Ｎ．新能源发电风电接入电网的潮流计算研究刘洋，李智，张波，韩学山（山东大学电气工程学院，山东，济南２５００６１）摘要：本文就风电接人电网的潮流计算问题进行研究，提出相应模型和方法。重点在于风力发电机ＰＱ特性的处理，将风电机组的有功表达为风速的函数，无功进而可以表示为有功、电压及转差的甬数，并根据风电场节点电压与无功的关系，对雅可比矩阵进行修改，实现潮流计算与传统方法的并轨和一致性。最后应用陬习巳－１４标准系统扩展的算例，对本文模型和算法进行验证，初步得到较满意的效果，也为进一步深入研究奠定了基础。关键词：风力发电；潮流；无功；电压Ｏ引言风能是廉价的可再生能源，基于风能的发电技术一直受到人们的关注。如今这一技术已取得突破性进展，其性能、价格越来越朝着良好的方向发展，由此目前风电已成为可再生能源利用中发展速度最快、也极具有前景的一种发电方式。然而，由于风能的随机、间歇和不可等性质，伴随其发电也必然存在随机性和间歇性，尤其是风电场并入电网，且规模不断扩大时，必将对电力系统运行造成影响。这一影响涉及方方面面，其中风电场并网的电力系统潮流计算就是—个基本而关键的问题，解决好这个问题，也是开展其它问题研究基础【¨。解决风电场接入电网的潮流计算，关键就是如何处理风力发电机组本身固有的特性，即感应电机的特性。传统的潮流计算，一般将节点分为ＰＶ节点和ＰＱ节点，并设置—个平衡节点。然而，对应风电机组的节点，究竞应该归类那种类型的节点，至少目前尚未达成一致的观点口】。由于异步发电机本身没有励磁装置，其磁场的建立必然要与电网关联，再加上风能的特性，似乎恒定其电压和恒定其有功和无功都有一定的困难。由此，理论上讲，风电机组所在节点既不是ＰＶ节点，也不是ＰＱ节点。当然，在精度要求不高的情况下，风电机组所在节点可以近似等效为ＰＱ节点，这样就保持传统的研究成果继续得以使用，但当风电规模达到一定程度时，这样的处理方式就必然失去计算精度，也就不符合实际。由此，人们就这一问题，开展了诸多研究，如文献［３１中提到的考虑异步发电机机械特性的ＲＸ模型，其基本思想是基于两个迭代过程，一是通过常规潮流迭代过程计算异步发电机的机端电压；二是通过异步发电机滑差的迭代过程计算异步发电机的滑差。根据能量守恒定律，风力机吸收的机械功率和异步发电机发出的电气功率理论上应该相等。因此，当异步风力发电机的电气功率与风力机吸收的机械功率的差值达到允许的误差范围时，说明风力发电机组达到稳定运行点。这种方法能够较好地反映异步电机的特性，但由于需要两个迭代过程，其总的迭代次数多，计算负担重，同时收敛性变差【４】。本文借助风电机组有功、无功的牵连关系，在忽略机械损耗前提下，使风电接人的潮流计算较传统潮流计算基本一致。也就是该模型有机考虑异步发电机本身特性，将有功表达成风速的函数，由异步发电机的功率特性可以表述成有功和电压及转差的函数，以修正传统雅可比阵相关风电节点的元素，实现简单、方便，达到与传统潮流计算一致的性能。该思路也方便其他问题（如优化潮流、控制等）的处理，也符合实际需要。１风机有功与无功关联的描述１．１风机有功表达风力发电机的发电能力受多种因素影响，主要是风速、风机的叶片受风面积等。风力发电机所发出的机械功率可表示为［５１：Ｐｍ＝Ｏ．５Ｃ。ｐｓｖ’（１）式中：Ｓ为风机叶片扫掠面积，ｍ２；Ｐ为空气密度，妇，ｍ３：Ｖ为风速，ｍｌｓ；Ｃｐ为风力机的风能利用系数，它是叶尖速比五的函数。其中五＝国ｒ／Ｖ，倒为风轮角速度，ｒａｄ／ｓ；ｒ为风轮半径，，，ｌ。由式（１）可以看出，风力发电机的机械功率与受风面积及风速的三次方成正比，只要已知风速便可得到风机的理论输出功率。１．２风机有功与无功的关联Ｒ／ｓ图１异步发电机的等值电路中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十阳届学术年会论文集图１为异步发电机的等值电路，其中Ｕ为异步发电机的机端电压，，，为定子电流，Ｉｍ为激磁电流，，，为转子电流。ｋ为激磁电抗，Ｒ为机械负载等效电阻，％为定子漏抗和转子漏抗之和，ｓ为转差率。由图１，异步发电机输出的电磁功率和功率因数可分别推导为如下表达。电磁功率为：｜（２；辔①＝—Ｒ２＋ｘａ（ｘ—ａ＋ｘｍ）ｓ２（３）￡＝丽ｓＲＵ２功率因数为：６一——————————————：＿——————一—Ｒ（Ｕ２－４０—４－ｓＲｘｍ同时，异步发电机转差率可表达为：ｓ：４ｘ２ａｐｅ（４）２ｐ，ｘ；）２同理，异步发电机输出的无功功率可表达为：Ｑ：壁竺岛兰坦堡（５）ｓＲｘ，．由式（４）和式（５）可见，异步发电机输出的无功功率已转化为与有功功率和电压相关的函数，而有功功率（忽略损耗）又是风速的嚼数。因此，只要风速确定，由式（１）便可以得到风力发电机输出的有功功率，进而由式（４）和式（５）可以得到风电机组所需要吸收的无功功率。２传统潮流模型的修正传统潮流方程求解时的修正方程可表示为【６】：褂［矧惭］⑩按风机有功与无功的关联关系。在进行含风电场电力系统潮流计算时，需要对传统潮流修正方程进行修改。由于风电场节点注入无功为节点电压的函数，因此，在形成雅可比矩阵时需要补充风电场节点注入无功对电压导数项，以修改雅可比矩阵中．，相关项。，盼面即鍪２２耍‘㈩Ｍ２一塑雩掣，４尸２工．’面３Ｑ＝一等（一十丽葡２Ｕ３Ｒ雨２；．警嗍＋２Ｕ３ＲｚｃＵ４Ｒ２－４啦２打㈣懈一砸ｘａ＋ｘｍ、．－Ｕ２Ｒ＋厨丽）２】（－ｕ２尺＋√ｕ４Ｒ２—４ｅ２Ｒ２．％２）＿２·可见，雅可比矩阵Ｊ中，只需在对应风电场节点无功功率对该节点电压的导数中累加式（８），其余雅可比矩阵中元素不变。３计算流程在上节基础上，含风电场的电力系统潮流计算的步骤和传统潮流计算基本一致，区别仅在于风电场节点注入有功和无功计算，以及风电场节点对应雅可比矩阵需要进行的修图２含风电场的电力系统潮流计算流程图４算例及其分析本文构造的验证算例背景描述如下：假设风电场通过１１０ＫＶ线路连接到砸ＥＥｌ４标准系统（见图３）的第１４节点‘引，接人的风电场系统输电阻抗为３．１４９６３＋ｊ６．２３９９７Ｑ。风电场容量为２０’８００ＫＷ，定子漏抗为０．０７６２０ｆ２，转子阻抗为０．００７５９＋ｊ０．１８２８９ｆ２。激磁电抗为３．４４９７９Ｑ。风电机组的切人风速、额定风速、切除风速分别为３ｒｎ／ｓ、１４ｍ／ｓ、２５ｍ／ｓ。接入风电场后，相应地将节点１４的负荷在原有基础上增加１６ＭＷ。Ｎ．耨能源发壤．２６８ｌ一阐３风电场接入系统胬按本文模型和薄法可对上例进行计算，以下给予分析。寝１怒不同风速下，风电场节点有功功率、无功功率及节点电压结果。表ｌ不阐风速下风电场节点的有功、无功以及节点电藤鼠．粒ｎＹｓ有功功率－／ｐｕ无功功率细ｕ节点电ＮＪｐｕ４０．０１０７２－０．０２８０６７１．００２７８７８６０．０３牵搿－０．０３１ｌＯ∞１．００５０９６５８０。０６１２∞．∞８３１３４１．蝴２２１ｌＯ＆０９ｌ．Ｏ。０５１７２麓ｌ。∞６７９６ｌ１２Ｏ．１２３８４一Ｏ。０７５２７１２ｌ。００４４９９４１４Ｏ．１６．０．１２９５０９０．９９５９６７０３瘗表ｌ霹觅，隧风速的增大，鼠电场输出有功功率逐渐撄翔，圆畦其吸收无魂凌率也逐激增鸯羹，｛嚣节点亳疆戴是先辨居降。墨风速达到１４ｍ／ｓ时，风电机组运行在额定状态下，我们将此时系统１４节点的电压分别同束接风电时系统的结果进行比较，如袭２所示。表２风电机组接入与未接入时十四个节点电压比较本模瑟结果节点号未接风电时系统偏差酉，ｐ．Ｕ结果，ｐ．Ｕ分比ｌ１．０６１．０６０００２１．髓５１．０４５０Ｏ３１．Ｏｌ１．ＯｌｏｏＯ４ｌ。０１９２５７３１．０２黼５２０．１３７镛５１．０２ｌ１４５３１．０２２０９７ｌ０。０９％６１．０７ｌ。０７Ｏ７１．０４９６６６７１．０５４０３６８０１３９％８１．０９１．０９００Ｏ９１．０３０６２４６１．０３９２５９４Ｏ．８３％ｌＯ１．０３０２１９３１．０３７３８４８Ｏ．６９％ｌｌｌ，８４６５１２８１．０５０１８５４Ｏ．３５％‘董２ｌ。０５３３４９３１．０５５８５６３Ｏ．２霹％１３ｌ。０４２４３８ｌ１．０４８４１８６Ｏ。５７％１４０．９９８１８５ｌ１．０２５０８２６２。６％由液２，在接入了风电之蒋各节点电疆幅值变化都在很夺盼范漆之瘸，符合实际要求，验证了该模型的正确往。风电接入蒂点１４节点的电舔偏羞最太，随着风瞧杌缱发痿的有因此该带点电压鸯所降低。当风电在不同点接入时，其对接入点的电压影响是不同的，表３列出了当风电场接入到不同的节点时。接入点电压同未接风电时节点电压的比较。表３风电场接入不同节点时接入点电压同来按强电时节点电矮静篓：较鼹电接入接人聂苇接入麓节点偏差节点号点电／：ｌ；－Ｊｐｕ电）ｚｆｆＪｐｕ吞分爨：４１．０１５５６７ｌ。救０６５２袋５０％５ｌ。０１６８７９９ｌ。０２２０９７ｌＯ。５ｌ％７１．０４４４１２４ｌ。０５４０３６８ｏ．９ｌ％９１。０２７２９８１．０３９２５９４１．１５％１０１．０２５０１８５１．０３７３８４８１．１９％１ｌ１．０４２４２９９１．０５０１８５４０．７４％１２１．０５６２３３２１．０５５８５６３０．０４％１３１．０４２１９３５１．Ｏ辱８４１８６Ｏ．５９％１４０．９９８ｌ８５１１．阮５０８２６２．６％由表３，当风电接入到９，１０，１４节点时对接入点的电压的联系较弱，怠他们所连接的其它节点均没有能够提供足够以当在这些带点接入菇电时对其电压影睫较大，避风魄容璧丽当风电接入到４，５，１２，１３这些节点时，对接入点的电压影响较小，这一方面是因为这些节点和系统巾其它节点的联系比较紧密，另一方面也是因为和这些节点所连接的常从以上的分据可以看嬲，斑电在不阕的接入赢接入嚣孝对功功率逐渐增魏，翳时其所嚣要吸收戆无功功率也隧之增加，作为风电并腿点，第点１４罴要绘熙电机级提供无功支持，影响较大，当风电接入到４，５，１２，１３节点时对接入点电压的影响较小。这也说明９，１０，１４这几个节点与整个系统无磅支撵的ＰＶ节点，褥它们爨身也没有无功补偿装盏，所增大时，甚至节点电嫒可能越限。点都有ＰＶ节点，随着风电输出有功功率的升高，其吸收的无功功率也婺增加，虽然接入点本身没有无功补偿装置，但是它和系统联系紧密且和具有提供无功能力的ＰＶ节点相联，因诧能够得到一定的无功支持，迸稻保证节点电压不会过多的降低。接入点的电摄影响是不弱的。如果接人点与系统联系紧密，审鬟毫莓学校魄力系统殿英自动让专她第二十四蠛学术年会论文集或者自身有无功补偿能力，则风电接入对其影响较小。随着风邀的容量逐渐璞热，秀了镖诞接入点电攥不越黢，对接入点进行合瑾的选择，以及在接入点进行翮就地补偿楚非鬻登婺熊。Ｓ结论（１）通过风褫有功与无耱的荚联，在怨略梳械损糙功搴基穗ｔ，霞霭对传统鼗漉珞赣掺燕，辫可避行熙毫并潮酶潮流计簿。（２）计算分析表明，风电接入不网节点，其影响是不圊酶，这与系统嚣功电攫支撑条锌紧密耀关。《３）本文思路对遗一步研究风窀对电耀影噙镶设ｙ较参考文蘸【１］Ｉ冒驻渊．与风电笄褥裙美的褥究深惩嘲．毫力系统鑫动优，２００３，２７（８）：寒垂姆【２】歪讳矬，审洪总力系统濑漉诗莫中风电场苇点靛考虑方法，华北电力大学学报，２００２，ＳＵＰ２９（５）：１５０－１５３【３】徐娇，李兴源．舅步风力发电魏组酶簿ＲＸ摸型及其激漉计算．电力系统良势既，２００８。３２（１）：２２。２菩【４】吴义纯，丁明，张立举．含风电场的电力系统潮流计算．孛凿电税工程学摄，２００５，２５（４）：３６－３９【５】王守穗，涎兴胃，＿王戚出，含菇力发邀橇缮的裁电隧滚瀛计算电嬲技术，２００６，３０（２１）：４２－４５溺蘸鬻。魄力鬃统稳悫分折。牵星惑宠痿舨社，１９９５ｆ７】王海超，阕双喜，鲁宗褶，等．禽风电场静电力系统潮流计算的联合迭代方法及旋用刚．电溺技术，２００５，２寝｜霉：５９－６２【ｓ】张髓蹈．嵩等咆力系统分析８嘲，北察：清华大学出版社，１９９６党方巍爰风力发电砖电力器统砷影嗨。攀智（１９８３－），男，山耪淄博人，汉拔，博矗研究生，研党方向为风力发电对电力系统的影响。歉波《１９６３－），募，幽末崴海人，菠竣，教授，主要及事电力系绫逮行与控裁穷瓣酚教学辩研盖馋。究。葑基磁，便予娃璎。律者篙贫：制洋（１９８６－），男，出农辨城人，泌族，颈泰研究生，研转学山（１９ｓ９一），男，辽守大遵人，波族，教授，博士生导黪，主要姨事电力系缝调瘦毒述蟹及电力事场运蘩方螽魏研风电接入电网的潮流计算研究
作者：作者单位：
刘洋， 李智， 张波， 韩学山
山东大学电气工程学院,山东,济南 250061
1.会议论文 丘忠.丁巧林.杨宏.齐振忠 风电并网对电压稳定的影响 2008
大量风电并网运行将会影响电力系统电压稳定性，为准确评估风电对电力系统的影响，本文提出了一种求取含风电场系统电压稳定裕度概率分布的算法。通过含参数潮流方程建立了线性化模型。在半不变量方法和叠加原理的基础上，针对负荷参数符合正态分布的特点，根据灵敏度矩阵和协方差矩阵直接计算负荷裕度的均值和方差。最后将两个结果叠加并进行Edge worth级数展开就能得到负荷裕度的分布，并在此基础上计算非正常运行状态下的系统失稳概率，并在IEEE30节点系统进行了仿真测试。
2.会议论文 王粤.栗然.崔天宝 大规模风电并网的经济调度决策算法 2008
大规模风电场接入电力系统给电力系统的调度和运行提出了新的问题，调度人员作为电力系统的决策者之一，需要在调度方案的制定过程中考虑风力发电的特点，以实现电力系统的安全、稳定、经济运行。风速随机性强，增加了风电场风速和输出功率预测的难度。
本文以风电场的短期风速预测为基础，分析预测样本，针对风力发电不同接入容量对电力系统稳定性影响的不同，建立了含有风电场的电力系统经济调度模型，运用交互式决策方法和粒子群优化算法对含有风电场的电力系统经济调度模型求解，得出调度方案。通过算例分析，验证了该方法的可行性。
3.会议论文 彭晖.黄学良 风电场接入电网的影响和并网标准探讨 2008
现代风力发电技术始于20世纪80年代的石油危机,并自20世纪90年代取得了飞速的进展.相对于常规发电厂,风电场在运行中具有两个显著特点:其一是风力发电机一般采用异步发电机,在运行时需要从系统吸收无功功率来建立磁场,从而使大型风电场并网运行后对局部电网的电压水平有明显的影响;其二是南于风速为随机变化的量,使得风电场的输出功率具有波动性,从而将影响局部电网的电能质量。随着风电场的容量越来越大,对系统的影响也越来越明显,研究风电并网对系统的影响已成为重要课题。
4.学位论文 张继东 风电系统电压稳定性研究及系统中的分岔现象 2007
随着并网风电场容量和规模的扩大，其对常规电力系统的影响也越来越明显。风电并网对电力系统的影响已成为电力系统稳定性研究的一个重要领域。为了揭示含风电场电力系统电压稳定性的机理以及由于风电注入引起系统电压稳定性和解的结构变化过程，本文在风电场静态和动态数学模型的基础上，应用电压稳定性理论和分岔理论对含风电场(由恒速恒频机组构成)的电力系统电压稳定性进行了研究。主要研究内容及结论有：
1)、在风力发电机π型等值电路的基础上，利用加权求和法建立风电场的等值机模型，计及风电场异步发电机静态功率电压特性和功率增长规律，结合连续潮流算法和直接法的基本原理确定含风电电力系统的连续潮流算法和直接算法。连续潮流算法能够大范围追踪系统的平衡解流形，提供电压稳定性的详细信息，直接算法能够快速准确地确定系统鞍结分岔点。
2)、以风电场的等值机模型并入多机电力系统为研究对象，采用连续潮流算法和直接算法相结合，对多机电力系统静态电压稳定性进行研究。仿真研究表明：风电机械功率的注入引起无功需求的增加。这种增加需要发电机节点和平衡节点提供强有力的无功支持；机端并联电容器组所提供的无功补偿能显著提升等值机低压侧和风电场并网点电压水平，提高了功率注入极限：同时，无功补偿提高了鞍结分岔点的电压水平，延缓了鞍结分岔的发生。 3)、应用模态分析技术对含风电电力系统电压稳定性进行分析，揭示了导致含风电场的电力系统电压失稳的机理，为风电场并网点的选择及系统无功备用提供了理论依据。
4)、建立了适合于风电系统分析的电容动态补偿的数学模型。以风力发电机和电容补偿动态模型为基础，对含风电的简单电力系统进行了分岔分析，在扩展潮流方程的可行解域能够追踪到鞍结分岔和动分岔(Hopf分岔)，并且具有较高的计算精度。
5.会议论文 朱燕舞.尹忠东.马晓蕾.檀跃亭.陈平.刘立新 TCSC提高并网风电场低电压穿越能力的研究 2008
本文对可控串联补偿装置(TCSC)在并网风电场中的应用进行了探讨，研究了TCSC作为故障限流器在并网风电场中的应用。仿真结果表明，系统侧发生短路故障时TCSC能够有效的风电场输出的短路电流，减小了风电场输出母线端电压跌落程度，提高了风电场风机低电压穿越能力。
6.会议论文 胡冬良.赵成勇.李广凯 大型风电场联网方式的仿真对比分析 2008
随着风电场规模不断的扩大，其联网方式对系统的稳定性起着很大的作用。本文分析了目前采用的交流传输线路存在的一系列问题，在此基础之上探讨了基于电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)用于风电场联网的可行性，并提出相应的控制策略。通过仿真结果表明，所提出的VSC-HVDC联网方式和控制策略是有效的，在系统发生扰动时有良好的动态电压恢复特性和控制效果，有利于风电场经受故障，实现了风电场故障时不脱网运行，提高了供电质量。
7.会议论文 田春筝.李琼林.宋晓凯 风电场建模及其对接入电网稳定性的影响分析 2008
风力发电具有随机性和间歇性等特点，大量风电的接入对电网的稳定运行带来了不可忽视的影响。本文详细分析了风电场各个环节的数学模型，包括风力涡轮机、传动系统和风力发电机三个部分。基于PSASP的用户程序接口(UPI)，采用VC编写了用于风电场潮流和稳定计算的用户程序。结合河南方城风电场的实际情况，研究了风电场无功补偿容量的确定以及出口功率因数与转子滑差的关系。仿真分析了风力发电机组并网时对电网产生的冲击影响，并对风电场接入电网后的稳定性进行分析，仿真结果验证了本文采用模型的正确性和实用性。
8.会议论文 田海峰.余洋 基于MATLAB的并网风电场动态仿真 2008
本文应用MATLAB构建了基于变桨距风机和鼠笼型异步发电机的并网风电场动态仿真模型，并对此风力发电系统在风速扰动、系统某处发生故障情况下的各种运行状态进行了动态仿真。
9.会议论文 宋伟伟.李强.袁越 双馈风电机组接入地区电网后的电压稳定分析 2008
本文利用PSASP软件的UPI接口程序模块，在PSASP中建立了双馈风电机组模型，以两个实际的地区电网为例，研究了双馈风电机组接入地区电网后对电网电压的影响。结果表明：双馈风电机组提高了地区电网的静态电压水平；双馈风电机组在故障后能够减少系统所需的无功储备，从而有利于地区电网的电压稳定；风速的波动对地区电网的电压有影响，但一般不会影响其暂态稳定性。
10.期刊论文 王海超.周双喜.鲁宗相.Wang Haichao.Zhou Shuangxi.Lu Zongxiang 基于相关规划理论的风电最大接入容量计算 -现代电力2009,26(3)
大量的风电并网会对电力系统的潮流、电压稳定、经济性能造成一定冲击,确定风力发电的最大接入容量是一个必须解决的问题.首先总结了风电并网的关键约束问题.在此基础上,将风电最大接入容量问题转化为潮流、电压稳定、经济性能等约束条件下的数学优化问题,最终利用基于相关机会规划理论的优化算法求解了风力发电最大接入容量.在39节点标准测试系统中进行了测试,算例分析表明本文提出的方法可以正确处理各种不确定因素,求解风力发电的最大接入容量.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7075078.aspx
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