新能源交流网络拓扑规划方法、系统、设备和介质与流程

1.本发明涉及电力系统调度技术领域，特别涉及一种考虑动态稳定性约束的新能源交流网络拓扑规划方法、系统、设备和介质。


背景技术：

2.目前，提高传统并网新能源动态稳定性的方案多为调节控制参数和减小新能源的输出功率，若在新能源规划阶段，充分考虑新能源交流网络拓扑对稳定性的影响，将极大提高新能源功率传输的效率。目前的众多新能源规划研究中，针对新能源交流网络规划问题，更多的是从静态角度出发，即考虑新能源规划的经济效益与安全约束。然而，未有从并网新能源动态稳定性角度出发，进行新能源交流网络拓扑规划的方案和系统出现。
3.缩略语和关键术语定义
4.vsc(volrage source converter)：电压源型换流器。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种新能源交流网络拓扑规划方法和系统、系统、设备和介质。
6.为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
7.一种新能源交流网络拓扑规划方法，包括以下步骤：
8.s1：计算电力系统潮流分布，获取新能源发电系统的运行、控制参数和交流网络阻抗矩阵，根据新能源电压源型换流器的控制结构，建立单台新能源发电系统的动态模型。
9.运行、控制参数包括：ck为直流侧电容，为新能源直流电压，p
mk
、pk为直流电容上的流入和流出功率，xk为新能源交流测滤波电抗，为新能源交流侧d轴和q轴上的电流，为新能源与交流系统耦合节点的电压，为新能源交流测输出端口电压。
10.k
pk
、k
ik
为电压外环控制的比例系数和积分系数；qk为vsc输出到交流网络的无功功率；为无功外环控制的比例系数和积分系数；为的d轴分量；指的是d轴电流内环的比例系数和积分系数；指的是q轴电流内环的比例系数和积分系数；为的d轴和q轴分量；为的d轴和q轴分量。
11.s2：根据新能源并网系统的等效模型和交流网络特征值，建立系统的动态稳定性约束指标。
12.s3：根据交流网络的电抗矩阵z
p
，当所有新能源并入汇集节点时，系统的稳定性最优，此时新能源并网系统的交流网络拓扑结构为新能源并联接入汇集节点。
13.s4：进行汇集节点的位置选取，根据动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围，当新能源为远距离输电时，x
l
》》max(xi)，此时汇集节点a靠近外部电力系统方向，并且位于新能源
最外围；当x
l
≤min(xi)时，此时汇集节点a位于新能源中间区域，并使其到各新能源的距离尽可能短。其中，x
l
表示汇集节点到并网节点的电抗，xi表示各个新能源到汇集节点的电抗。max表示取最大值，min表示取最小值。
14.进一步地，s1中单台新能源发电系统的动态模型的建立如下：
15.vsc控制模型为：
[0016][0017]
式(1)中，xk是单个vsc的状态变量：其中δx
vk
为电压外环积分环节输出量；δvk＝[δv
xk δv
yk
]
t
，δik＝[δi
xk δi
yk
]
t
为vsc控制模型的输入变量和输出变量，即vsc端口电压与电流；ak、bk、ck为单个vsc的状态矩阵，交流网络阻抗矩阵包括输入矩阵和状态输出矩阵，如下式：
[0018][0019]
式(2)中，θk为锁相环测量的相角。
[0020]
进一步地，s2中建立系统的动态稳定性约束指标具体如下：
[0021]
根据式(1)，新能源并网系统的等效模型为：
[0022][0023]
式(3)中，ρi(i＝1,2，
…
，n)为新能源并网系统交流网络电抗矩阵的特征值。
[0024]
进一步地，式(3)中，ai的振荡模式的实部ε0为：
[0025][0026]
进一步地，所述交流网络的电抗矩阵z
p
如下：
[0027]
n台新能源通过n-1个内部节点f，将功率汇集到汇集节点a，最后经输电线路x
l
将功率送到外部电力系统。此时交流网络的电抗矩阵z
p
为，
[0028][0029]
式(5)中，x
ij
(i＝1,2，...，n|y＝1,2，...，n)为系统的自电抗或互电抗。n表示新能
源的台数，x
l
为输电线路。
[0030]
当所有新能源并联带汇集节点a时，交流网络的电抗矩阵最小为，
[0031][0032]
式(6)中，xi(i＝1,2
…
n)为新能源直接与汇集节点a相连的线路电抗。
[0033]
进一步地，动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围为：
[0034]
nx
l
+min(xi)≤plmax(xi)
maax
ꢀꢀꢀꢀ
(7)。
[0035]
本发明再一个实施例中，提供了新能源交流网络拓扑规划系统，该系统能够用于实施上述的新能源交流网络拓扑规划方法，具体的，包括：信息获取模块、约束指标建立模块、系统的稳定性计算模块、汇集节点位置选取模块；
[0036]
信息获取模块：计算电力系统潮流分布，获取新能源发电系统的运行、控制参数和交流网络阻抗矩阵，根据新能源电压源型换流器的控制结构，建立单台新能源发电系统的动态模型。
[0037]
约束指标建立模块：根据新能源并网系统的等效模型和交流网络特征值，建立系统的动态稳定性约束指标。
[0038]
系统的稳定性计算模块：根据交流网络的电抗矩阵，当所有新能源并入汇集节点时，系统的稳定性最优，此时新能源并网系统的交流网络拓扑结构为新能源并联接入汇集节点。
[0039]
汇集节点位置选取模块：进行汇集节点的位置选取，根据动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围，当新能源为远距离输电时，x
l
》》max(xi)，此时汇集节点a靠近外部电力系统方向，并且位于新能源最外围；当x
l
≤min(xi)时，此时汇集节点a位于新能源中间区域，并使其到各新能源的距离尽可能短。
[0040]
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述新能源交流网络拓扑规划方法。
[0041]
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述新能源交流网络拓扑规划方法。
[0042]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0043]
本发明提出了一个简单的指标用于新能源并网的稳定性快速评估，可以实现自动对不同网络拓扑进行对比评价，以实现自动对稳定性裕度最大的网络拓扑的挑选，提高了效率，降低了人力成本。此外，基于这一指标，还可对于汇集节点地理位置进行优化，从而实现稳定性裕度最大化。
[0044]
在实现新能源并网传输的条件下，最大化了系统的稳定性裕度，从而为新能源未来的扩容提供了冗余空间，同时也规避了因并网方式不当导致的振荡问题。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例n台新能源并网系统结构示意图；
[0046]
图2是本发明实施例vsc控制模型图；
[0047]
图3是本发明实施例n台新能源的交流网络拓扑结构示意图；
[0048]
图4是本发明实施例三台新能源不同网络拓扑结构示意图。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0050]
本发明提供一种新能源交流网络拓扑规划方法，包括以下步骤：
[0051]
步骤1：建立单台新能源动态模型
[0052]
如图1所示，vsc(全称voltage source converter)为用于交直流电能转换的电压源型换流器。对于第k台新能源：ck为直流侧电容，为新能源直流电压，p
mk
、pk为直流电容上的流入和流出功率，xk为新能源交流测滤波电抗，为新能源交流测滤波电抗，为新能源交流侧d轴和q轴上的电流，为新能源与交流系统耦合节点的电压，为新能源交流测输出端口电压。
[0053]
其中vsc控制模型如图2所示，采用电压、无功的外环控制和d轴和q轴电流内环控制。
[0054]
图2中，上标“ref”表示控制变量的参考值。k
pk
、k
ik
为电压外环控制的比例系数和积分系数；qk为vsc输出到交流网络的无功功率；为无功外环控制的比例系数和积分系数；为的d轴分量；指的是d轴电流内环的比例系数和积分系数；指的是q轴电流内环的比例系数和积分系数；为的d轴和q轴分量；为的d轴和q轴分量。
[0055]
忽略新能源内部的动态有，δp
mk
＝0，假定锁相环为理想控制模型，控制在d轴上，有下标“0”为新能源并网系统变量的稳态值，并有考虑次同步的时间尺度下，可忽略vsc电流内环控制的影响，有由此，vsc控制模型为：
[0056][0057]
式(1)中，xk是单个vsc的状态变量：其中δx
vk
为电压外环积分环节输出量；δvk＝[δv
xk δv
yk
]
t
，δik＝[δi
xk δi
yk
]
t
为vsc控制模型的输入变量和输出变量，即vsc端口电压与电流；ak、bk、ck为单个vsc的状态矩阵，输入矩阵和状态输出矩阵：
[0058][0059]
式(2)中，θk为锁相环测量的相角。
[0060]
步骤二：构建新能源并网系统的动态稳定性约束指标
[0061]
根据式(1)，新能源并网系统的等效模型为：
[0062][0063]
式(3)中，ρi(i＝1，2，
…
，n)为新能源并网系统交流网络电抗矩阵的特征值，电抗矩阵为式(5)。由式(3)可知，ai的振荡模式的实部ε0为：
[0064][0065]
根据式(4)可知，随着ρi的增大，ε0也增大，此时新能源并网稳定性降低，而ρi为交流网络的特征值，因此新能源并网系统的动态稳定性约束指标为ρi。当减小电抗矩阵最大特征值ρ
max
，可以提高新能源并网系统稳定性。
[0066]
步骤三：新能源并网系统的交流网络拓扑规划
[0067]
如图3所示，n台新能源通过n-1个内部节点f，将功率汇集到节点a，最后经输电线路x
l
将功率送到外部电力系统，由节点b表示。此时交流网络的电抗矩阵z
p
为，
[0068][0069]
式(5)中，x
ij
(i＝1,2，...，n|y＝1,2，...，n)为系统的自电抗或互电抗。
[0070]
当所有新能源并联带汇集节点a时，交流网络的电抗矩阵最小为，
[0071][0072]
式(6)中，xi(i＝1,2
…
n)为新能源直接与汇集节点a相连的线路电抗。
[0073]
由此可知，考虑动态稳定性约束的新能源交流网络拓扑规划，是将n台新能源并联到汇集节点，此时，系统的动态稳定性最优。
[0074]
步骤四：新能源并网系统汇集节点位置规划
[0075]
根据式(6)可知，动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围为：
[0076]
nx
l
+min(xi)≤ρlmax(xi)
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于新能源交流网络拓扑规划方法的操作，包括以下步骤：
[0091]
s1：计算电力系统潮流分布，获取新能源发电系统的运行、控制参数和交流网络阻抗矩阵，根据新能源电压源型换流器的控制结构，建立单台新能源发电系统的动态模型。
[0092]
s2：根据新能源并网系统的等效模型和交流网络特征值，建立系统的动态稳定性约束指标。
[0093]
s3：根据交流网络的电抗矩阵，当所有新能源并入汇集节点时，系统的稳定性最优，此时新能源并网系统的交流网络拓扑结构为新能源并联接入汇集节点。
[0094]
s4：进行汇集节点的位置选取，根据动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围，当新能源为远距离输电时，x
l
》》max(xi)，此时汇集节点a靠近外部电力系统方向，并且位于新能源最外围；当x
l
≤min(xi)时，此时汇集节点a位于新能源中间区域，并使其到各新能源的距离尽可能短。
[0095]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0096]
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关新能源交流网络拓扑规划方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
[0097]
s1：计算电力系统潮流分布，获取新能源发电系统的运行、控制参数和交流网络阻抗矩阵，根据新能源电压源型换流器的控制结构，建立单台新能源发电系统的动态模型。
[0098]
s2：根据新能源并网系统的等效模型和交流网络特征值，建立系统的动态稳定性约束指标。
[0099]
s3：根据交流网络的电抗矩阵，当所有新能源并入汇集节点时，系统的稳定性最优，此时新能源并网系统的交流网络拓扑结构为新能源并联接入汇集节点。
[0100]
s4：进行汇集节点的位置选取，根据动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围，当新能源为远距离输电时，x
l
》》max(xi)，此时汇集节点a靠近外部电力系统方向，并且位于新能源最外围；当x
l
≤min(xi)时，此时汇集节点a位于新能源中间区域，并使其到各新能源的距离尽可能短。
[0101]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实
施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0102]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0103]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0104]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0105]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种新能源交流网络拓扑规划方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：计算电力系统潮流分布，获取新能源发电系统的运行、控制参数和交流网络阻抗矩阵，根据新能源电压源型换流器的控制结构，建立单台新能源发电系统的动态模型；运行、控制参数包括：c
k
为直流侧电容，为新能源直流电压，p
mk
、p
k
为直流电容上的流入和流出功率，x
k
为新能源交流测滤波电抗，为新能源交流侧d轴和q轴上的电流，为新能源与交流系统耦合节点的电压，为新能源交流测输出端口电压；k
pk
、k
ik
为电压外环控制的比例系数和积分系数；q
k
为vsc输出到交流网络的无功功率；为无功外环控制的比例系数和积分系数；为的d轴分量；指的是d轴电流内环的比例系数和积分系数；指的是q轴电流内环的比例系数和积分系数；为的d轴和q轴分量；为的d轴和q轴分量；s2：根据新能源并网系统的等效模型和交流网络特征值，建立系统的动态稳定性约束指标；s3：根据交流网络的电抗矩阵z
p
，当所有新能源并入汇集节点时，系统的稳定性最优，此时新能源并网系统的交流网络拓扑结构为新能源并联接入汇集节点；s4：进行汇集节点的位置选取，根据动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围，当新能源为远距离输电时，x
l
＞＞max(x
i
)，此时汇集节点a靠近外部电力系统方向，并且位于新能源最外围；当x
l
≤min(x
i
)时，此时汇集节点a位于新能源中间区域，并使其到各新能源的距离尽可能短；其中，x
l
表示汇集节点到并网节点的电抗，x
i
表示各个新能源到汇集节点的电抗；max表示取最大值，min表示取最小值。2.根据权利要求1所述的一种新能源交流网络拓扑规划方法，其特征在于：s1中单台新能源发电系统的动态模型的建立如下：vsc控制模型为：式(1)中，x
k
是单个vsc的状态变量：其中δx
vk
为电压外环积分环节输出量；δv
k
＝[δv
xk δv
yk
]
t
，δi
k
＝[δi
xk δi
yk
]
t
为vsc控制模型的输入变量和输出变量，即vsc端口电压与电流；a
k
、b
k
、c
k
为单个vsc的状态矩阵，交流网络阻抗矩阵包括输入矩阵和状态输出矩阵，如下式：式(2)中，θ
k
为锁相环测量的相角。3.根据权利要求2所述的一种新能源交流网络拓扑规划方法，其特征在于：s2中建立系
统的动态稳定性约束指标具体如下：根据式(1)，新能源并网系统的等效模型为：式(3)中，ρ
i
(i＝1,2,
…
,n)为新能源并网系统交流网络电抗矩阵的特征值。4.根据权利要求3所述的一种新能源交流网络拓扑规划方法，其特征在于：式(3)中，a
i
的振荡模式的实部ε0为：5.根据权利要求4所述的一种新能源交流网络拓扑规划方法，其特征在于：所述交流网络的电抗矩阵z
p
如下：n台新能源通过n-1个内部节点f，将功率汇集到汇集节点a，最后经输电线路x
l
将功率送到外部电力系统；此时交流网络的电抗矩阵z
p
为，式(5)中，x
ij
(i＝1,2,...,n|y＝1,2,...,n)为系统的自电抗或互电抗；n表示新能源的台数，x
l
为输电线路；当所有新能源并联带汇集节点a时，交流网络的电抗矩阵最小为，式(6)中，x
i
(i＝1,2
…
n)为新能源直接与汇集节点a相连的线路电抗。6.根据权利要求5所述的一种新能源交流网络拓扑规划方法，其特征在于：动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围为：nx
l
+min(x
i
)≤ρl max(x
i
)
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。7.一种新能源交流网络拓扑规划系统，其特征在于：该系统能够用于实施权利要求1至6其中一项所述的新能源交流网络拓扑规划方法，具体的，包括：信息获取模块、约束指标建立模块、系统的稳定性计算模块、汇集节点位置选取模块；信息获取模块：计算电力系统潮流分布，获取新能源发电系统的运行、控制参数和交流网络阻抗矩阵，根据新能源电压源型换流器的控制结构，建立单台新能源发电系统的动态模型；约束指标建立模块：根据新能源并网系统的等效模型和交流网络特征值，建立系统的动态稳定性约束指标；
系统的稳定性计算模块：根据交流网络的电抗矩阵，当所有新能源并入汇集节点时，系统的稳定性最优，此时新能源并网系统的交流网络拓扑结构为新能源并联接入汇集节点；汇集节点位置选取模块：进行汇集节点的位置选取，根据动态稳定性约束指标ρ
max
的区间范围，当新能源为远距离输电时，x
l
＞＞max(x
i
)，此时汇集节点a靠近外部电力系统方向，并且位于新能源最外围；当x
l
≤min(x
i
)时，此时汇集节点a位于新能源中间区域，并使其到各新能源的距离尽可能短。8.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至6其中一项所述的新能源交流网络拓扑规划方法。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1至6其中一项所述的新能源交流网络拓扑规划方法。

技术总结
本发明公开了一种新能源交流网络拓扑规划方法、系统、设备和介质，包括：计算电力系统潮流分布，获取新能源发电系统的参数和交流网络阻抗矩阵，建立单台新能源发电系统的动态模型。建立系统的动态稳定性约束指标。寻找新能源并网系统的交流网络拓扑结构为新能源并联接入汇集节点。根据动态稳定性约束指标的区间范围，进行汇集节点的位置选取。本发明的优点是：在实现新能源并网传输的条件下，最大化了系统的稳定性裕度，从而为新能源未来的扩容提供了冗余空间，同时也规避了因并网方式不当导致的振荡问题。致的振荡问题。致的振荡问题。


技术研发人员：王琪 曹斌 刘鸿清 王立强 张秀琦 付强
受保护的技术使用者：内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/10/5