，X_I为受端交流侧的等值电抗，U_I为受端换流变压器高压侧母线电压，I_I为受端交流侧的电流，I_SI为受端交流侧的短路电流，上述变量的矢量关系参考附图4，计算时，基于以下条件：直流输电子系统逆变器运行所需的无功功率均由无功补偿电容和滤波器组提供，因此受端交流侧向直流输电子系统只输送有功功率，不输送无功功率，因此可以设定I_I与U_I同方向。图4中的各矢量满足如下关系：

U_I＝E_I+I_IR_I+jI_IX_I (7)

式中，j为虚数单位。

直流输电子系统向受端交流侧输送额定直流功率时，受端交流侧的电流可根据式(8)计算，将其定义为受端交流侧的额定电流I_NI：

式中，P_dcN为直流输电子系统额定功率，U_NI为受端换流变压器高压侧母线额定电压。

受端交流侧和直流输电子系统间的功率关系为：

P_acI＝P_dc (9)

式中，P_acI为直流输电子系统向受端交流侧输送的功率，P_dc为直流输电子系统实际运行功率。

进一步，受端交流侧电流I_I和受端交流侧短路电流I_SI分别可为：

将受端交流侧的短路电流I_SI与受端交流侧的额定电流I_NI模值之比定义为受端交流侧强度系数k_I：

根据公式(7)-(12)，结合大规模风电经特高压直流送出系统受端运行参数，可以求得系统受端交流侧等值参数E_I、R_I和X_I。

实施例

以送端交流侧为例，结合实施例演示建模计算流程。假定送端换流变压器高压侧母线额定电压U_NR＝525kV，直流输电子系统实际运行功率P_dc＝10000MW。根据式(2)可求得送端交流侧的额定电流I_NR。假定风电集群子系统向直流输电子系统输送的功率P_wind＝0，则根据式(3)，可求得送端交流侧向直流输电子系统输送的功率应为P_acR＝10000MW。

对于大规模风电经特高压直流送出系统，送端交流侧输电线路电压等级在500kV以上，根据工程经验，可以假定送端交流侧等值阻抗的阻抗角γ_R为84.5°，送端交流侧等值阻抗的阻抗角与送端交流侧的等值电阻、送端交流侧的等值电抗间的关系可用下式表示：

送端交流侧强度系数k_R送端交流侧的短路电流I_SR与送端交流侧的额定电流I_NR模值之比，反映了送端交流侧的电压支撑能力。在不考虑风电集群子系统的短路容量贡献时，可以认为送端交流侧强度系数k_R近似等于送端交流侧的短路比(SCR,short circuitratio)，本实施例假定送端交流侧的短路比SCR＝2.5，因此送端交流侧强度系数k_R＝2.5。

至此，联立式(1)至式(6)，可化简得到关于R_R的一元方程，但实际求解R_R时，可能出现R_R没有实数解的情况。针对此问题，采用下述方法可以获得满足工程精度需要的实数解。首先联立式(1)至式(6)，获得R_R-k_R关系函数，然后根据工程实际确定R_R取值范围，本实施例假定1≤R_R≤5，接着选取适当的精细程度，可以得到k_R-R_R间的对应关系图，如附图5所示，根据k_R关于R_R的变化关系，结合k_R-R_R对应关系图，可以方便地选取R_R＝1.2，此时对应k_R＝2.5037，与预期的k_R假设值的误差为0.148％，可满足工程实际对精度要求。

进一步，结合式(1)至式(6)，求得完整的送端交流侧的等值参数：以送端换流变压器高压侧母线额定电压为相角基准，U_NR＝525∠0°kV，R_R＝1.2Ohm，L_R＝0.0397H，E_R＝597.07∠23.42°kV。

上述实施例对应送出系统运行在额定工况的场景，对于实际的送出系统，直流输电子系统实际运行功率、风电集群子系统向直流输电子系统输送的功率和送端交流侧的短路比均会发生变化，因此对于送出系统运行在非额定工况的场景，送端交流侧的等值模型也应该与实际运行状态相匹配，以满足多样化工况的模拟需求。前述分析已说明，通过联立(1)至式(6)求解时，可能出现没有实数解的情况，因此，每当系统运行状态变化时，都需要重新按照实施例中演示的求解步骤确定各等值参数，计算量较大，为解决此问题，本文发明提出可以进一步通过建立送端交流侧等值参数典型取值库的方法以减小计算量。

假定如下需求：某仿真研究需要分析当风电集群向直流输电子系统输送的功率固定为0，送端交流侧的短路比固定为2.5，直流输电子系统运行功率不同时，送出系统的特性。那么根据工程经验，可建立如表1所示的送端交流侧等值参数典型取值库，取值库中包含了10组典型送端交流侧等值参数，每组参数对应着不同的直流输电子系统实际运行功率P_dc，差异度为10％(额定功率)，覆盖了直流输电子系统从最低运行功率至额定运行功率的全部工况，在做仿真研究时，可以在取值库中就近选择等值参数进行建模，相比于只选用额定工况下的等值参数进行建模，既可以提升精度，又无需每次改变工况时都重新计算等值参数。上述实施例所演示的参数库建立方法仅为满足假定的需求所建立，在实际应用时，应该根据需求灵活建立参数典型取值库。

表1系统送端等值参数典型取值库(k_R＝2.5，P_wind＝0)

对于受端交流侧的计算流程，可以参考上述实施例中送端交流侧的计算流程，计算时应该采用本发明中的公式(6)～(12)。同样地，可以参考送端交流侧等值参数典型取值库的建立方法，建立与之相对应的受端交流侧等值参数典型取值库。

综上，本发明提出了一种大规模风电经特高压直流送出系统建模方法，用于计算与送出系统工况相匹配的送端交流侧和受端交流侧的等值参数，可以适应多种工况的分析需求，改进了传统方法只针对额定工况进行建模，在非额定工况下存在较大误差的缺点，有效提升了精度。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，所述大规模风电经特高压直流送出系统包含送端交流侧子系统、受端交流侧子系统、直流输电子系统、风电集群子系统；将送端交流侧子系统简称送端交流侧，将受端交流侧子系统简称受端交流侧；

其特征在于，所述大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法包括对送端交流侧进行等值计算的过程，对送端交流侧进行等值计算的过程包括以下步骤：

直流输电子系统整流器运行所需的无功功率均由无功补偿电容和滤波器组提供，风电集群子系统中风电机组都运行在单位功率因数；送端交流侧向直流输电子系统只输送有功功率，不输送无功功率；设定I_R与U_R同方向，送端交流侧的各矢量满足如下关系：

E_R＝I_RR_R+jI_RX_R+U_R (1)

式中，j为虚数单位；E_R为送端交流侧的等值电势，R_R为送端交流侧的等值电阻，X_R为送端交流侧的等值电抗，U_R为送端换流变压器高压侧母线电压，I_R为送端交流侧的电流；

送端交流侧向直流输电子系统输送额定直流功率时，计算送端交流侧的电流并将其定义为送端交流侧的额定电流I_NR；

将送端交流侧的短路电流I_SR与送端交流侧的额定电流I_NR模值之比定义为送端交流侧强度系数

根据风电集群子系统、送端交流侧和直流输电子系统间的功率关系和送端交流侧的短路电流I_SR、送端交流侧的额定电流I_NR、送端交流侧强度系数k_R，以及公式(1)，结合送出系统实际运行参数，求得送端交流侧等值参数E_R、R_R和X_R。

2.根据权利要求1所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述送端交流侧的额定电流

式中，P_dcN为直流输电子系统额定功率，U_NR为送端换流变压器高压侧母线额定电压。

3.根据权利要求2所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述风电集群子系统、送端交流侧和直流输电子系统间的功率关系为：

P_acR+P_wind＝P_dc

式中，P_acR为送端交流侧向直流输电子系统输送的功率，P_wind为风电集群子系统向直流输电子系统输送的功率，P_dc为直流输电子系统实际运行功率。

4.根据权利要求3所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述送端交流侧的短路电流

5.根据权利要求4所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述送端交流侧电流

6.根据权利要求1至5之一所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法还包括对受端交流侧进行等值计算的过程，对受端交流侧进行等值计算的过程包括以下步骤：

受端交流侧向直流输电子系统只输送有功功率，不输送无功功率；设定I_I与U_I同方向，受端交流侧的各矢量满足如下关系：

U_I＝E_I+I_IR_I+jI_IX_I (7)

式中，j为虚数单位；E_I为受端交流侧的等值电势，R_I为受端交流侧的等值电阻，X_I为受端交流侧的等值电抗，U_I为受端换流变压器高压侧母线电压，I_I为受端交流侧的电流，I_SI为受端交流侧的短路电流；

直流输电子系统向受端交流侧输送额定直流功率时，计算受端交流侧的电流并将其定义为受端交流侧的额定电流I_NI；

将受端交流侧的短路电流I_SI与受端交流侧的额定电流I_NI模值之比定义为受端交流侧强度系数

根据受端交流侧和直流输电子系统间的功率和受端短路电流I_SI、受端交流侧的额定电流I_NI、受端交流侧强度系数k_I，以及公式(7)，结合大规模风电经特高压直流送出系统受端运行参数，可以求得系统受端交流侧等值参数E_I、R_I和X_I。

7.根据权利要求6所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述受端交流侧的额定电流

式中，P_dcN为直流输电子系统额定功率，U_NI为受端换流变压器高压侧母线额定电压。

8.根据权利要求7所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述受端交流侧和直流输电子系统间的功率关系为：

P_acI＝P_dc

式中，P_acI为直流输电子系统向受端交流侧输送的功率，P_dc为直流输电子系统实际运行功率。

9.根据权利要求8所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述受端交流侧短路电流

10.根据权利要求9所述的大规模风电经特高压直流送出系统交流侧建模方法，其特征在于，所述受端交流侧电流

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