一种基于分布参数的海上风电海缆沿线电压计算方法及系统与流程

本发明属于电力系统运行与分析，具体涉及一种基于分布参数的海上风电海缆沿线电压计算方法及系统。

背景技术：

1、随着海上风电场离岸距离和装机容量不断增加，高压交流海底电缆的输送距离逐渐增大。海底电缆具有较大的单位长度对地电容，在工频运行条件下会产生较大的充电电流和充电无功，使海缆沿线电压呈现连续变化，部分运行工况下还可能出现电缆中部或风电场侧电压高于额定电压的情况。因此，准确获得海缆沿线电压的连续分布，是开展海缆绝缘配置、电压应力评估及运行安全分析的重要基础。

2、中国专利申请cn109254189a公开了一种海底电缆耐压试验终端电压计算方法，该方法采用海底电缆分布参数模型推导电缆沿线电压计算公式，并根据三相电缆不同层之间的电容等效模型确定线芯自电纳，通过在电缆末端设置等效电容计算耐压试验状态下的电缆终端电压。该方法主要适用于电缆耐压试验场景，其边界条件由试验电源、末端阻抗及等效电容确定，未涉及海上风电场带载并网运行状态下端部电压和电流边界量的求解。

3、中国专利申请cn110046322a公开了一种长电缆耐压试验线芯电压解析计算方法，该方法根据计及电缆护层的分布参数等效电路建立基尔霍夫方程组，通过拉普拉斯变换及反变换获得单相电缆传输模型，并将线芯首端施加电压、护层两端接地及线芯末端悬空等耐压试验边界条件代入所述传输模型，以计算不同位置处的电缆线芯对地电压。该方法能够考虑电缆线芯与护层之间的耦合关系，但其边界条件同样针对耐压试验工况预先设定，不能直接用于求解海上风电场带载并网运行时由风电场输出状态和电网侧运行状态共同决定的海缆端部边界量。

4、中国专利申请cn116131276a公开了一种基于功率因素的海上风电无功补偿优化计算方法及系统，其中采用交流海缆分布参数等值电路，根据单位长度阻抗、单位长度导纳以及已知的海缆末端电压和电流计算海缆沿线任意位置的电压和电流，并根据海上风电场的无功缺额确定无功补偿装置容量。该方法能够反映交流海缆的分布参数特性，但其主要目的在于无功补偿容量配置，沿线电压计算需要以已知的海缆端部电压和电流作为边界条件，未给出在风电场输出电流、风电场等效内阻抗、电网侧等效内阻抗及电网侧电压相角相互耦合的情况下，直接解析求解海缆端部边界量的方法。

5、综上，现有技术已经能够利用分布参数传输线模型，在给定端部边界条件的情况下计算海缆沿线或特定位置的电压，但在海上风电场带载并网运行时，海缆端部电压和电流同时受到风电场输出电流、风电场等效内阻抗、电网侧等效内阻抗及电网侧电压约束的共同影响，端部边界量并非均为已知量。若先采用迭代潮流或电磁暂态仿真确定端部边界量，再计算海缆沿线电压，计算过程相对复杂且耗时较长。

6、因此，亟需一种能够在考虑风电场带载运行及海缆线路分布参数的情况下，直接求解海缆端部边界量并连续计算沿线任意位置电压的方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：现有海缆沿线电压计算难以在风电场带载并网运行条件下，直接确定受风电场输出状态、电网侧运行状态及海缆分布参数共同影响的端部边界量，导致沿线电压连续分布计算依赖迭代潮流或电磁暂态仿真，存在计算过程复杂、耗时较长的问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种基于分布参数的海上风电海缆沿线电压计算方法，包括以下步骤：

2、s1，获取海上风电交流并网系统的电网侧参数、风电场侧参数和海缆线路参数；

3、s2，根据所述海缆线路参数确定海缆线路的单位长度串联阻抗、单位长度并联导纳、传播常数和特征阻抗，并构建海缆线路的等效二端口导纳矩阵；

4、s3，根据所述风电场侧参数构建风电场等效理想电流源，以所述风电场等效理想电流源的出口电压相量作为参考相量，将其电压有效值设为待求变量；

5、根据所述风电场等效理想电流源、风电场正序等效内阻抗和海缆线路末端之间的连接关系，将海缆线路末端电压相量表示为所述待求变量的线性函数；

6、根据海缆线路末端注入电流相量等于所述风电场等效理想电流源的输出电流相量的电流边界条件以及所述等效二端口导纳矩阵，将海缆线路首端电压相量和首端注入电流相量表示为所述待求变量的线性函数；

7、根据电网侧电压平衡关系，将所述海缆线路首端电压相量与所述首端注入电流相量在电网侧正序等效内阻抗上产生的电压降相量相加，得到电网侧正序等效电压源相量，并将其表示为所述待求变量的线性函数；

8、s4，根据所述电网侧正序等效电压源相量的幅值约束，对相应的线性函数取模平方，以消除所述电网侧正序等效电压源相量的未知相角，构建并求解关于所述待求变量的代数方程，得到所述风电场等效理想电流源的出口电压有效值；

9、s5，根据所述出口电压有效值计算海缆线路的首端电压相量和首端注入电流相量，并以所述首端电压相量和首端注入电流相量作为边界条件，通过分布参数传输线方程计算海缆线路沿线任意位置的电压有效值，得到海缆线路的沿线电压分布。

10、优选的，所述电网侧参数包括系统基准电压、系统基准容量、电网侧正序等效电压源的相电压有效值以及电网侧正序等效内阻抗；

11、所述风电场侧参数包括风电场输出正序电流的轴分量、轴分量以及风电场正序等效内阻抗，其中，以风电场等效理想电流源的出口电压相量方向作为轴正方向，以所述轴正方向逆时针旋转的方向作为轴正方向；

12、所述海缆线路参数包括海缆线路全长，以及整条海缆线路的正序串联电阻标幺值、正序串联电抗标幺值和正序并联电纳标幺值。

13、优选的，所述电网侧参数包括系统基准电压和系统基准容量，所述海缆线路参数包括海缆线路全长，以及整条海缆线路的正序串联电阻标幺值、正序串联电抗标幺值和正序并联电纳标幺值；

14、其中，所述系统基准电压为线电压基准值，所述系统基准容量为三相容量基准值；

15、根据所述系统基准电压和系统基准容量，计算阻抗基准值和导纳基准值：

16、

17、将整条海缆线路的标幺参数换算为单位长度串联阻抗和单位长度并联导纳：

18、

19、其中，表示虚数单位，且满足。

20、优选的，将所述单位长度串联阻抗、单位长度并联导纳和海缆线路全长分别记为、和，所述传播常数和特征阻抗分别为：

21、

22、其中，所述传播常数取实部不小于0的复数平方根支路；当所述传播常数的实部等于0时，取虚部不小于0的支路；所述特征阻抗取满足且实部大于0的支路；

23、所述等效二端口导纳矩阵为：

24、

25、其中：

26、

27、。

28、优选的，所述风电场侧参数包括风电场输出正序电流的轴分量、轴分量以及风电场正序等效内阻抗；

29、根据所述轴分量和轴分量，构建所述风电场等效理想电流源的输出电流相量：

30、

31、其中，表示虚数单位，且满足；

32、以所述风电场等效理想电流源的出口电压相量作为参考相量，将其相角设为，并将其电压有效值记为，则：

33、

34、海缆线路末端电压相量为：

35、

36、将所述等效二端口导纳矩阵的矩阵元素分别记为、、和，海缆线路首末端电压相量与注入电流相量满足：

37、

38、海缆线路末端注入电流相量满足：

39、。

40、优选的，将所述等效二端口导纳矩阵的矩阵元素分别记为、、和，将电网侧正序等效内阻抗、风电场正序等效内阻抗和风电场等效理想电流源的输出电流相量分别记为、和；

41、所述海缆线路的首端电压相量和电网侧正序等效电压源相量分别表示为：

42、

43、其中：

44、

45、

46、

47、。

48、优选的，将海缆线路的首端电压相量和电网侧正序等效电压源相量的线性函数分别表示为：

49、

50、将电网侧正序等效电压源的相电压有效值记为，根据所述电网侧正序等效电压源相量的幅值约束：

51、

52、构建关于的代数方程：

53、

54、其中：

55、

56、

57、

58、表示取复数的实部，表示取复数的虚部；

59、从所述代数方程的实数根中选取大于零且满足海上风电交流并网系统运行电压约束的实数根，作为所述出口电压有效值；存在多个满足条件的实数根时，选取与系统额定相电压差值最小的实数根；

60、所述系统额定相电压根据系统额定线电压按照下式确定：

61、

62、所述系统额定线电压为海上风电交流并网系统的标称线电压，并根据系统设计参数或设备额定参数获取；

63、所述运行电压约束为：

64、

65、其中，和分别为允许电压偏差范围对应的电压下限和电压上限，所述允许电压偏差范围根据适用于所述海上风电交流并网系统的并网技术要求、电压质量标准或工程设计要求确定，并作为预设参数；

66、根据所述出口电压有效值计算：

67、

68、

69、

70、将所述传播常数、特征阻抗和海缆线路全长分别记为、和，海缆线路沿线距离电网侧海缆端部处的电压有效值为：

71、。

72、一种基于分布参数的海上风电海缆沿线电压计算系统，包括：

73、参数获取模块，用于获取海上风电交流并网系统的电网侧参数、风电场侧参数和海缆线路参数；

74、分布参数模型构建模块，用于根据所述海缆线路参数确定海缆线路的单位长度串联阻抗、单位长度并联导纳、传播常数和特征阻抗，并构建海缆线路的等效二端口导纳矩阵；

75、边界关系构建模块，用于根据所述风电场侧参数构建风电场等效理想电流源，以所述风电场等效理想电流源的出口电压相量作为参考相量，将其电压有效值设为待求变量，并结合海缆线路末端的电流边界条件、所述等效二端口导纳矩阵及电网侧电压平衡关系，将海缆线路的首端电压相量和电网侧正序等效电压源相量表示为所述出口电压有效值的线性函数；

76、电压求解模块，用于将所述电网侧正序等效电压源相量的线性函数代入其幅值约束，并对所述线性函数取模平方，以消除所述电网侧正序等效电压源相量的未知相角，构建并求解关于所述出口电压有效值的代数方程；

77、沿线电压计算模块，用于根据求得的所述出口电压有效值计算海缆线路的首端电压相量和首端注入电流相量，并通过分布参数传输线方程计算海缆线路沿线任意位置的电压有效值。

78、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

79、本发明采用线路分布参数描述海缆的串联阻抗和并联导纳，能够保留长距离海缆参数沿线路连续分布的特性；通过将风电场等效为理想电流源与等效内阻抗的组合，结合海缆等效二端口导纳矩阵及电网侧正序等效电压源相量的幅值约束，将海缆端部边界量的求解转化为关于风电场等效理想电流源出口电压有效值的代数方程，减少对迭代潮流或电磁暂态仿真的依赖；在求得海缆首端电压相量和首端注入电流相量后，利用分布参数传输线方程连续计算海缆沿线任意位置的电压有效值，从而减少带载运行状态下长距离海缆沿线电压分析的计算耗时，并为海缆电压应力评估和运行安全分析提供数据支撑。