多端vsc-hvdc并網系統的可靠性計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于直流輸電系統可靠性計算方法技術領域，具體涉及多端VSC-HVDC并 網系統可靠性計算方法。
【背景技術】
[0002] 隨著風電場規模的增大，風電場采用交流或LCC-HVDC并網遇到了很多技術瓶頸， 而VSC-HVDC技術可以克服和緩解并網時存在的諸多問題：首先，VSC-HVDC在傳輸有功功 率的同時，還能靈活地調節與之相連的交流系統電壓；其次，VSC-HVDC能夠給風電場提供 良好的動態無功補償，避免了風電場無功補償裝置和設備的投資，同時還能提升風電場的 故障穿越能力；最后，VSC-HVDC還能防止風電場的電壓波動對交流系統的影響，同時也能 改善風電場對系統波動的抗干擾能力。因此VSC-HVDC已成為目前國際上公認的大規模風 電場并網的最佳選擇。特別是多端VSC-HVDC技術，憑借其靈活可控的特點將會成為未來 風電場并網的主要方式。目前，國內外關于VSC-HVDC技術的研究較多，主要集中在電氣建 模、仿真、優化控制和保護策略等方面，而針對VSC-HVDC工程可靠性方面的研究較少，加上 VSC-HVDC工程常用于風電場并網，有必要對風電場VSC-HVDC并網工程的潛在風險進行可 靠性評估，才能推動VSC-HVDC技術的健康發展。
[0003] 針對基于電流源換流器的傳統直流輸電（LCC-HVDC)，VSC-HVDC在潮流反轉時，不 需要改變電壓極性就可以實現電流方向反轉，因此非常有利于構成多端VSC-HVDC系統。隨 著近年來風能、太陽能等可再生能源的興起，以及將直流并網用于風電場的技術日益成熟， 多端VSC-HVDC系統受到了越來越多的關注。世界上已有多個多端VSC-HVDC工程投入使 用。我國于2013年投入運行了世界上第一個多端VSC-HVDC工程--廣東南澳VSC-HVDC 示范工程；2014年投入運行了浙江舟山五端VSC-HVDC示范工程。與兩端VSC-HVDC系統相 比，多端VSC-HVDC系統能夠實現多電源供電、多落點受電，因此其運行方式更加靈活多變， 具有更高的經濟性與可靠性。特別是隨著風電場規模的增大，采用多端VSC-HVDC輸電的優 勢更加明顯，它可以將多個風電場連接起來，構成直流網絡，提高風電場的風能利用率。但 目前國內外針對多端VSC-HVDC系統的可靠性研究較少。
[0004] 目前國內外對多端VSC-HVDC系統的研究主要集中在電氣建模仿真上，而對多端 VSC-HVDC系統可靠性方面的研究較少。期刊《電網技術》2009年第33卷第18期"大規模 近海風電場VSC-HVDC并網拓撲及其控制"詳細介紹了風電場采用多端VSC-HVDC并網的拓 撲方式，并設計了相應的控制策略。期刊《現代電力》2013年第30卷第6期"多端直流輸 電系統可靠性評估方法研究"通過對多端VSC-HVDC系統進行子系統劃分，根據狀態空間法 提出了一種適用于多端VSC-HVDC系統可靠性評估的等效模型，對系統各設備的參數進行 靈敏度分析。
[0005] 當前國內外研究幾乎沒有考慮VSC-HVDC系統處于STATC0M狀態時能夠對風電 場或交流系統進行動態無功功率補償，直接采用正常和故障兩狀態模型對其進行建模，根 本沒有體現VSC-HVDC系統的優點和價值。另外，上述文獻都是采用解析法直接對多端 VSC-HVDC系統進行可靠性建模，計算量大，且難以反映風電場采用多端VSC-HVDC并網的實 際運行情況，比如多端VSC-HVDC系統的某一端故障時，不影響其他端的正常運行；而且，未 計及風電場出力與VSC-HVDC系統的元件故障具有時序相關性的特點。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是，針對現有VSC-HVDC系統可靠性計算方法的不足，提供一種 VSC-HVDC并網系統的可靠性計算方法，本方法更為通用，不僅能夠計算兩端VSC-HVDC并網 系統可靠性，還能夠計算多端VSC-HVDC并網系統可靠性；能夠考慮VSC-HVDC系統對風電場 或交流系統的無功補償能力；能夠考慮風電場出力和VSC-HVDC系統元件故障間的時序相 關性的特點。
[0007] 為了實現上述目的，本發明提供了一種將Markov法和MonteCarlo法相結合的多 端VSC-HVDC并網系統可靠性評估的混合法。首先根據多端VSC-HVDC系統的接線特點和 各組成元件的功能將并網系統劃分為不同的子系統，包括風電場子系統、整流端子系統、逆 變端子系統以及傳輸線路子系統，分別建立各子系統的Markov模型；然后基于時序Monte Carlo法計算系統可靠性指標。另外，為了刻畫風電場出力間歇性對VSC-HVDC并網系統可 靠性的影響以及VSC-HVDC系統的無功補償能力，建立了多端VSC-HVDC并網系統可靠性評 估指標體系。本發明的可靠性計算方法具體步驟如下：
[0008]A、采用解析法對多端VSC-HVDC并網系統進行子系統劃分及可靠性建模；
[0009] 對于多端VSC-HVDC系統而言，由于其元件數量較多且運行狀況復雜，若直接對其 進行建模和求解比較困難，因此可以借鑒常規高壓直流輸電系統可靠性評估中基于子系統 劃分的思想。子系統劃分方法是一種簡化且精度更高的方法，在直流輸電系統可靠性評估 中得到了廣泛應用。
[0010] 以三端VSC-HVDC并網系統為例，首先根據其并網拓撲和各組成部分的功能進行 子系統劃分，主要分為風電場子系統、整流端子系統、逆變端子系統以及直流線路子系統， 如圖1所示。然后分別對各子系統建立Markov等效模型，能有效降低建模復雜度。
[0011] ①風電場子系統
[0012] 風電場子系統的功能是將風能轉化為電能，經變壓器升壓后輸送到換流站。風電 場出力主要受到風機以及與之相連的升壓變壓器的影響。把風機模型和升壓變壓器模型進 行組合，得到風電場子系統的多狀態Markov模型，如圖2所示。圖中，括號里的數字（1)、 (2)、（3)、（4)代表風電場子系統的狀態；1表示風機，2表示升壓變壓器；λ^Ρμi分別為 風機的故障率和修復率；λ2和μ2分別為升壓變壓器的故障率和修復率。
[0013] 將圖2進行化簡后得到風電場子系統的等效兩狀態Markov等效模型，如圖3所 不。
[0014] ②整流端子系統
[0015] 整流端子系統的功能是將風電場輸送過來的電能經聯接變壓器變壓后并經過換 流器整流，然后通過直流輸電線路輸送出去。整流端子系統主要包括聯接變壓器、交流濾波 器、相電抗器、電壓源換流器、直流電容以及控制保護裝置等。
[0016] 根據上述兩元件的模型組合過程，將組合后的結果繼續和其他元件進行再次組 合，最終得到整流端子系統的等效兩狀態Markov模型，如圖4所示。
[0017] ③逆變端子系統
[0018] 逆變端子系統的功能是將直流輸電線路輸送過來的直流逆變為交流，最后接入交 流系統。與整流端子系統類似，逆變端子系統也主要包括聯接變壓器、交流濾波器、相電抗 器、電壓源換流器、直流電容以及控制保護裝置等。逆變端子系統的建模過程同整流端子系 統一致，此處不再贅述。圖5給出了逆變端子系統的等效兩狀態Markov模型。
[0019] ④直流線路子系統
[0020] 直流輸電線路可以將兩個換流器互聯，具備有功功率交換的能力，可以進行有功 潮流的傳輸。為了減少直流輸電線路故障，VSC-HVDC系統通常采用電纜作為輸電線路。
[0021] 當直流輸電線路工作正常時，此時VSC-HVDC系統既可以傳輸有功功率，又可以與 風電場或交流系統進行無功功率交換，改善交流側電網的運行環境；
[0022] 當直流輸電線路發生永久性故障（包括斷線故障、單極接地故障以及雙極短路故 障）時，需要立