海上风电场的稳态分析方法及系统与流程

1.本技术涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种海上风电场的稳态分析方法及系统。


背景技术：

2.目前，为了降低碳排放和缓解能源压力，新能源发电的普及率正逐渐提高，其中，风力发电是主要的新能源发电技术之一。在实际应用中，为了维护风电场的正常运行，便于大型电力系统的分析计算，需要对风电场进行稳态分析。其中，风电场的稳态分析主要指风电场在电力系统中的潮流计算，而在分析计算过程中为了降低系统建模求解规模，需要使用静态等值模型代替风电场的机组和集电系统。
3.相关技术中，在进行潮流计算时，通常是将风电机组视为pq节点，考虑风电机组出口变压器和集电线路的阻抗。然后利用损耗不变原则构建风电场静态等值模型，即将风电机组等值为一台机组，将集电线路等值为等效阻抗。该方案假设所有风电机组具有同样的功率因数，并忽略各机组的机端电压差异。
4.然而，在实际应用中，由于风电场风速分布不均，且集电系统的拓扑结构与理想假设条件有显著差异，上述基于pq节点的等值建模稳态分析方案的计算结果容易出现误差，不适用于大型风电场。并且，由于海上风电机组所采用的汇集线路与陆上风电常存在较大差异等原因，上述相关技术中的方案对海上风电场进行稳态分析的计算结果的误差将进一步加大。
5.因此，如何获得准确的大规模海上风电场电力系统的稳态分析结果，成为目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为此，本技术的第一个目的在于提出一种海上风电场的稳态分析方法，该方法考虑了不同海上风电场的集电线路的拓扑结构和参数对稳态分析的影响，可适用于大规模海上风电场的稳态分析计算，提高了稳态分析计算的准确性。
8.本技术的第二个目的在于提出一种海上风电场的稳态分析系统。
9.本技术的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
10.为达上述目的，本技术的第一方面实施例在于提出一种海上风电场的稳态分析方法，该方法包括以下步骤：
11.根据海上风电场中全功率变换风电机组的稳态工作特性，将每个风电机组等效为恒定电流源，并计算每个所述恒定电流源的等值电流相量；
12.基于所述海上风电场的集电线路的拓扑结构和线路参数，以及同一汇集母线下的每个风电机组的所述等值电流相量，将所述集电线路中的每个汇集母线等效为由等效电流源和等效阻抗并联的等值模型；
13.根据全部的汇集母线对应的等值模型生成所述海上风电场的等值计算模型，并通过所述等值计算模型进行电力系统的潮流计算，获得所述海上风电场的多个参数的稳态分析结果。
14.可选地，在本技术的一个实施例中，集电线路的拓扑结构，包括：放射型集电拓扑和星型集电拓扑，所述将所述集电线路中的每个汇集母线等效为等效电流源和等效阻抗并联的等值模型，包括：对于所述放射型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对所述任一汇集母线中的首个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，获得所述首个风电机组对应的初始诺顿等值电路，并根据所述线路参数和所述首个风电机组的等值电流相量，计算所述初始诺顿等值电路的参数值；基于所述初始诺顿等值电路，按照所述任一汇集母线中各个风电机组的顺序，对所述任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，直至获得所述任一汇集母线中的末尾风电机组对应的诺顿等值电路；将所述末尾风电机组对应的诺顿等值电路作为所述任一汇集母线对应的等值模型。
15.可选地，在本技术的一个实施例中，对所述任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，包括：从所述初始诺顿等值电路开始，将当前风电机组对应的诺顿等值电路，与母线中相邻的下一个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行组合，生成所述下一个风电机组对应的复合等值阻抗模型；对所述复合等值阻抗模型进行诺顿等值，生成所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路，并根据所述复合等值阻抗模型的参数值，计算所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路的参数值。
16.可选地，在本技术的一个实施例中，将所述集电线路中的每个汇集母线等效为等效电流源和等效阻抗并联的等值模型，还包括：对于所述星型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对每个所述单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，将所述单台机组等值阻抗模型等效为由初始电流源和初始阻抗并联的初始诺顿值电路，并根据所述线路参数和每个风电机组的所述等值电流相量，分别计算每个风电机组对应的初始诺顿等值电路的参数值；将并联的全部初始诺顿等值电路等效为任一汇集母线对应的诺顿等值电路，并根据每个所述初始诺顿等值电路的参数值，计算任一汇集母线对应的诺顿等值电路的参数值。
17.可选地，在本技术的一个实施例中，单台机组等值阻抗模型，包括：所述恒定电流源、机端变压器的等值电阻、机端变压器的等值电抗、目标电缆的电阻、目标电缆的电抗和目标电缆两侧的对地电纳，其中，所述恒定电流源的第一端接地，所述恒定电流源的第二端与所述机端变压器的等值电阻的第一端相连；所述机端变压器的等值电阻的第二端与所述机端变压器的等值电抗的第一端相连，所述机端变压器的等值电抗的第二端，与所述目标电缆的左侧对地电纳的第一端和所述目标电缆的电阻的第一端相连；所述目标电缆的左侧对地电纳的第二端接地，所述目标电缆的电阻的第二端与所述目标电缆的电抗的第一端相连；所述目标电缆的电抗的第二端与所述目标电缆的右侧对地电纳的第一端相连，所述目标电缆的右侧对地电纳的第二端接地。
18.可选地，在本技术的一个实施例中，通过以下公式计算每个所述恒定电流源的所述等值电流相量：
[0019][0020]
其中，ii是第i台风电机组的等值电流相量，i
d，i
是第i台风电机组的有功分量，i
q，i
是第i台风电机组的无功分量，i
max，i
是第i台风电机组变流器的最大电流限值，θi是功率因数角，i表示海上风电场中的任一风电机组。
[0021]
为达上述目的，本技术的第二方面实施例还提出了一种海上风电场的稳态分析系统，包括以下模块：
[0022]
第一等效模块，用于根据海上风电场中全功率变换风电机组的稳态工作特性，将每个风电机组等效为恒定电流源，并计算每个所述恒定电流源的等值电流相量；
[0023]
第二等效模块，用于基于所述海上风电场的集电线路的拓扑结构和线路参数，以及同一汇集母线下的每个风电机组的所述等值电流相量，将所述集电线路中的每个汇集母线等效为由等效电流源和等效阻抗并联的等值模型；
[0024]
计算模块，用于根据全部的汇集母线对应的等值模型生成所述海上风电场的等值计算模型，并通过所述等值计算模型进行电力系统的潮流计算，获得所述海上风电场的多个参数的稳态分析结果。
[0025]
可选地，在本技术的一个实施例中，第二等效模块，具体用于：对于所述放射型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对所述任一汇集母线中的首个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，获得所述首个风电机组对应的初始诺顿等值电路，并根据所述线路参数和所述首个风电机组的等值电流相量，计算所述初始诺顿等值电路的参数值；基于所述初始诺顿等值电路，按照所述任一汇集母线中各个风电机组的顺序，对所述任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，直至获得所述任一汇集母线中的末尾风电机组对应的诺顿等值电路；将所述末尾风电机组对应的诺顿等值电路作为所述任一汇集母线对应的等值模型。
[0026]
可选地，在本技术的一个实施例中，第二等效模块，还用于：从所述初始诺顿等值电路开始，将当前风电机组对应的诺顿等值电路，与母线中相邻的下一个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行组合，生成所述下一个风电机组对应的复合等值阻抗模型；对所述复合等值阻抗模型进行诺顿等值，生成所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路，并根据所述复合等值阻抗模型的参数值，计算所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路的参数值。
[0027]
为了实现上述实施例，本技术第三方面实施例还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的海上风电场的稳态分析方法。
[0028]
本技术的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：本技术首先将各全功率变换风电机组等效为恒定电流源，并计算各电流源的等值电流相量。然后，依据海上风电场集电线路拓扑结构和参数，应用诺顿等值原理获得各汇集母线处的等效电路。最后，将等值模型带入电力系统潮流计算方程，开展风电场稳态计算分析。本技术能够适用于包含大规模海上风电场的电力系统的稳态分析计算，构建出的等值模型中各个组件的物理意义明晰，准确反映了不同的海上风电场的集电线路拓扑结构和参数对稳态分析的影响，可以适应海上风电场的多种出力工况，丰富了稳态分析可适用的场景，提高了海上风电场稳态计
算的精确性和针对性。
[0029]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0030]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0031]
图1为本技术实施例提出的一种海上风电场的稳态分析方法的流程图；
[0032]
图2为本技术实施例提出的一种放射型集电拓扑的海上风电场并网结构的示意图；
[0033]
图3为本技术实施例提出的一种星型集电拓扑的海上风电场并网结构的示意图；
[0034]
图4为本技术实施例提出的一种汇集母线的等值模型的构建方法的流程图；
[0035]
图5为本技术实施例提出的一种单台机组等值阻抗模型的结构示意图；
[0036]
图6为本技术实施例提出的一种诺顿等值电路的结构示意图；
[0037]
图7为本技术实施例提出的一种复合等值阻抗模型的结构示意图；
[0038]
图8为本技术实施例提出的另一种汇集母线的等值模型的构建方法的流程图；
[0039]
图9为本技术实施例提出的一种汇集母线中各个机组的等效电路的示意图；
[0040]
图10为本技术实施例提出的一种具体的海上风电场的稳态分析方法的流程图；
[0041]
图11为本技术实施例提出的一种海上风电场的稳态分析系统的结构示意图。
具体实施方式
[0042]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0043]
需要说明的是，对于海上风电场而言，风电场中的海上风电机组通过中压海底电缆进行汇集，与陆上风电机组常采用的架空线汇集线路相比，海底电缆具有较高的对地电容，因此会导致各机组的机端电压具有较大差异。在通过相关技术中的等值方法对海上风电场进行潮流计算时出现较大误差，并且各机组出力的差异将进一步加剧稳态计算的误差。为此，本技术提出一种海上风电场的稳态分析方法，该方法可应用于含大规模海上风电场的电力系统的稳态分析计算，提高稳态计算的准确性。
[0044]
下面参考附图详细描述本技术实施例所提出的一种海上风电场的稳态分析方法和系统。
[0045]
图1为本技术实施例提出的一种海上风电场的稳态分析方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0046]
步骤s101，根据海上风电场中全功率变换风电机组的稳态工作特性，将每个风电机组等效为恒定电流源，并计算每个恒定电流源的等值电流相量。
[0047]
具体的，由于海上风电场通常采用变速恒频全功率变换机组，即直驱机组，因此本技术在进行海上风电场的稳态分析时，针对海上风电机组的稳态工作特性构建等值模型并进行计算。
[0048]
具体而言，在稳态运行时，海上风电机组采用最大功率跟踪控制策略，依据机端交流电压调整变流器输出电流，基于变速恒频全功率变换机组的稳态工作特性，本技术将海上风电场中包含的每个全功率变换风电机组，均等效为一个恒定电流源，并结合每个风电机组的具体工况计算每个风电机组(也可视为等效出的每个恒定电流源)的等值电流相量。
[0049]
在本技术一个实施例中，可以结合不同的风电机组所处环境中的风速、机组状态和功率因数的设定等各种工况信息，将各风电机组等值为恒定电流源，并通过以下公式计算各风电机组的机端电流相量(即恒定电流源的等值电流相量)：
[0050][0051]
其中，ii是第i台风电机组的等值电流相量，i
d，i
是第i台风电机组的有功分量，i
q，i
是第i台风电机组的无功分量，i
max，i
是第i台风电机组变流器的最大电流限值，θi是功率因数角，i表示海上风电场中的任一风电机组。
[0052]
在本实施例中，上述公式中的各个参数的值，可以根据上述的风速、机组状态、功率因数设定等当前场景下的工况信息计算得到，从而可根据机组的当前工况进行稳态分析，提高稳态分析的实时性。
[0053]
步骤s102，基于海上风电场的集电线路的拓扑结构和线路参数，以及同一汇集母线下的每个风电机组的等值电流相量，将集电线路中的每个汇集母线等效为由等效电流源和等效阻抗并联的等值模型。
[0054]
需要说明的是，海上风电场一般包含多台全功率变换风电机组，各个风电机组通过相应型号的海底电缆汇集至海上交流升压变电站，比如，通过35kv海底电缆汇集至220kv海上交流升压变电站。海上风电场可以通过多种类型的集电线路对各个风电机组进行并网，即海上风电场可能存在多种并网结构。
[0055]
举例而言，集电线路的拓扑可能存在放射型和星形两种拓扑结构，包括图2所示的放射型集电拓扑的海上风电场并网结构和图3所示的星型集电拓扑的海上风电场并网结构。如图所示，海上风电场中存在多条汇集母线(为简化描述，图2和图3中仅对其中的两条母线进行了标注，即第一汇集母线11和第一汇集母线12)，每条汇集母线中连接了多台海上风电机组，如图所示每条母线均包含机组1、机组2至机组n，n为根据实际需要确定的正整数。各条汇集母线还可以通过后续的电抗补偿母线等汇集至220kv的电网中。
[0056]
为此，本技术针对不同海上风电场汇集结构进行稳态分析，以使本技术的稳态分析方法在实际应用中可以适用于多种海上风电场。
[0057]
具体而言，本技术先根据当前的风电场的集电线路的拓扑结构、集电线路中汇集母线的各个线路参数，比如线缆的电阻和电抗等参数，以及步骤s101中已计算出的每个风电机组的等值电流相量，构建风电场中每个汇集母线的等值模型，以便后续生成整个风电场的等值模型。下面针对图2和图3所示的两种集电拓扑结构的海上风电场构建等值模型的过程进行详细说明。
[0058]
为了更加清楚的说明本技术对放射型集电拓扑的海上风电场中的汇集母线建立等值模型的具体实现过程，下面在本技术一个实施中提出的一种汇集母线的等值模型的构建方法进行示例性说明。图4为本技术实施例提出的一种汇集母线的等值模型的构建方法的流程图，如图4所示，该方法包括以下步骤：
[0059]
步骤s401，对于放射型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型。
[0060]
需要说明的是，本技术在构建风电场的等值模型时，保留风电场中的中压母线(即汇集母线)及以上电压等级的模型，对各中压母线下的风电机组进行等值。
[0061]
具体的，由于海上风电场中的每条汇集母线下风电机组等值过程相同，因此本实施例从多个汇集母线中任意选取一个母线进行示例性说明，比如，选取图2中的第一汇集母线11为例进行说明。首先，分析变速恒频全功率变换机组的特性，对选取的该汇集母线中的每个风电机组构建对应的单台机组等值阻抗模型。
[0062]
作为一种示例，对该汇集母线中的首个风电机组构建出的单台机组等值阻抗模型如图5所示，该模型，包括：恒定电流源i1、机端变压器的等值电阻r
t1
、机端变压器的等值电抗x
t1
、目标电缆的电阻r1、目标电缆的电抗x1、目标电缆两侧的对地电纳和
[0063]
其中，恒定电流源i1的第一端接地，恒定电流源的第二端与机端变压器的等值电阻r
t1
的第一端相连；机端变压器的等值电阻r
t1
的第二端与机端变压器的等值电抗x
t1
的第一端相连，机端变压器的等值电抗x
t1
的第二端，与目标电缆的左侧对地电纳的第一端和目标电缆的电阻r1的第一端相连；目标电缆的左侧对地电纳的第二端接地，目标电缆的电阻r1的第二端与目标电缆的电抗x1的第一端相连；目标电缆的电抗的第二端x1与目标电缆的右侧对地电纳的第一端相连，目标电缆的右侧对地电纳的第二端接地。
[0064]
其中，对于放射型集电拓扑海上风电场而言，目标电缆是当前的风电机组与母线中相邻的下一个机组之间的电缆，比如，图2中第一汇集母线中机组1与机组2之间的海底电缆。和均为该段电缆用pi型等效电路表示的对地电纳，二者数值相等，仅用于区分不同的组件。
[0065]
需要说明的是，该汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型的结构均如图5所示，由于不同机组处的线路参数和各个机组的等值电流相量的不同，不同风电机组的单台机组等值阻抗模型中各个组件的参数值可能不同。
[0066]
步骤s402，对任一汇集母线中的首个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，获得首个风电机组对应的初始诺顿等值电路，并根据线路参数和首个风电机组的等值电流相量，计算初始诺顿等值电路的参数值。
[0067]
具体的，先对选取的汇集母线中的第1台海上风电机组进行等值，对于图2所示的放射型集电拓扑，首个风电机组即为馈线末端的机组。将该台海上风电机组等值为恒定电流源，获取已计算出的该恒定电流源的电流相量，并计算出图5所示的单台机组等值阻抗模型中各组件的参数值后，对该等值阻抗模型进行诺顿等值，获得该风电机组对应的诺顿等值电路。
[0068]
具体而言，从图5所示等值阻抗模型右侧的端口进行等值，将图5所示的模型等效为如图6所示的，一个由电流源i
eq
和一个电抗并联z
eq
组成的诺顿等值电路。
[0069]
进一步的，基于诺顿等值原理，推导得到端口处的等效电流源的电流和等效阻抗的数值。其中，可以通过以下第一公式计算等效电流源的电流：
[0070][0071]
其中，i
eq1
是首台机组的诺顿等值电路中等效电流源的电流，z1＝r1+jx1，z
t1
＝r
t1
+jx
t1
，公式中各参数的含义如上所述。
[0072]
可以通过以下第二公式计算等效阻抗的数值：
[0073][0074]
其中，z
eq1
是首台机组的诺顿等值电路中等效阻抗的阻抗值，公式中各参数的含义如上所述。
[0075]
步骤s403，基于初始诺顿等值电路，按照任一汇集母线中各个风电机组的顺序，对任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，直至获得任一汇集母线中的末尾风电机组对应的诺顿等值电路。
[0076]
具体的，利用计算出首台风电机组对应的初始诺顿等值电路对相邻的下一个风电机组进行诺顿等值，并依次类推，对选取的汇集母线中的各台机组进行逐级等值，直至获取该汇集母线中的最后一个风电机组对应的诺顿等值电路。
[0077]
在本技术一个实施例汇中，对选取的汇集母线中除首台风电机组之外的剩余风电机组进行逐级诺顿等值，包括以下步骤：先从初始诺顿等值电路开始，将当前风电机组对应的诺顿等值电路，与母线中相邻的下一个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行组合，生成下一个风电机组对应的复合等值阻抗模型；然后对复合等值阻抗模型进行诺顿等值，生成下一个风电机组对应的诺顿等值电路，并根据复合等值阻抗模型的参数值，计算下一个风电机组对应的诺顿等值电路的参数值。
[0078]
举例而言，对图2中的第一汇集母线中机组2进行等效时，将机组1的初始诺顿等值电路和机组2的单台机组等值阻抗模型进行组合，得到如图7所示的复合等值阻抗模型，即从机组2与机组3的连接端口处进行分析，得到机组1和机组2的电路如图7所示。
[0079]
其中，i2为机组2等效电流源的电流相量，r
t2
为机组2机端变压器的等值电阻，x
t2
为机组2机端变压器的等值电抗；r2为机组2到机组3之间海底电缆的电阻，x2为该段电缆的电抗，为该段电缆左侧的对地电纳，为该段电缆右侧的对地电纳。
[0080]
进一步的，对图7所示的电路进一步利用诺顿等值原理进行等值，同样得到如图6所示的形式的诺顿等值电路，再根据复合等值阻抗模型中的初始诺顿等值电路的参数值和机组2的单台机组等值阻抗模型的参数值，推导该诺顿等值电路的参数值。
[0081]
具体而言，可以通过以下第三公式计算机组2的诺顿等值电路中等效电流源的电流：
[0082][0083]
其中，i
eq2
是机组2的诺顿等值电路中等效电流源的电流，z2＝r2+jx2，z
t2
＝r
t2
+jx
t2
，各参数的含义如上所述。
[0084]
还可以通过以下第四公式计算机组2的诺顿等值电路中等效阻抗的数值：
[0085][0086]
其中，z
eq2
是机组2的诺顿等值电路中等效阻抗的阻抗值，各参数的含义如上所述。
[0087]
更进一步的，按照上述原理，对选取的母线中的机组3至末尾的机组n进行逐级的等值，最终得到机组n的诺顿等值电路，该电路的结构同样与图6相同。并且，根据第三公式和第四公式进行递推，可以得到机组n的诺顿等值电路的参数值，计算公式如下所示：
[0088][0089][0090]
其中，z
eq,n-1
为馈线前n-1台机组的诺顿等值阻抗，zn＝rn+jxn，z
t,n
＝r
t,n
+jx
t,n
，in为机组n等效电流源的电流，r
t,n
为机组n机端变压器的等值电阻，x
t,n
为机组n端变压器的等值电抗；rn为机组n到第一汇集母线的海底电缆的电阻，xn为该段电缆的电抗，为该段电缆的对地电纳。
[0091]
步骤s404，将末尾风电机组对应的诺顿等值电路作为任一汇集母线对应的等值模型。
[0092]
由此，得到了选取的任一汇集母线对应的等值模型，并且还可以按照上述方法中的步骤，对放射型集电拓扑的海上风电场中的每个汇集母线均进行等值，得到每个汇集母线的等值模型。
[0093]
为了更加清楚的说明本技术对星型集电拓扑的海上风电场中的汇集母线建立等值模型的具体实现过程，下面在本技术一个实施中提出的另一种汇集母线的等值模型的构建方法进行示例性说明。图8为本技术实施例提出的另一种汇集母线的等值模型的构建方法的流程图，如图8所示，该方法包括以下步骤：
[0094]
步骤s801，对于星型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型。
[0095]
具体的，由于星型集电拓扑的海上风电场中的每条汇集母线下风电机组等值过程
也都相同，因此，本实施例从星型集电拓扑的多个汇集母线中任意选取一个母线进行示例性说明，比如，选取图3中的第一汇集母线11为例进行说明。首先，对选取的该汇集母线中的每个风电机组构建对应的单台机组等值阻抗模型，本实施例中对每个机组构建出的单台机组等值阻抗模型，与上述放射型集电拓扑的实施例中的一致，此处不再赘述。
[0096]
步骤s802，对每个单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，将单台机组等值阻抗模型等效为由初始电流源和初始阻抗并联的初始诺顿值电路，并根据线路参数和每个风电机组的等值电流相量，分别计算每个风电机组对应的初始诺顿等值电路的参数值。
[0097]
具体的，对选取的汇集母线中的每个风电机组同时进行诺顿等值，为每个机组构建出如图6所示的诺顿等值电路。然后，参照上述实施例中的第一公式和第二公式，分别计算每个诺顿等值电路中的等效电流源的电流和等效阻抗的阻值。由此，得到图9所示的选取的该母线中的各个机组的等效电路。
[0098]
步骤s803，将并联的全部初始诺顿等值电路等效为任一汇集母线对应的诺顿等值电路，并根据每个初始诺顿等值电路的参数值，计算任一汇集母线对应的诺顿等值电路的参数值。
[0099]
具体的，如图9所示，基于选取的汇集母线下各个机组对应的诺顿等值电路的并联关系，可获得星型拓扑结构下同一汇集母线处的诺顿等值电路，该诺顿等值电路的结构与图6相同。进而，根据每个机组对应的初始诺顿等值电路的参数值，计算出选取的汇集母线对应的诺顿等值电路的参数值。具体计算公式如下所示：
[0100][0101]zeq
＝z
eq,1
//z
eq,2
…
//z
eq,n
[0102]
其中，i
eq
是汇集母线对应的诺顿等值电路的等效电流源的电流值，z
eq
是汇集母线对应的诺顿等值电路的等效阻抗的阻值，i
eq，i
是为第i台机组对应的诺顿等值电路的等效电流源的电流值，z
eq，i
是为第i台机组对应的诺顿等值电路的等效阻抗的阻值，比如，图9中所示的第一台机组对应的i
eq1
和z
eq1
，以及第二台机组对应的i
eq2
和z
eq2
等。
[0103]
由此，本技术针对不同的集电线路的拓扑结构，可以计算出集电线路中的每个汇集母线对应的等值模型
[0104]
步骤s103，根据全部的汇集母线对应的等值模型生成海上风电场的等值计算模型，并通过等值计算模型进行电力系统的潮流计算，获得海上风电场的多个参数的稳态分析结果。
[0105]
其中，多个参数包括海上风电场的并网点电压和功率等能够表示海上风电场各部分稳态运行状态参数，比如，各支路的功率分布和功率损耗，以及各个母线节点的电压幅值等。
[0106]
具体的，对海上风电场中所有汇集母线均构建出对应的等值模型后，获得该海上风电场的等值计算模型。在该等值计算模型中，海上风电场中的各个汇集母线的节点视为iθ节点，iθ节点是已知节点的电流幅值i和相位θ，计算节点的稳态运行状态参数。然后，将各个iθ节点代入电力系统的潮流计算方程，对该海上风电场的并网点电压和功率等开展计算分析。
[0107]
需要说明的是，潮流计算是给定电力系统网络拓扑、元件参数和发电参量条件下，计算有功功率、无功功率及电压在电力网中的分布等各个稳态运行参数的过程。本技术通过海上风电场的等值计算模型进行潮流计算的过程，可以参照相关技术中根据静态等值模型进行潮流计算的过程，此处不再赘述。
[0108]
综上所述，本技术实施例的海上风电场的稳态分析方法，首先将各全功率变换风电机组等效为恒定电流源，并计算各电流源的等值电流相量。然后，依据海上风电场集电线路拓扑结构和参数，应用诺顿等值原理获得各汇集母线处的等效电路。最后，将等值模型带入电力系统潮流计算方程，开展风电场稳态计算分析。该方法能够适用于包含大规模海上风电场的电力系统的稳态分析计算，构建出的等值模型中各个组件的物理意义明晰，准确反映了不同的海上风电场的集电线路拓扑结构和参数对稳态分析的影响，可以适应海上风电场的多种出力工况，丰富了稳态分析可适用的场景，提高了海上风电场稳态计算的精确性和针对性。
[0109]
为了更加清楚地说明本技术实施例的海上风电场的稳态分析方法的实现流程，下面以一个具体的方法实施例进行详细说明。图10为本技术实施例提出的一种具体的海上风电场的稳态分析方法的流程图，如图10所示，该实施例的故障诊断方法包括以下步骤：
[0110]
步骤s1，将各个全功率变换型风电机组等效为恒定电流源，并计算等效电流相量。
[0111]
步骤s2，应用诺顿等值原理，依据海上风电场集电线路拓扑和参数，将同一汇集母线下的各台风电机组等效为电流源和阻抗并联的等值电路。
[0112]
步骤s3，完成海上风电场全部汇集母线处的等值建模，将等值模型带入电力系统潮流计算方程，开展风电场稳态计算分析。
[0113]
需要说明的是，本实施例中各步骤的具体实现方式可参照上述实施例中的相关描述，此处不再赘述。
[0114]
为了实现上述实施例，本技术还提出了一种海上风电场的稳态分析系统，图11为本技术实施例提出的一种海上风电场的稳态分析系统的结构示意图，如图11所示，该系统包括第一等效模块100、第二等效模块200和计算模块300。
[0115]
其中，第一等效模块100，用于根据海上风电场中全功率变换风电机组的稳态工作特性，将每个风电机组等效为恒定电流源，并计算每个恒定电流源的等值电流相量。
[0116]
第二等效模块200，用于基于海上风电场的集电线路的拓扑结构和线路参数，以及同一汇集母线下的每个风电机组的等值电流相量，将集电线路中的每个汇集母线等效为由等效电流源和等效阻抗并联的等值模型。
[0117]
计算模块300，用于根据全部的汇集母线对应的等值模型生成海上风电场的等值计算模型，并通过等值计算模型进行电力系统的潮流计算，获得海上风电场的多个参数的稳态分析结果。
[0118]
可选地，在本技术的一个实施例中，第二等效模块200，具体用于：对于放射型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对任一汇集母线中的首个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，获得首个风电机组对应的初始诺顿等值电路，并根据线路参数和首个风电机组的等值电流相量，计算初始诺顿等值电路的参数值；基于初始诺顿等值电路，按照任一汇集母线中各个风电机组的顺序，对任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，直至获得任一汇集母线
中的末尾风电机组对应的诺顿等值电路；将末尾风电机组对应的诺顿等值电路作为任一汇集母线对应的等值模型。
[0119]
可选地，在本技术的一个实施例中，第二等效模块200，具体用于：从初始诺顿等值电路开始，将当前风电机组对应的诺顿等值电路，与母线中相邻的下一个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行组合，生成下一个风电机组对应的复合等值阻抗模型；对复合等值阻抗模型进行诺顿等值，生成下一个风电机组对应的诺顿等值电路，并根据复合等值阻抗模型的参数值，计算下一个风电机组对应的诺顿等值电路的参数值。
[0120]
可选地，在本技术的一个实施例中，第二等效模块200，还用于：对于星型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对每个单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，将单台机组等值阻抗模型等效为由初始电流源和初始阻抗并联的初始诺顿值电路，并根据线路参数和每个风电机组的等值电流相量，分别计算每个风电机组对应的初始诺顿等值电路的参数值；将并联的全部初始诺顿等值电路等效为任一汇集母线对应的诺顿等值电路，并根据每个初始诺顿等值电路的参数值，计算任一汇集母线对应的诺顿等值电路的参数值。
[0121]
可选地，在本技术的一个实施例中，第一等效模块100，具体用于通过以下公式计算每个恒定电流源的等值电流相量：
[0122][0123]
其中，ii是第i台风电机组的等值电流相量，i
d，i
是第i台风电机组的有功分量，i
q，i
是第i台风电机组的无功分量，i
max，i
是第i台风电机组变流器的最大电流限值，θi是功率因数角，i表示海上风电场中的任一风电机组。
[0124]
需要说明的是，前述对海上风电场的稳态分析方法的实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。
[0125]
综上所述，本技术实施例的海上风电场的稳态分析系统，首先将各全功率变换风电机组等效为恒定电流源，并计算各电流源的等值电流相量。然后，依据海上风电场集电线路拓扑结构和参数，应用诺顿等值原理获得各汇集母线处的等效电路。最后，将等值模型带入电力系统潮流计算方程，开展风电场稳态计算分析。该系统能够适用于包含大规模海上风电场的电力系统的稳态分析计算，构建出的等值模型中各个组件的物理意义明晰，准确反映了不同的海上风电场的集电线路拓扑结构和参数对稳态分析的影响，可以适应海上风电场的多种出力工况，丰富了稳态分析可适用的场景，提高了海上风电场稳态计算的精确性和针对性。
[0126]
为了实现上述实施例，本技术还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例中任一所述的海上风电场的稳态分析方法。
[0127]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0128]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0129]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0130]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0131]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0132]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0133]
此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0134]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限
制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种海上风电场的稳态分析方法，其特征在于，包括以下步骤：根据海上风电场中全功率变换风电机组的稳态工作特性，将每个风电机组等效为恒定电流源，并计算每个所述恒定电流源的等值电流相量；基于所述海上风电场的集电线路的拓扑结构和线路参数，以及同一汇集母线下的每个风电机组的所述等值电流相量，将所述集电线路中的每个汇集母线等效为由等效电流源和等效阻抗并联的等值模型；根据全部的汇集母线对应的等值模型生成所述海上风电场的等值计算模型，并通过所述等值计算模型进行电力系统的潮流计算，获得所述海上风电场的多个参数的稳态分析结果。2.根据权利要求1所述的海上风电场的稳态分析方法，其特征在于，所述集电线路的拓扑结构，包括：放射型集电拓扑和星型集电拓扑，所述将所述集电线路中的每个汇集母线等效为等效电流源和等效阻抗并联的等值模型，包括：对于所述放射型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对所述任一汇集母线中的首个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，获得所述首个风电机组对应的初始诺顿等值电路，并根据所述线路参数和所述首个风电机组的等值电流相量，计算所述初始诺顿等值电路的参数值；基于所述初始诺顿等值电路，按照所述任一汇集母线中各个风电机组的顺序，对所述任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，直至获得所述任一汇集母线中的末尾风电机组对应的诺顿等值电路；将所述末尾风电机组对应的诺顿等值电路作为所述任一汇集母线对应的等值模型。3.根据权利要求2所述的海上风电场的稳态分析方法，其特征在于，所述对所述任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，包括：从所述初始诺顿等值电路开始，将当前风电机组对应的诺顿等值电路，与母线中相邻的下一个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行组合，生成所述下一个风电机组对应的复合等值阻抗模型；对所述复合等值阻抗模型进行诺顿等值，生成所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路，并根据所述复合等值阻抗模型的参数值，计算所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路的参数值。4.根据权利要求2所述的海上风电场的稳态分析方法，其特征在于，所述将所述集电线路中的每个汇集母线等效为等效电流源和等效阻抗并联的等值模型，还包括：对于所述星型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对每个所述单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，将所述单台机组等值阻抗模型等效为由初始电流源和初始阻抗并联的初始诺顿值电路，并根据所述线路参数和每个风电机组的所述等值电流相量，分别计算每个风电机组对应的初始诺顿等值电路的参数值；将并联的全部初始诺顿等值电路等效为任一汇集母线对应的诺顿等值电路，并根据每个所述初始诺顿等值电路的参数值，计算任一汇集母线对应的诺顿等值电路的参数值。5.根据权利要求2或4所述的海上风电场的稳态分析方法，其特征在于，所述单台机组
等值阻抗模型，包括：所述恒定电流源、机端变压器的等值电阻、机端变压器的等值电抗、目标电缆的电阻、目标电缆的电抗和目标电缆两侧的对地电纳，其中，所述恒定电流源的第一端接地，所述恒定电流源的第二端与所述机端变压器的等值电阻的第一端相连；所述机端变压器的等值电阻的第二端与所述机端变压器的等值电抗的第一端相连，所述机端变压器的等值电抗的第二端，与目标电缆的左侧对地电纳的第一端和所述目标电缆的电阻的第一端相连；所述目标电缆的左侧对地电纳的第二端接地，所述目标电缆的电阻的第二端与所述目标电缆的电抗的第一端相连；所述目标电缆的电抗的第二端与目标电缆的右侧对地电纳的第一端相连，所述目标电缆的右侧对地电纳的第二端接地。6.根据权利要求1所述的海上风电场的稳态分析方法，其特征在于，通过以下公式计算每个所述恒定电流源的所述等值电流相量：其中，i
i
是第i台风电机组的等值电流相量，i
d，i
是第i台风电机组的有功分量，i
q，i
是第i台风电机组的无功分量，i
max，i
是第i台风电机组变流器的最大电流限值，θ
i
是功率因数角，i表示海上风电场中的任一风电机组。7.一种海上风电场的稳态分析系统，其特征在于，包括以下模块：第一等效模块，用于根据海上风电场中全功率变换风电机组的稳态工作特性，将每个风电机组等效为恒定电流源，并计算每个所述恒定电流源的等值电流相量；第二等效模块，用于基于所述海上风电场的集电线路的拓扑结构和线路参数，以及同一汇集母线下的每个风电机组的所述等值电流相量，将所述集电线路中的每个汇集母线等效为由等效电流源和等效阻抗并联的等值模型；计算模块，用于根据全部的汇集母线对应的等值模型生成所述海上风电场的等值计算模型，并通过所述等值计算模型进行电力系统的潮流计算，获得所述海上风电场的多个参数的稳态分析结果。8.根据权利要求7所述的海上风电场的稳态分析系统，其特征在于，所述第二等效模块，具体用于：对于所述放射型集电拓扑的海上风电场，构建任一汇集母线中的每个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型；对所述任一汇集母线中的首个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行诺顿等值，获得所述首个风电机组对应的初始诺顿等值电路，并根据所述线路参数和所述首个风电机组的等值电流相量，计算所述初始诺顿等值电路的参数值；基于所述初始诺顿等值电路，按照所述任一汇集母线中各个风电机组的顺序，对所述任一汇集母线中剩余的风电机组进行逐级诺顿等值，直至获得所述任一汇集母线中的末尾风电机组对应的诺顿等值电路；将所述末尾风电机组对应的诺顿等值电路作为所述任一汇集母线对应的等值模型。9.根据权利要求8所述的海上风电场的稳态分析系统，其特征在于，所述第二等效模
块，还用于：从所述初始诺顿等值电路开始，将当前风电机组对应的诺顿等值电路，与母线中相邻的下一个风电机组对应的单台机组等值阻抗模型进行组合，生成所述下一个风电机组对应的复合等值阻抗模型；对所述复合等值阻抗模型进行诺顿等值，生成所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路，并根据所述复合等值阻抗模型的参数值，计算所述下一个风电机组对应的诺顿等值电路的参数值。10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一所述的海上风电场的稳态分析方法。

技术总结
本申请提出了一种海上风电场的稳态分析方法及系统，该方法包括：根据海上风电场中全功率变换风电机组的稳态工作特性，将每个风电机组等效为恒定电流源，并计算每个恒定电流源的等值电流相量；基于海上风电场的集电线路的拓扑结构和线路参数，以及同一汇集母线下的每个风电机组的等值电流相量，将集电线路中的每个汇集母线等效为由等效电流源和等效阻抗并联的等值模型；根据全部的汇集母线对应的等值模型生成海上风电场的等值计算模型，并通过等值计算模型进行电力系统的潮流计算，获得海上风电场的多个参数的稳态分析结果。该方法可适用于大规模海上风电场的稳态分析计算，提高了稳态分析计算的准确性。稳态分析计算的准确性。稳态分析计算的准确性。


技术研发人员：田立亭 牛晨晖 陈正华 郭小江 申旭辉 顾健威 严祺慧 章卓雨 李冬 曾煜君 王磊 郑益
受保护的技术使用者：盛东如东海上风力发电有限责任公司 华能国际电力江苏能源开发有限公司 华能国际电力江苏能源开发有限公司清洁能源分公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/13