含風電場電力系統(tǒng)節(jié)點電壓脆弱性的計算

含風電場電力系統(tǒng)節(jié)點電壓脆弱性的計算

0風電場并網(wǎng)運行問題概述隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，電動汽車作為一種可再生綠色能源，進入了一個快速發(fā)展的時期。但國內(nèi)風電場大多遠離負荷中心,且隨著風電機組單機容量和風電場的規(guī)模的不斷增大,這些特點使得風電場并網(wǎng)運行產(chǎn)生了一系列問題目前,國內(nèi)外許多專家學者已對風力發(fā)電開展了廣泛而深入的研究基于上述思想,本文從電網(wǎng)的角度,將并網(wǎng)運行的風電場視作一個具有隨機性的擾動源,并認為風速不同,風電場注入有功和無功不同,對應的擾動狀態(tài)不同,由此造成系統(tǒng)的運行狀態(tài)也不同。通過算例的分析計算,對比了不同風速條件下系統(tǒng)的節(jié)點電壓脆弱度指標,對含風電場電力系統(tǒng)的節(jié)點電壓脆弱性進行評估,從脆弱性的角度分析了風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響,對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有實際意義。1風電場數(shù)學模型1.1風力發(fā)電機的運行風力發(fā)電機組主要由風力機和異步風力發(fā)電機等主要元件組成。風力發(fā)電機的發(fā)電能力受多種因素影響,主要是風速、風機葉片的掃掠面積等。風能的功率與風速的三次方成正比,風力發(fā)電機所發(fā)出的機械功率可表示為式中:ρ為空氣密度,kg/m1.2圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)大型風電場中多采用異步風力發(fā)電機,單機容量從幾百千瓦到幾千千瓦不等,其等值電路如圖1所示。由異步發(fā)電機原理知道,異步風力發(fā)電機發(fā)出的有功功率式中,x功率因數(shù)角的正切公式為異步發(fā)電機吸收的無功功率由以上公式可知,只要風速確定,便可通過式(1)得到異步風力發(fā)電機輸出的有功功率,進而可求得風電機組所需吸收的無功功率。1.3風電場的功率風電場由分散布置的風電機組組成,機組的單機容量一般為幾百千瓦。本文在研究風電場接入對電力系統(tǒng)節(jié)點電壓脆弱性的影響時,將風電場作為一個整體接入電網(wǎng),不考慮由尾流效應、地形等因素造成的風電機組之間的相互影響,認為風力機的有功功率就是風力機的機械功率,且所有機組的端電壓相等,等于待求的的風電場母線電壓。由于異步發(fā)電機在發(fā)出有功的同時還要從系統(tǒng)吸收一定的無功功率,其無功功率的大小與節(jié)點電壓U和滑差s有關,故不能簡單將風電場視作功率恒定的PQ節(jié)點。因此,本文中將通過風電數(shù)學模型與系統(tǒng)功率方程交替迭代進行相關計算。2節(jié)點電壓脆弱性評價指標2.1引入優(yōu)化乘用的非晶態(tài)勢法pnf算法，計算節(jié)點的臨界電壓傳統(tǒng)的脆弱性評估一般通過計算節(jié)點電壓裕度評估系統(tǒng)節(jié)點的脆弱性,而計算電壓裕度必須要計算節(jié)點臨界電壓。計算節(jié)點臨界電壓2.2初始安全電壓裕度b應用上述方法求得的節(jié)點臨界電壓求取節(jié)點電壓裕度指標式中:V這樣,式(6)為含風電場系統(tǒng)在當前風速條件下的電壓裕度與風電并網(wǎng)前的初始安全電壓裕度的比值,能較好地反應系統(tǒng)中任一節(jié)點i在當前風速對應運行狀態(tài)下的安全程度。在本文中將取式(6)的倒數(shù)作為評估節(jié)點電壓脆弱性的指標:此式物理意義在于,ρ值越大,說明系統(tǒng)在當前風速條件下距離臨界運行狀態(tài)越近,系統(tǒng)越脆弱;反之,系統(tǒng)距離臨界運行狀態(tài)越遠,系統(tǒng)越穩(wěn)定。3風電場節(jié)點電壓脆度計算方法由上節(jié)內(nèi)容可以看出,脆弱度指標的計算包含兩個部分:一是風電場并網(wǎng)前分別調(diào)用相關程序計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的節(jié)點電壓和崩潰時的臨界電壓;二是風電場接入后的電力系統(tǒng)在不同風速條件下運行的節(jié)點電壓值和臨界電壓值的計算。其計算過程和風電場接入前的計算過程相似,不同之處在于要對風電場節(jié)點對應的雅克比矩陣項進行修正。由風力發(fā)電機模型可知,若給定風速,則風電場節(jié)點的有功功率為已知量,而無功功率則可表示為電壓和有功功率的函數(shù)。利用牛頓-拉夫遜方法計算潮流時,風電場節(jié)點的有功和無功可以按照式(1)、(2)和式(5)進行計算。在對雅克比矩陣進行修正時只需要補充風電場節(jié)點吸收無功對電壓的偏導數(shù)項。由式(1)、式(4)及式(5),可得進而求導可得風電場對應雅克比矩陣修正項:這樣,先計算風電并網(wǎng)前的節(jié)點電壓和臨界電壓,再按式(9)修正雅克比矩陣,計算風電場接入后系統(tǒng)各節(jié)點的電壓和臨界電壓,即可按式(7)求得節(jié)點電壓脆弱度指標。指標的具體計算流程如圖2所示。4節(jié)點電壓脆弱度分析本文以風電場通過變壓器接入IEEE14節(jié)點系統(tǒng)為例進行脆弱性評估,根據(jù)指標的計算流程,應用Matlab7編寫了相應程序,實現(xiàn)該系統(tǒng)的仿真計算。風電場容量為50×600kW,風電機組額定電壓690V,異步風力發(fā)電機的參數(shù)為:表1為不同風速條件下風電場有功、無功及出力及風電場的出口電壓。由表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著風速的逐漸增大,風電機組發(fā)出的有功功率及吸收的無功功率會不斷增加。表2為風電場并網(wǎng)前系統(tǒng)節(jié)點電壓值、臨界電壓值以及風電場接入系統(tǒng)后,在不同風速條件下各節(jié)點的電壓和臨界電壓值。由表中數(shù)據(jù)可以看出,風電并網(wǎng)后,系統(tǒng)臨界電壓普遍提高。而大多數(shù)節(jié)點電壓值則隨風速的增大而降低,這主要是因為風速越大,風電場吸收的無功越多,系統(tǒng)整體電壓水平降低。特別是距風電場接入點較近節(jié)點的電壓變化幅度較大,因此,在實際的風電場并網(wǎng)運行過程中,有必要在并網(wǎng)點及對風電場較為敏感的節(jié)點進行無功補償,以保證含風電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。表3為根據(jù)表2數(shù)據(jù)求出的不同風速條件下節(jié)點電壓脆弱度指標。由表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著風速的逐漸增大,系統(tǒng)各節(jié)點的脆弱度明顯提高。究其原因主要是因為風電場的運行需要系統(tǒng)的無功支持,這加重了系統(tǒng)的無功負擔,系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。表4為風電場改成在9號節(jié)點并網(wǎng)時系統(tǒng)節(jié)點脆弱度的排序結(jié)果。對比表3、表4的排序結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),一些節(jié)點如9、10、12、13排序變化明顯,表明并網(wǎng)點的不同會影響節(jié)點脆弱度排序結(jié)果。還可以發(fā)現(xiàn),有些節(jié)點脆弱度排序的相對位置不會發(fā)生變化,如節(jié)點4、5,說明脆弱度的排序還要受系統(tǒng)自身結(jié)構的影響。此外,通過仿真計算結(jié)果還發(fā)現(xiàn),風電場接入9號節(jié)點,系統(tǒng)多數(shù)節(jié)點脆弱度指標較接入14節(jié)點時略有減小,系統(tǒng)整體的脆弱度有所降低,表明不同的并網(wǎng)點對系統(tǒng)節(jié)點的脆弱度影響不同。5風電場并網(wǎng)之后將風電場視作擾動源,認為風速不同,對應的擾動不同,由此對電力系統(tǒng)的影響也不同。經(jīng)過算例的計算分析表明,風電場的并網(wǎng)提高了電力系統(tǒng)的節(jié)點電壓脆弱度,降低了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。特別是在風電場并網(wǎng)后,對風電場較為敏感的節(jié)點電壓變化幅度較大。在實際的風電場并網(wǎng)運行過程中,有必要對這些節(jié)點進行無功補償,以保證含風電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。此