一种含大规模新能源的大型互联电网的外网等值方法
【专利摘要】本发明公开了一种含大规模新能源的大型互联电网的外网等值方法，包括步骤：1)网络划分及等值网的形成；2)等值网络需求参数的确定；3)注入电流源计算；4)导纳矩阵参数计算；5)诺顿戴维南转换；6)电压源电势修正。本发明方法考虑了新能源接入地区电网对电压支撑能力的要求，克服了大型互联电网信息量大的问题，具有计算简单且计算速度快的优点。
【专利说明】
一种含大规模新能源的大型互联电网的外网等值方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统领域，尤其是指一种含大规模新能源的大型互联电网的外网 等值方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济社会发展和人民生活水平的提高，中国未来能源消耗还将不断增长，化 石能源供应压力不断加大，而以煤炭为主的化石能源的大量使用已经引起了灾难性的环境 后果。为了应对全球能源发展的危机，以风电和光伏为主的清洁能源得到了快速发展。截至 2013年底，我国风电和光伏装机容量均已位列世界第一。然而，2015年底全国能源局数据显 示，我国的总体弃风弃光率超过10%。新能源并网引起的电压波动是制约其上网的主要因 素之一，对大规模新能源接入电网的电压问题研究是解决弃风弃光问题的一大突破口。
[0003] 我国的新能源并网利用呈现出大规模集中开发，远距离输送态势。省与省之间的 电网互联构成了大型互联电网。新能源接入地区的电压稳定性不仅受控制策略和无功补偿 装置的影响，还与电网的电源支撑能力密切相关。大型互联电网的数据模型通常只有PSASP 模型或者BPA模型，缺乏用于电磁暂态分析的PSCAD模型。为减少网络规模，同时提高计算速 率，对大规模新能源接入地区电网的电压研究迫切需要建立外部大型互联电网的等效模 型，同时要求等值后的模型能真实反映外网的电压支撑能力。
[0004] 目前广泛应用的外网等值法是WARD等值法及其改进算法，大多基于WARD原理。而 WARD等值实质是对外部网络线性代数方程的高斯消去，其计算需要网络的全部节点和支路 信息，对于大型的互联电网，计算量巨大。且其改进算法大多是在WARD等值基础上基于最小 二乘原理的改进，计算较为繁琐。因此亟需一种针对含大规模新能源的大型互联电网且满 足技术要求(计算效率高且能真实反映外网的电压支撑能力）的电网等值方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种含大规模新能源的大型互联电 网的外网等值方法，该方法考虑了新能源接入地区电网对电压支撑能力的要求，克服了大 型互联电网信息量大的问题，具有计算简单且计算速度快的优点。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为:一种含大规模新能源的大型互联 电网的外网等值方法，包括以下步骤：
[0007] 1)网络划分及等值网的形成
[0008] 将所要研究的新能源接入地区确定为内部网络，内部网络之外均为外部网络，在 全网数据模型中去掉内部网络的节点和支路，等值网络为保留的外部网络；
[0009] 2)等值网络需求参数的确定
[0010] 步骤1)得到的等值网络将等值为一个仅包含边界节点的多端网络，需要求得的参 数有边界节点的等值注入电流源和边界节点的导纳矩阵；
[0011] 3)注入电流源计算
[0012] 根据节点电压方程rf = I若边界节点同时设置三相短路接地，全部边界节点的 电压同时为零，此时PSASP计算得到的边界节点短路电流值与注入电流源的电流参数相等；
[0013] 4)导纳矩阵参数计算
[0014] 设置边界节点依次发生三相短路接地，能依次获得短路点的电流及非故障边界节 点的短路电压，假设边界节点个数为n，步骤3)求得的第i个边界节点的注入电流源参数用 名表示。第i个边界节点为短路点时，PSASP计算所得的短路点电流用&表示，PSASP计算得 到的第j个边界节点短路电压用表示，所有边界节点依次三相短路计算后，根据节点电 压方程和矩阵运算规则，可得：
[0015；
[0016] 由矩阵逆运算可得：
[0017]
[00?8]设边界节点i和j之间的互导纳用yij表示，边界节点i的自导纳用yii表示，贝lj:
[0019] Yii = yii+yi2+."+yii+."+yin
[0020] Yij = -yij(i^ j&l^i , j^in)
[0021]边界节点i和j之间无支路时，yij为0,结合以上公式及步骤3)的结果，在matlab软 件中输入数据及算法公式计算得到等值网络的导纳矩阵参数形式如下：
[0022]
[0023]此导纳矩阵是一个对称矩阵，以上矩阵只标识出上三角元素和对角线元素，其下 三角元素与上三角元素对称相同；
[0024] 5)诺顿戴维南转换
[0025] 将步骤3)、4)求得的等值网络边界节点注入电流、边界节点自导纳和边界节点互 导纳转换成电压源和阻抗彡式，转换公式为：
[0026]
[0027] 6)电压源电势修正
[0028] 考虑到步骤1)至5)的计算中边界节点等值注入量未计及内网的影响，因此步骤5)中 的边界节点的电压源支路中电势需要进行修正，修正方法如下:首先，PSASP进行全网潮流计 算得到外网边界节点的电压4 0=1;........._和外网与内网联络线的电流士 _!!>， 然后通过下面一组方程式得到修正后的电势2......_，方程式中由于导纳矩阵的对称性，Zlj = Zjl，方程式的通用表达式如下：
[0029]
[0030] 1一丄一，u
[0031]可列出η个方程，获得η个边界节点的修正电势。
[0032] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0033] 1、计算效率高:利用PSASP短路计算获取边界节点的短路电流和电压，计算次数仅 受边界节点的个数影响，矩阵维数不受网络规模影响，仅与边界节点的个数相关。
[0034] 2、计算所需的信息少:本发明方法仅需知道外网边界节点的短路电流和电压值， 以及联络线对边界节点的注入电流，而无需获取整个网络的节点和支路信息进行类似WARD 等值法的矩阵计算。
[0035] 3、适应性好:本发明方法能真实反映外网的电压支撑能力，并且戴维南支路形式 的电压支撑相对于功率注入形式和电流源形式，对于网络状态变化具有更好的适应性，有 利于分析接入大规模新能源的电网状态变化时的电压问题。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明实施例中内外网络分割之后的内部网络大规模新能源接入地区的拓 扑结构图。
[0037]图2为本发明实施例中外网三个边界节点电流源形式等值图。
[0038]图3为本发明实施例中外网三个边界节点戴维南支路形式等值图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0040] 以西北六省电网为例，内部网络为宁夏局部新能源发电网，如图1所示，中卫、迎水 桥、香山分别接入新能源容量为140MW、303MW和277.5MW。外部网络为西北六省电网除去内 部网络的区域互联电网，其边界节点分别为甘石城、枣园和宁安。对外部等值网络应用本发 明的含大规模新能源的大型互联电网的外网等值方法，具体包括以下步骤：
[0041] 1)网络划分及等值网的形成
[0042] 将所要研究的宁夏局部新能源发电网确定为内部网络，内部网络包含的变电站节 点为凯歌、中卫、迎水桥、沙坡头水电站、香山和宣和，其余西北六省网络为外部网络。在 PSASP西北六省全网数据模型中去掉内部网络的节点和支路，利用PSASP复杂故障模块，对 内部网络所有联络线用三相断线的形式去除内网，包含凯歌、中卫、迎水桥、宣和、香山及沙 坡头水电站之间相连的9条线路，每条线路两端点处三相断线。PSASP中剩余的网络即为需 等值的外部网络。
[0043] 2)等值网络需求参数的确定
[0044] 由于等值网络的边界节点为甘石城、枣园和宁安这3个节点，编号分别为1，2,3。需 要获得的参数有这3个节点的等值注入电流源/為、為和边界节点之间的互导纳y 12、y13、 y23及边界节点的自导纳711、722、733。如图2虚线框中所示。
[0045] 3)注入电流源计算
[0046] 设置3个边界节点甘石城、枣园、宁安同时发生三相短路接地，则这3个边界节点的 电压都为0,图2所示的等值支路上没有电流，则测得的3个边界节点的短路电流与等值电流 源/,.、/ 2、/』大小相等，方向相反。由此，求得注入电流源参数。
[0047] 4)导纳矩阵参数计算
[0048]设置3个边界节点依次发生三相短路接地，如设置甘石城发生三相短路接地， PSASP短路计算可获得甘石城的短路电流，设为&，以及甘石城，枣园和宁安的电压，分别设 为;设置枣园发生三相短路接地，PSASP计算得到枣园的短路电流，设为4， 以及甘石城，枣园和宁安的电压，分别设为R2 I%2 > ;设置宁安发生三相短路接地， PSASP计算得到宁安的短路电流，设为/#，以及甘石城，枣园和宁安的电压，分别设为 i/t3 t/23 ι//根据节点电压方程，可得： *·.、 丄、 · 〇
[0049]
[0050]
[00511利用matlab软件矩阵计算可得到
[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。计 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)诺顿戴维南转换
[0062] 将图2所示的外网等值网络转换为图3所示的外网等值形式。
[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)电压源电势修正
[0073] 图3所示的虚线框内括号中的电势表示修正后的电势。PSASP进行西北全网潮流计 算后得到甘石城、枣园和宁安这3个边界节点的电压，分别用% 表示，以及边界节 点与内网联络线电流：图1中，甘石城与内网联络线只有一条，枣园和宁安与内网联络线各 有2条，将电流分别合并到各边界节点处，用//、//、//表示。求解方程组：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077] 得到烏；、左#、左则求得图3中修正后电势354.48492-9.5382°、333.4912-13.0844°、355.7315Z_11.8163°。
[0078] 下表1列出了等值前后的边界节点三相短路电流对比结果，下表2列出了等值前后 的边界节点和内网主要节点电压对比结果。结果表明，等值前后的三相短路电流和边界节 点及内网主要节点电压基本一致，本发明所提的等值方法是正确有效的。
[0079] 表1等值前后边界节点的短路电流对比
[0080]
[0081]
[0082] 表2等值前后边界节点及内网主要节点电压对比
[0083]
[0084]综上所述，本发明方法是利用PSASP软件的复杂故障计算、诺顿戴维南转换和边界 节点功率匹配获取边界节点的等值戴维南支路和阻抗矩阵的方法。由于电力系统已经形成 大区域联网运行，大型互联电网的数据量信息巨大，对其部分区域的研究需要对其他区域 进行等值建模，以提升计算效率。我国电力系统的仿真数据一般采用BPA或PSASP的卡片储 存，且BPA数据格式可转换成PSASP格式。利用PSASP的复杂故障计算模块对需等值的网络进 行边界节点的短路计算，可以获得等值网络的边界节点注入电流源支路和导纳矩阵。然而， 含大规模新能源的电网电压研究需要考虑外网的电压支撑能力，因此外部网络的电压支撑 能力需要得到真实的反映。利用诺顿戴维南转换将边界节点之间的导纳转换为阻抗形式， 将边界节点的电流源支路转换为戴维南支路形式。由于PSASP复杂故障计算时除去了内部 网络的节点和支路，以至于得到的边界节点等值注入量(戴维南支路形式)并未考虑内部网 络的影响。然而，边界节点等值注入量直接由内部网络中联络线端节点电压和边界节点电 压共同决定，内部网络状态变化直接影响到边界节点等值注入量，利用边界节点功率匹配 的原理，对每个边界节点根据基尔霍夫电流定律可得到一组全网稳态下的方程式，计算修 正电势，获得修正后的边界节点等值注入量(戴维南支路形式），从而得到一种含大规模新 能源的大型互联电网的外网等值方法。
[0085]以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故 凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种含大规模新能源的大型互联电网的外网等值方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 网络划分及等值网的形成 将所要研究的新能源接入地区确定为内部网络，内部网络之外均为外部网络，在全网 数据模型中去掉内部网络的节点和支路，等值网络为保留的外部网络； 2) 等值网络需求参数的确定 步骤1)得到的等值网络将等值为一个仅包含边界节点的多端网络，需要求得的参数有 边界节点的等值注入电流源和边界节点的导纳矩阵； 3) 注入电流源计算 根据节点电压方程若边界节点同时设置三相短路接地，全部边界节点的电压 同时为零，此时PSASP计算得到的边界节点短路电流值与注入电流源的电流参数相等； 4) 导纳矩阵参数计算 设置边界节点依次发生三相短路接地，能依次获得短路点的电流及非故障边界节点的 短路电压，假设边界节点个数为n，步骤3)求得的第i个边界节点的注入电流源参数用表 示；当第i个边界节点为短路点时，PSASP计算所得的短路点电流用//?表示，PSASP计算得到 的第j个边界节点短路电压用表示，所有边界节点依次三相短路计算后，根据节点电压 方程和矩阵运算规则，可得：设边界节点i和j之间的互导纳用yu表示，边界节点i的自导纳用yu表示，则： Yii = yii+yi2+***+yii+***+yin Yij = -yij(i^ j^n) 边界节点i和j之间无支路时，yij为〇，结合以上公式及步骤3)的结果，在mat lab软件中 输入数据及算法公式计算得到等值网络的导纳矩阵参数形式如下：此导纳矩阵是一个对称矩阵，以上矩阵只标识出上三角元素和对角线元素，其下三角 元素与上三角元素对称相同； 5) 诺顿戴维南转换 将步骤3)、4)求得的等值网络边界节点注入电流、边界节点自导纳和边界节点互导纳 转换成电压源和阻抗ZU形式，转换公式为：6) 电压源电势修正 考虑到步骤1)至5)的计算中边界节点等值注入量未计及内网的影响，因此步骤5)中的边 界节点的电压源支路中电势需要进行修正，修正方法如下：首先，PSASP进行全网潮流计算 得到外网边界节点的电压4.1$和外网与内网联络线的电流士 J_...η), 然后通过下面一组方程式得到修正后的电势左^/=丨，2......n)，方程式中由于导纳矩阵的 对称性，= ^1，方程式的通用表达式如下：i = l，2，.·_η 能够列出η个方程，获得η个边界节点的修正电势。
【文档编号】G06Q50/06GK105932673SQ201610389720
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】盛建兰, 朱革兰, 郭彦勋, 黄森年
【申请人】华南理工大学