一種基于風(fēng)電場(chǎng)的vsc-hvdc并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并 網(wǎng)系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著環(huán)境污染的日益惡化W及傳統(tǒng)能源的日漸枯竭，我國(guó)逐漸重視對(duì)可再生能源 的開(kāi)發(fā)利用。風(fēng)能是近年來(lái)發(fā)展最快的可再生能源，具有資源豐富、清潔無(wú)污染W(wǎng)及開(kāi)發(fā) 成本低等優(yōu)勢(shì)。在風(fēng)電傳輸方式中，目前采用較多的是基于電壓源換流器（VSC)的高壓直 流輸電（HVDC)技術(shù)，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)組織將其命名為VSC-HVDC，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一命名為柔性直流輸 電。相比基于電流源換流器化CC-HVDC)的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，VSC-HVDC具有諧波水平低、 不需要無(wú)功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，使得VSC-HVDC技術(shù)在連接風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方面具有一定的優(yōu)越 性，特別適用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娘L(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。
[0003] 當(dāng)前，世界各國(guó)都在開(kāi)發(fā)和利用VSC-HVDC技術(shù)。國(guó)外在20世紀(jì)末就開(kāi)始運(yùn)方面 的研究，包括瑞典的哥特蘭工程、丹麥的泰伯格工程W及德國(guó)的北海風(fēng)電場(chǎng)工程。我國(guó)起步 較晚，于2008年開(kāi)始VSC-HVDC關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程實(shí)施，并于2011年成功試運(yùn)行了 上海南匯風(fēng)電場(chǎng)VSC-HVDC示范工程。2013年世界上第一個(gè)多端VSC-HVDC工程--廣東南 澳±160kV多端VSC-HVDC示范工程也正式投入運(yùn)行。運(yùn)些示范工程為我國(guó)今后風(fēng)電場(chǎng)的 并網(wǎng)提供了技術(shù)支撐和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，也預(yù)示著VSC-HVDC將成為我國(guó)電網(wǎng)的重要組成部分。開(kāi) 展和研究基于VSC-HVDC的風(fēng)電場(chǎng)可靠性評(píng)估模型和算法，對(duì)于我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展有著 重要的意義。
[0004] 由于風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性，需建立正確的可靠性模型進(jìn)行分析，目前主要包 括解析法和模擬法。期刊《電力自動(dòng)化設(shè)備》2010年第30卷第10期"基于解析法的風(fēng)電 場(chǎng)可靠性模型"提出了一種基于解析法的風(fēng)電場(chǎng)可靠性模型，但沒(méi)有充分考慮風(fēng)速的時(shí)序 性和自相關(guān)性；期刊《電力系統(tǒng)保護(hù)與控制》2013年第41卷第8期"一種用于序貫蒙特卡 羅仿真的風(fēng)機(jī)多狀態(tài)可靠性模型"建立了風(fēng)電場(chǎng)的多狀態(tài)可靠性模型，采用時(shí)序蒙特卡羅 法進(jìn)行仿真，但是把風(fēng)速的隨機(jī)性轉(zhuǎn)移到風(fēng)機(jī)出力上。
[0005] 目前關(guān)于交流輸電系統(tǒng)和傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估的研究相對(duì)成熟，但是 對(duì)基于VSC-HVDC的風(fēng)電場(chǎng)可靠性研究甚微。期刊《電力系統(tǒng)保護(hù)與控制》2009年第36卷 第21期"基于抑法和模型組合的柔性直流輸電可靠性評(píng)估"在抑法和模型組合的基礎(chǔ)上 對(duì)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估，但沒(méi)有考慮VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的STATC0M運(yùn)行 狀態(tài)，直接把VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)成常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，采用兩狀態(tài)模型對(duì)其進(jìn)行建模， 根本沒(méi)有體現(xiàn)VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和價(jià)值。而且當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)采用VSC-HVDC并網(wǎng)時(shí)，現(xiàn) 有文獻(xiàn)均沒(méi)有考慮風(fēng)電場(chǎng)出力間歇性的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是，提供一種基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法，該 發(fā)明計(jì)及風(fēng)速的時(shí)序性和自相關(guān)性及風(fēng)機(jī)隨機(jī)故障，并考慮了電壓源換流器的備用設(shè)計(jì)W及VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的STATCOM狀態(tài)，考慮了風(fēng)電場(chǎng)出力間歇性的影響，定義了衡量 基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，該發(fā)明能夠更準(zhǔn)確地反映基于風(fēng)電場(chǎng)的 VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，并能準(zhǔn)確反映VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)和交流系 統(tǒng)的匹配程度，可W更合理地確定風(fēng)機(jī)功率和VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的配置。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并網(wǎng)系 統(tǒng)可靠性計(jì)算方法，其關(guān)鍵在于包括W下步驟：
[0008] a:建立風(fēng)電場(chǎng)時(shí)序輸出功率的多狀態(tài)Markov模型，該步驟包括：
[0009] 計(jì)及風(fēng)速的時(shí)序性和自相關(guān)性，采用自回歸滑動(dòng)平均（ARMA)模型對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù) 測(cè)，根據(jù)該預(yù)測(cè)模型建立風(fēng)速模型；
[0010] 根據(jù)所建立的風(fēng)速模型建立風(fēng)機(jī)輸出功率模型；
[0011] 風(fēng)機(jī)采用正常-故障兩狀態(tài)模型，采用時(shí)序蒙特卡羅法對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的正常-故障 兩狀態(tài)模型進(jìn)行抽樣，然后組合風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的兩狀態(tài)模型，得到該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng) 機(jī)運(yùn)行-故障的時(shí)序狀態(tài)模型；
[0012] 根據(jù)風(fēng)機(jī)輸出功率模型和風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的運(yùn)行-故障的時(shí)序狀態(tài)模型，得到 風(fēng)電場(chǎng)的多狀態(tài)時(shí)序輸出功率模型，采用K-均值聚類法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的多狀態(tài)時(shí)序輸出功率 模型進(jìn)行功率狀態(tài)劃分，提高計(jì)算效率； 陽(yáng)01引 b:建立計(jì)及STATC0M狀態(tài)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)Markov模型，該步驟包括：
[0014] VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的聯(lián)接變壓器、交流濾波器、相電抗器、直流電容W及控制保護(hù) 裝置采用正常-故障兩狀態(tài)Markov模型；
[0015] VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓源換流器采用1使用1備用設(shè)計(jì)，電壓源換流器采用"運(yùn) 行-停運(yùn)-修復(fù)-安裝-運(yùn)行"的過(guò)程來(lái)模擬，建立兩個(gè)電壓源換流器的運(yùn)行-備用五狀態(tài) 模型，計(jì)算電壓源換流器處于各個(gè)狀態(tài)的概率和頻率；再將電壓源換流器的五狀態(tài)模型進(jìn) 行合并，得到電壓源換流器的正常-故障兩狀態(tài)模型；
[0016] VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的直流輸電線路采用正常、故障和STATC0MS狀態(tài)Markov模 型，直流輸電線路的STATC0M狀態(tài)用于表示直流輸電線路斷開(kāi)時(shí)，VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)可作 為獨(dú)立的STATC0M運(yùn)行的狀態(tài)；
[0017] 組合VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的所有元件模型，建立VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性模型， 將相同狀態(tài)模型進(jìn)行合并，得到故障-正常-STATC0M狀態(tài)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性模 型；
[0018] C :建立基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性模型及指標(biāo)，該步驟包括：
[0019] 根據(jù)步驟a建立的風(fēng)電場(chǎng)時(shí)序輸出功率的多狀態(tài)Markov模型和步驟b建立的計(jì) 及STATC0M狀態(tài)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)Markov模型，歸并后得到基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并 網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型；
[0020] 考慮風(fēng)電場(chǎng)出力間歇性的影響，排除當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力較小或?yàn)榱銜r(shí)，不影響系統(tǒng)可 靠性的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部元件故障指標(biāo)；
[0021] 定義基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的評(píng)估指標(biāo)，該評(píng)估指標(biāo)用于衡量 風(fēng)電場(chǎng)和VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的匹配程度，該評(píng)估指標(biāo)包括：
[0022] 風(fēng)電場(chǎng)等值有功功率：用于表示計(jì)入風(fēng)速特性和風(fēng)機(jī)故障后風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的等值有 功功率；
[0023]并網(wǎng)系統(tǒng)等值有功功率：用于表示在風(fēng)電場(chǎng)等值有功功率的基礎(chǔ)上，再計(jì)入 VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)元件故障后風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的等值有功功率；
[0024]等值風(fēng)能利用率：用于表示計(jì)入VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)元件故障后的VSC-HVDC并網(wǎng) 系統(tǒng)傳輸有功功率能力；
[00巧]無(wú)功調(diào)節(jié)度：用于表示VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)向風(fēng)電場(chǎng)或者電網(wǎng)提供無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪?力；
[0026] d:通過(guò)基于風(fēng)電場(chǎng)的VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)基于風(fēng)電場(chǎng)VSC-HVDC 并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。
[0027]進(jìn)一步地，所述的步驟a包括： 陽(yáng)02引 al :計(jì)及風(fēng)速的時(shí)序性和自相關(guān)性，首先采用自回歸滑動(dòng)平均（ARM)模型對(duì)風(fēng)速 進(jìn)行預(yù)測(cè)，所用公式為：
[oow]
U)
[0030] 公式（1)中，y康示t時(shí)刻的序列值，巧,(/=1，玄，…，巧)和目j (j = 1， 2,…，m)分別表示自回歸系數(shù)和滑動(dòng)平均參數(shù)，Et是均值為0方差為0 2的高斯白噪聲，etENID(0，02)，NID服從正態(tài)分布，上式可W簡(jiǎn)記為ARMA(n，m)，
[0031] 根據(jù)所述自回歸滑動(dòng)平均（ARIA)模型建立風(fēng)速模型，所述風(fēng)速模型采用公式（2) 表不， 齡32] SWt= y t+o tyt 似 陽(yáng)〇3引公式似中SWt代表風(fēng)速，y t、。t分別為t時(shí)刻風(fēng)速的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差；
[0034]通過(guò)對(duì)大部分地區(qū)的實(shí)測(cè)歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可W發(fā)現(xiàn)風(fēng)速分布具有一定的 規(guī)律。采用自回歸滑動(dòng)平均（ARMA)模型對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，可W進(jìn)一步考慮風(fēng)速的時(shí)序性和 自相關(guān)性。風(fēng)速是影響風(fēng)電場(chǎng)功率輸出的最主要因素之一，建立風(fēng)速模型，能夠反映出風(fēng)電 場(chǎng)功率輸出特性的概率。
[0035] a2 :根據(jù)所建立的風(fēng)速模型建立風(fēng)機(jī)輸出功率模型，
[0036]風(fēng)機(jī)輸出功率模型采用公式（3)表示，
[0037]
(3) 陽(yáng)03引公式做中，Vt為t時(shí)刻風(fēng)速，既由步驟al所確定的SW t，P (t)為t時(shí)刻風(fēng)機(jī)輸出 功率，Pf為風(fēng)機(jī)額定功率，V。1、Vf和V。。分別為風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速，A、B和 C為模型參數(shù)，采用公式（4)計(jì)算，
[00 例
（4)
[0040] 由于風(fēng)能具有間歇性和隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的出力隨風(fēng)速變化而變化，且風(fēng)電場(chǎng)出 力與風(fēng)速并不是線性關(guān)系，建立風(fēng)機(jī)功率輸出曲線函數(shù)用于描述風(fēng)機(jī)出力與風(fēng)速的關(guān)系。
[0041] a3:風(fēng)機(jī)采用正常-故障兩狀態(tài)模型，采用時(shí)序蒙特卡羅法對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的正常-故 障兩狀態(tài)模型進(jìn)行抽樣，然后組合風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的兩狀態(tài)模型，得到該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有 風(fēng)機(jī)運(yùn)行-故障的時(shí)序狀態(tài)模型；
[0042]曰4 :根據(jù)風(fēng)機(jī)輸出功率模型和風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)的運(yùn)行-故障的時(shí)序狀態(tài)模型， 得到風(fēng)電場(chǎng)的多狀態(tài)時(shí)序輸出功率模型，采用K-均值聚類法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的多狀態(tài)時(shí)序輸出 功率模型進(jìn)行功率狀態(tài)劃分，提高計(jì)算效率；
[0043] 所述的K-均值聚類法采用公式（5)表示的準(zhǔn)則函數(shù)，
[0044]
(巧
[0045] 公式巧）中，k表示聚類個(gè)數(shù)；表示屬于風(fēng)機(jī)輸出功率的第i類的樣本數(shù)據(jù)；C1 表示風(fēng)機(jī)輸出功率的第i個(gè)聚類中屯、。
[0046] 所述步驟a的效果是：建立風(fēng)電場(chǎng)多狀態(tài)時(shí)序輸出功率可靠性模型是評(píng)價(jià)風(fēng)電場(chǎng) 對(duì)電網(wǎng)可靠性貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)，能夠反映出風(fēng)電場(chǎng)多狀態(tài)時(shí)序輸出功率特性的概率。本步驟克 服現(xiàn)有解析法的不足，計(jì)及風(fēng)速特性和風(fēng)機(jī)隨機(jī)故障，能夠計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)容量停運(yùn)的頻率指 標(biāo)，且計(jì)算時(shí)間少。
[0047] 進(jìn)一步地，所述的步驟b包括：
[0048] bl :VSC-HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的聯(lián)接變壓器、交流濾波器、相電抗器、直流電容W及控制 保護(hù)裝置采用正常-故障兩狀態(tài)Markov模型，所述元件處于每種狀態(tài)的概率和頻率分別 為：
[005引公式化)-(9)