一種含大規模新能源的大型互聯電網的外網等值方法
【專利摘要】本發明公開了一種含大規模新能源的大型互聯電網的外網等值方法，包括步驟：1)網絡劃分及等值網的形成；2)等值網絡需求參數的確定；3)注入電流源計算；4)導納矩陣參數計算；5)諾頓戴維南轉換；6)電壓源電勢修正。本發明方法考慮了新能源接入地區電網對電壓支撐能力的要求，克服了大型互聯電網信息量大的問題，具有計算簡單且計算速度快的優點。
【專利說明】
一種含大規模新能源的大型互聯電網的外網等值方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力系統領域，尤其是指一種含大規模新能源的大型互聯電網的外網 等值方法。
【背景技術】
[0002] 隨著經濟社會發展和人民生活水平的提高，中國未來能源消耗還將不斷增長，化 石能源供應壓力不斷加大，而以煤炭為主的化石能源的大量使用已經引起了災難性的環境 后果。為了應對全球能源發展的危機，以風電和光伏為主的清潔能源得到了快速發展。截至 2013年底，我國風電和光伏裝機容量均已位列世界第一。然而，2015年底全國能源局數據顯 示，我國的總體棄風棄光率超過10%。新能源并網引起的電壓波動是制約其上網的主要因 素之一，對大規模新能源接入電網的電壓問題研究是解決棄風棄光問題的一大突破口。
[0003] 我國的新能源并網利用呈現出大規模集中開發，遠距離輸送態勢。省與省之間的 電網互聯構成了大型互聯電網。新能源接入地區的電壓穩定性不僅受控制策略和無功補償 裝置的影響，還與電網的電源支撐能力密切相關。大型互聯電網的數據模型通常只有PSASP 模型或者BPA模型，缺乏用于電磁暫態分析的PSCAD模型。為減少網絡規模，同時提高計算速 率，對大規模新能源接入地區電網的電壓研究迫切需要建立外部大型互聯電網的等效模 型，同時要求等值后的模型能真實反映外網的電壓支撐能力。
[0004] 目前廣泛應用的外網等值法是WARD等值法及其改進算法，大多基于WARD原理。而 WARD等值實質是對外部網絡線性代數方程的高斯消去，其計算需要網絡的全部節點和支路 信息，對于大型的互聯電網，計算量巨大。且其改進算法大多是在WARD等值基礎上基于最小 二乘原理的改進，計算較為繁瑣。因此亟需一種針對含大規模新能源的大型互聯電網且滿 足技術要求(計算效率高且能真實反映外網的電壓支撐能力）的電網等值方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種含大規模新能源的大型互聯電 網的外網等值方法，該方法考慮了新能源接入地區電網對電壓支撐能力的要求，克服了大 型互聯電網信息量大的問題，具有計算簡單且計算速度快的優點。
[0006] 為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種含大規模新能源的大型互聯 電網的外網等值方法，包括以下步驟：
[0007] 1)網絡劃分及等值網的形成
[0008] 將所要研究的新能源接入地區確定為內部網絡，內部網絡之外均為外部網絡，在 全網數據模型中去掉內部網絡的節點和支路，等值網絡為保留的外部網絡；
[0009] 2)等值網絡需求參數的確定
[0010] 步驟1)得到的等值網絡將等值為一個僅包含邊界節點的多端網絡，需要求得的參 數有邊界節點的等值注入電流源和邊界節點的導納矩陣；
[0011] 3)注入電流源計算
[0012] 根據節點電壓方程rf = I若邊界節點同時設置三相短路接地，全部邊界節點的 電壓同時為零，此時PSASP計算得到的邊界節點短路電流值與注入電流源的電流參數相等；
[0013] 4)導納矩陣參數計算
[0014] 設置邊界節點依次發生三相短路接地，能依次獲得短路點的電流及非故障邊界節 點的短路電壓，假設邊界節點個數為n，步驟3)求得的第i個邊界節點的注入電流源參數用 名表示。第i個邊界節點為短路點時，PSASP計算所得的短路點電流用&表示，PSASP計算得 到的第j個邊界節點短路電壓用表示，所有邊界節點依次三相短路計算后，根據節點電 壓方程和矩陣運算規則，可得：
[0015；
[0016] 由矩陣逆運算可得：
[0017]
[00?8]設邊界節點i和j之間的互導納用yij表示，邊界節點i的自導納用yii表示，貝lj:
[0019] Yii = yii+yi2+."+yii+."+yin
[0020] Yij = -yij(i^ j&l^i , j^in)
[0021]邊界節點i和j之間無支路時，yij為0,結合以上公式及步驟3)的結果，在matlab軟 件中輸入數據及算法公式計算得到等值網絡的導納矩陣參數形式如下：
[0022]
[0023]此導納矩陣是一個對稱矩陣，以上矩陣只標識出上三角元素和對角線元素，其下 三角元素與上三角元素對稱相同；
[0024] 5)諾頓戴維南轉換
[0025] 將步驟3)、4)求得的等值網絡邊界節點注入電流、邊界節點自導納和邊界節點互 導納轉換成電壓源和阻抗彡式，轉換公式為：
[0026]
[0027] 6)電壓源電勢修正
[0028] 考慮到步驟1)至5)的計算中邊界節點等值注入量未計及內網的影響，因此步驟5)中 的邊界節點的電壓源支路中電勢需要進行修正，修正方法如下:首先，PSASP進行全網潮流計 算得到外網邊界節點的電壓4 0=1;........._和外網與內網聯絡線的電流士 _!!>， 然后通過下面一組方程式得到修正后的電勢2......_，方程式中由于導納矩陣的對稱性，Zlj = Zjl，方程式的通用表達式如下：
[0029]
[0030] 1一丄一，u
[0031]可列出η個方程，獲得η個邊界節點的修正電勢。
[0032] 本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：
[0033] 1、計算效率高:利用PSASP短路計算獲取邊界節點的短路電流和電壓，計算次數僅 受邊界節點的個數影響，矩陣維數不受網絡規模影響，僅與邊界節點的個數相關。
[0034] 2、計算所需的信息少:本發明方法僅需知道外網邊界節點的短路電流和電壓值， 以及聯絡線對邊界節點的注入電流，而無需獲取整個網絡的節點和支路信息進行類似WARD 等值法的矩陣計算。
[0035] 3、適應性好:本發明方法能真實反映外網的電壓支撐能力，并且戴維南支路形式 的電壓支撐相對于功率注入形式和電流源形式，對于網絡狀態變化具有更好的適應性，有 利于分析接入大規模新能源的電網狀態變化時的電壓問題。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明實施例中內外網絡分割之后的內部網絡大規模新能源接入地區的拓 撲結構圖。
[0037]圖2為本發明實施例中外網三個邊界節點電流源形式等值圖。
[0038]圖3為本發明實施例中外網三個邊界節點戴維南支路形式等值圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0040] 以西北六省電網為例，內部網絡為寧夏局部新能源發電網，如圖1所示，中衛、迎水 橋、香山分別接入新能源容量為140MW、303MW和277.5MW。外部網絡為西北六省電網除去內 部網絡的區域互聯電網，其邊界節點分別為甘石城、棗園和寧安。對外部等值網絡應用本發 明的含大規模新能源的大型互聯電網的外網等值方法，具體包括以下步驟：
[0041] 1)網絡劃分及等值網的形成
[0042] 將所要研究的寧夏局部新能源發電網確定為內部網絡，內部網絡包含的變電站節 點為凱歌、中衛、迎水橋、沙坡頭水電站、香山和宣和，其余西北六省網絡為外部網絡。在 PSASP西北六省全網數據模型中去掉內部網絡的節點和支路，利用PSASP復雜故障模塊，對 內部網絡所有聯絡線用三相斷線的形式去除內網，包含凱歌、中衛、迎水橋、宣和、香山及沙 坡頭水電站之間相連的9條線路，每條線路兩端點處三相斷線。PSASP中剩余的網絡即為需 等值的外部網絡。
[0043] 2)等值網絡需求參數的確定
[0044] 由于等值網絡的邊界節點為甘石城、棗園和寧安這3個節點，編號分別為1，2,3。需 要獲得的參數有這3個節點的等值注入電流源/為、為和邊界節點之間的互導納y 12、y13、 y23及邊界節點的自導納711、722、733。如圖2虛線框中所示。
[0045] 3)注入電流源計算
[0046] 設置3個邊界節點甘石城、棗園、寧安同時發生三相短路接地，則這3個邊界節點的 電壓都為0,圖2所示的等值支路上沒有電流，則測得的3個邊界節點的短路電流與等值電流 源/,.、/ 2、/』大小相等，方向相反。由此，求得注入電流源參數。
[0047] 4)導納矩陣參數計算
[0048]設置3個邊界節點依次發生三相短路接地，如設置甘石城發生三相短路接地， PSASP短路計算可獲得甘石城的短路電流，設為&，以及甘石城，棗園和寧安的電壓，分別設 為;設置棗園發生三相短路接地，PSASP計算得到棗園的短路電流，設為4， 以及甘石城，棗園和寧安的電壓，分別設為R2 I%2 > ;設置寧安發生三相短路接地， PSASP計算得到寧安的短路電流，設為/#，以及甘石城，棗園和寧安的電壓，分別設為 i/t3 t/23 ι//根據節點電壓方程，可得： *·.、 丄、 · 〇
[0049]
[0050]
[00511利用matlab軟件矩陣計算可得到
[0052]
[0053] 而Y11 = yn+y12+y13，而y12 = -Y12，y13 =-Υ13，所以，= Υη+Υ12+Υ13。同 理，Y22 = yi2+y22+y23，y23 = -Y23，因 it匕，y22 = Y22+Yl2+Y23 ; Y33 = yi3+y23+y33，y33 = Y33+Yl3+Y23。計 算得到：
[0054] yi2 = 1.0427e-04-j6.5933e-〇4
[0055] yi3 = 0.0020-j0.0124
[0056] y23 = 0.0159-j0.1126
[0057] yn = 0.0023-j0.0222
[0058] y22 = 0.0020-j0.0287
[0059] y33 = 0.0040-j0.0639
[0060]
[0061] 5)諾頓戴維南轉換
[0062] 將圖2所示的外網等值網絡轉換為圖3所示的外網等值形式。
[0063] zn = l/yn = 4.5437+j44.673
[0064] zi2 = l/yi2 = 234.01+jl479.69
[0065] zi3 = l/yi3= 12.836+j78.634
[0066] Z23 = l/y23= 1.23 1 4+j8.7022
[0067] Z22 = l/y22 = 2.40 3 3+j34.683
[0068] Z33 = l/y33 = 0.9686+jl5.585
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 6)電壓源電勢修正
[0073] 圖3所示的虛線框內括號中的電勢表示修正后的電勢。PSASP進行西北全網潮流計 算后得到甘石城、棗園和寧安這3個邊界節點的電壓，分別用% 表示，以及邊界節 點與內網聯絡線電流：圖1中，甘石城與內網聯絡線只有一條，棗園和寧安與內網聯絡線各 有2條，將電流分別合并到各邊界節點處，用//、//、//表示。求解方程組：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077] 得到烏；、左#、左則求得圖3中修正后電勢354.48492-9.5382°、333.4912-13.0844°、355.7315Z_11.8163°。
[0078] 下表1列出了等值前后的邊界節點三相短路電流對比結果，下表2列出了等值前后 的邊界節點和內網主要節點電壓對比結果。結果表明，等值前后的三相短路電流和邊界節 點及內網主要節點電壓基本一致，本發明所提的等值方法是正確有效的。
[0079] 表1等值前后邊界節點的短路電流對比
[0080]
[0081]
[0082] 表2等值前后邊界節點及內網主要節點電壓對比
[0083]
[0084]綜上所述，本發明方法是利用PSASP軟件的復雜故障計算、諾頓戴維南轉換和邊界 節點功率匹配獲取邊界節點的等值戴維南支路和阻抗矩陣的方法。由于電力系統已經形成 大區域聯網運行，大型互聯電網的數據量信息巨大，對其部分區域的研究需要對其他區域 進行等值建模，以提升計算效率。我國電力系統的仿真數據一般采用BPA或PSASP的卡片儲 存，且BPA數據格式可轉換成PSASP格式。利用PSASP的復雜故障計算模塊對需等值的網絡進 行邊界節點的短路計算，可以獲得等值網絡的邊界節點注入電流源支路和導納矩陣。然而， 含大規模新能源的電網電壓研究需要考慮外網的電壓支撐能力，因此外部網絡的電壓支撐 能力需要得到真實的反映。利用諾頓戴維南轉換將邊界節點之間的導納轉換為阻抗形式， 將邊界節點的電流源支路轉換為戴維南支路形式。由于PSASP復雜故障計算時除去了內部 網絡的節點和支路，以至于得到的邊界節點等值注入量(戴維南支路形式)并未考慮內部網 絡的影響。然而，邊界節點等值注入量直接由內部網絡中聯絡線端節點電壓和邊界節點電 壓共同決定，內部網絡狀態變化直接影響到邊界節點等值注入量，利用邊界節點功率匹配 的原理，對每個邊界節點根據基爾霍夫電流定律可得到一組全網穩態下的方程式，計算修 正電勢，獲得修正后的邊界節點等值注入量(戴維南支路形式），從而得到一種含大規模新 能源的大型互聯電網的外網等值方法。
[0085]以上所述實施例只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故 凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種含大規模新能源的大型互聯電網的外網等值方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 網絡劃分及等值網的形成 將所要研究的新能源接入地區確定為內部網絡，內部網絡之外均為外部網絡，在全網 數據模型中去掉內部網絡的節點和支路，等值網絡為保留的外部網絡； 2) 等值網絡需求參數的確定 步驟1)得到的等值網絡將等值為一個僅包含邊界節點的多端網絡，需要求得的參數有 邊界節點的等值注入電流源和邊界節點的導納矩陣； 3) 注入電流源計算 根據節點電壓方程若邊界節點同時設置三相短路接地，全部邊界節點的電壓 同時為零，此時PSASP計算得到的邊界節點短路電流值與注入電流源的電流參數相等； 4) 導納矩陣參數計算 設置邊界節點依次發生三相短路接地，能依次獲得短路點的電流及非故障邊界節點的 短路電壓，假設邊界節點個數為n，步驟3)求得的第i個邊界節點的注入電流源參數用表 示；當第i個邊界節點為短路點時，PSASP計算所得的短路點電流用//?表示，PSASP計算得到 的第j個邊界節點短路電壓用表示，所有邊界節點依次三相短路計算后，根據節點電壓 方程和矩陣運算規則，可得：設邊界節點i和j之間的互導納用yu表示，邊界節點i的自導納用yu表示，則： Yii = yii+yi2+***+yii+***+yin Yij = -yij(i^ j^n) 邊界節點i和j之間無支路時，yij為〇，結合以上公式及步驟3)的結果，在mat lab軟件中 輸入數據及算法公式計算得到等值網絡的導納矩陣參數形式如下：此導納矩陣是一個對稱矩陣，以上矩陣只標識出上三角元素和對角線元素，其下三角 元素與上三角元素對稱相同； 5) 諾頓戴維南轉換 將步驟3)、4)求得的等值網絡邊界節點注入電流、邊界節點自導納和邊界節點互導納 轉換成電壓源和阻抗ZU形式，轉換公式為：6) 電壓源電勢修正 考慮到步驟1)至5)的計算中邊界節點等值注入量未計及內網的影響，因此步驟5)中的邊 界節點的電壓源支路中電勢需要進行修正，修正方法如下：首先，PSASP進行全網潮流計算 得到外網邊界節點的電壓4.1$和外網與內網聯絡線的電流士 J_...η), 然后通過下面一組方程式得到修正后的電勢左^/=丨，2......n)，方程式中由于導納矩陣的 對稱性，= ^1，方程式的通用表達式如下：i = l，2，.·_η 能夠列出η個方程，獲得η個邊界節點的修正電勢。
【文檔編號】G06Q50/06GK105932673SQ201610389720
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】盛建蘭, 朱革蘭, 郭彥勛, 黃森年
【申請人】華南理工大學