一种基于风电场的vsc-hvdc并网系统可靠性计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力系统可靠性评估领域，尤其设及一种基于风电场的VSC-HVDC并 网系统可靠性计算方法。
【背景技术】
[0002] 随着环境污染的日益恶化W及传统能源的日渐枯竭，我国逐渐重视对可再生能源 的开发利用。风能是近年来发展最快的可再生能源，具有资源丰富、清洁无污染W及开发 成本低等优势。在风电传输方式中，目前采用较多的是基于电压源换流器（VSC)的高压直 流输电（HVDC)技术，国际权威学术组织将其命名为VSC-HVDC，国内统一命名为柔性直流输 电。相比基于电流源换流器化CC-HVDC)的传统直流输电技术，VSC-HVDC具有谐波水平低、 不需要无功补偿等技术优势，使得VSC-HVDC技术在连接风电场并网方面具有一定的优越 性，特别适用于远距离传输的风电场并网。
[0003] 当前，世界各国都在开发和利用VSC-HVDC技术。国外在20世纪末就开始运方面 的研究，包括瑞典的哥特兰工程、丹麦的泰伯格工程W及德国的北海风电场工程。我国起步 较晚，于2008年开始VSC-HVDC关键技术研究及示范工程实施，并于2011年成功试运行了 上海南汇风电场VSC-HVDC示范工程。2013年世界上第一个多端VSC-HVDC工程--广东南 澳±160kV多端VSC-HVDC示范工程也正式投入运行。运些示范工程为我国今后风电场的 并网提供了技术支撑和运行经验，也预示着VSC-HVDC将成为我国电网的重要组成部分。开 展和研究基于VSC-HVDC的风电场可靠性评估模型和算法，对于我国未来电网的发展有着 重要的意义。
[0004] 由于风速具有随机性和间歇性，需建立正确的可靠性模型进行分析，目前主要包 括解析法和模拟法。期刊《电力自动化设备》2010年第30卷第10期"基于解析法的风电 场可靠性模型"提出了一种基于解析法的风电场可靠性模型，但没有充分考虑风速的时序 性和自相关性；期刊《电力系统保护与控制》2013年第41卷第8期"一种用于序贯蒙特卡 罗仿真的风机多状态可靠性模型"建立了风电场的多状态可靠性模型，采用时序蒙特卡罗 法进行仿真，但是把风速的随机性转移到风机出力上。
[0005] 目前关于交流输电系统和传统直流输电系统的可靠性评估的研究相对成熟，但是 对基于VSC-HVDC的风电场可靠性研究甚微。期刊《电力系统保护与控制》2009年第36卷 第21期"基于抑法和模型组合的柔性直流输电可靠性评估"在抑法和模型组合的基础上 对VSC-HVDC并网系统进行了可靠性评估，但没有考虑VSC-HVDC并网系统的STATC0M运行 状态，直接把VSC-HVDC并网系统当成常规直流输电系统，采用两状态模型对其进行建模， 根本没有体现VSC-HVDC并网系统的优点和价值。而且当风电场采用VSC-HVDC并网时，现 有文献均没有考虑风电场出力间歇性的影响。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是，提供一种基于风电场的VSC-HVDC并网系统可靠性计算方法，该 发明计及风速的时序性和自相关性及风机随机故障，并考虑了电压源换流器的备用设计W及VSC-HVDC并网系统的STATCOM状态，考虑了风电场出力间歇性的影响，定义了衡量 基于风电场的VSC-HVDC并网系统的可靠性指标，该发明能够更准确地反映基于风电场的 VSC-HVDC并网系统的实际运行情况，并能准确反映VSC-HVDC并网系统与风电场和交流系 统的匹配程度，可W更合理地确定风机功率和VSC-HVDC并网系统的配置。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于风电场的VSC-HVDC并网系 统可靠性计算方法，其关键在于包括W下步骤：
[0008] a:建立风电场时序输出功率的多状态Markov模型，该步骤包括：
[0009] 计及风速的时序性和自相关性，采用自回归滑动平均（ARMA)模型对风速进行预 测，根据该预测模型建立风速模型；
[0010] 根据所建立的风速模型建立风机输出功率模型；
[0011] 风机采用正常-故障两状态模型，采用时序蒙特卡罗法对单台风机的正常-故障 两状态模型进行抽样，然后组合风电场内所有风机的两状态模型，得到该风电场内所有风 机运行-故障的时序状态模型；
[0012] 根据风机输出功率模型和风电场内所有风机的运行-故障的时序状态模型，得到 风电场的多状态时序输出功率模型，采用K-均值聚类法对风电场的多状态时序输出功率 模型进行功率状态划分，提高计算效率； 阳01引 b:建立计及STATC0M状态的VSC-HVDC并网系统Markov模型，该步骤包括：
[0014] VSC-HVDC并网系统的联接变压器、交流滤波器、相电抗器、直流电容W及控制保护 装置采用正常-故障两状态Markov模型；
[0015] VSC-HVDC并网系统的电压源换流器采用1使用1备用设计，电压源换流器采用"运 行-停运-修复-安装-运行"的过程来模拟，建立两个电压源换流器的运行-备用五状态 模型，计算电压源换流器处于各个状态的概率和频率；再将电压源换流器的五状态模型进 行合并，得到电压源换流器的正常-故障两状态模型；
[0016] VSC-HVDC并网系统的直流输电线路采用正常、故障和STATC0MS状态Markov模 型，直流输电线路的STATC0M状态用于表示直流输电线路断开时，VSC-HVDC并网系统可作 为独立的STATC0M运行的状态；
[0017] 组合VSC-HVDC并网系统的所有元件模型，建立VSC-HVDC并网系统的可靠性模型， 将相同状态模型进行合并，得到故障-正常-STATC0M状态的VSC-HVDC并网系统可靠性模 型；
[0018] C :建立基于风电场的VSC-HVDC并网系统可靠性模型及指标，该步骤包括：
[0019] 根据步骤a建立的风电场时序输出功率的多状态Markov模型和步骤b建立的计 及STATC0M状态的VSC-HVDC并网系统Markov模型，归并后得到基于风电场的VSC-HVDC并 网系统可靠性评估模型；
[0020] 考虑风电场出力间歇性的影响，排除当风电场出力较小或为零时，不影响系统可 靠性的VSC-HVDC并网系统内部元件故障指标；
[0021] 定义基于风电场的VSC-HVDC并网系统可靠性的评估指标，该评估指标用于衡量 风电场和VSC-HVDC并网系统的匹配程度，该评估指标包括：
[0022] 风电场等值有功功率：用于表示计入风速特性和风机故障后风电场发出的等值有 功功率；
[0023]并网系统等值有功功率：用于表示在风电场等值有功功率的基础上，再计入 VSC-HVDC并网系统元件故障后风电场发出的等值有功功率；
[0024]等值风能利用率：用于表示计入VSC-HVDC并网系统元件故障后的VSC-HVDC并网 系统传输有功功率能力；
[00巧]无功调节度：用于表示VSC-HVDC并网系统向风电场或者电网提供无功补偿的能 力；
[0026] d:通过基于风电场的VSC-HVDC并网系统的可靠性指标评价基于风电场VSC-HVDC 并网系统的可靠性。
[0027]进一步地，所述的步骤a包括： 阳02引 al :计及风速的时序性和自相关性，首先采用自回归滑动平均（ARM)模型对风速 进行预测，所用公式为：
[oow]
U)
[0030] 公式（1)中，y康示t时刻的序列值，巧,(/=1，玄，…，巧)和目j (j = 1， 2,…，m)分别表示自回归系数和滑动平均参数，Et是均值为0方差为0 2的高斯白噪声，etENID(0，02)，NID服从正态分布，上式可W简记为ARMA(n，m)，
[0031] 根据所述自回归滑动平均（ARIA)模型建立风速模型，所述风速模型采用公式（2) 表不， 齡32] SWt= y t+o tyt 似 阳〇3引公式似中SWt代表风速，y t、。t分别为t时刻风速的平均值和标准偏差；
[0034]通过对大部分地区的实测历史风速数据进行统计，可W发现风速分布具有一定的 规律。采用自回归滑动平均（ARMA)模型对风速进行预测，可W进一步考虑风速的时序性和 自相关性。风速是影响风电场功率输出的最主要因素之一，建立风速模型，能够反映出风电 场功率输出特性的概率。
[0035] a2 :根据所建立的风速模型建立风机输出功率模型，
[0036]风机输出功率模型采用公式（3)表示，
[0037]
(3) 阳03引公式做中，Vt为t时刻风速，既由步骤al所确定的SW t，P (t)为t时刻风机输出 功率，Pf为风机额定功率，V。1、Vf和V。。分别为风机切入风速、额定风速和切出风速，A、B和 C为模型参数，采用公式（4)计算，
[00 例
（4)
[0040] 由于风能具有间歇性和随机性，导致风机的出力随风速变化而变化，且风电场出 力与风速并不是线性关系，建立风机功率输出曲线函数用于描述风机出力与风速的关系。
[0041] a3:风机采用正常-故障两状态模型，采用时序蒙特卡罗法对单台风机的正常-故 障两状态模型进行抽样，然后组合风电场内所有风机的两状态模型，得到该风电场内所有 风机运行-故障的时序状态模型；
[0042]曰4 :根据风机输出功率模型和风电场内所有风机的运行-故障的时序状态模型， 得到风电场的多状态时序输出功率模型，采用K-均值聚类法对风电场的多状态时序输出 功率模型进行功率状态划分，提高计算效率；
[0043] 所述的K-均值聚类法采用公式（5)表示的准则函数，
[0044]
(巧
[0045] 公式巧）中，k表示聚类个数；表示属于风机输出功率的第i类的样本数据；C1 表示风机输出功率的第i个聚类中屯、。
[0046] 所述步骤a的效果是：建立风电场多状态时序输出功率可靠性模型是评价风电场 对电网可靠性贡献的基础，能够反映出风电场多状态时序输出功率特性的概率。本步骤克 服现有解析法的不足，计及风速特性和风机随机故障，能够计算风电场容量停运的频率指 标，且计算时间少。
[0047] 进一步地，所述的步骤b包括：
[0048] bl :VSC-HVDC并网系统的联接变压器、交流滤波器、相电抗器、直流电容W及控制 保护装置采用正常-故障两状态Markov模型，所述元件处于每种状态的概率和频率分别 为：
[005引公式化)-(9)