含風(fēng)電場電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓脆弱性的計(jì)算

含風(fēng)電場電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓脆弱性的計(jì)算

0風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行問題概述隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，電動(dòng)汽車作為一種可再生綠色能源，進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。但國內(nèi)風(fēng)電場大多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,且隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場的規(guī)模的不斷增大,這些特點(diǎn)使得風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生了一系列問題目前,國內(nèi)外許多專家學(xué)者已對(duì)風(fēng)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(yùn)行的風(fēng)電場視作一個(gè)具有隨機(jī)性的擾動(dòng)源,并認(rèn)為風(fēng)速不同,風(fēng)電場注入有功和無功不同,對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)狀態(tài)不同,由此造成系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也不同。通過算例的分析計(jì)算,對(duì)比了不同風(fēng)速條件下系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓脆弱度指標(biāo),對(duì)含風(fēng)電場電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓脆弱性進(jìn)行評(píng)估,從脆弱性的角度分析了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響,對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有實(shí)際意義。1風(fēng)電場數(shù)學(xué)模型1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)和異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)等主要元件組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力受多種因素影響,主要是風(fēng)速、風(fēng)機(jī)葉片的掃掠面積等。風(fēng)能的功率與風(fēng)速的三次方成正比,風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的機(jī)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(fēng)電場中多采用異步風(fēng)力發(fā)電機(jī),單機(jī)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(jī)原理知道,異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)吸收的無功功率由以上公式可知,只要風(fēng)速確定,便可通過式(1)得到異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率,進(jìn)而可求得風(fēng)電機(jī)組所需吸收的無功功率。1.3風(fēng)電場的功率風(fēng)電場由分散布置的風(fēng)電機(jī)組組成,機(jī)組的單機(jī)容量一般為幾百千瓦。本文在研究風(fēng)電場接入對(duì)電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓脆弱性的影響時(shí),將風(fēng)電場作為一個(gè)整體接入電網(wǎng),不考慮由尾流效應(yīng)、地形等因素造成的風(fēng)電機(jī)組之間的相互影響,認(rèn)為風(fēng)力機(jī)的有功功率就是風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率,且所有機(jī)組的端電壓相等,等于待求的的風(fēng)電場母線電壓。由于異步發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功的同時(shí)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(diǎn)電壓U和滑差s有關(guān),故不能簡單將風(fēng)電場視作功率恒定的PQ節(jié)點(diǎn)。因此,本文中將通過風(fēng)電數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)功率方程交替迭代進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。2節(jié)點(diǎn)電壓脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)2.1引入優(yōu)化乘用的非晶態(tài)勢(shì)法pnf算法，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的臨界電壓傳統(tǒng)的脆弱性評(píng)估一般通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓裕度評(píng)估系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的脆弱性,而計(jì)算電壓裕度必須要計(jì)算節(jié)點(diǎn)臨界電壓。計(jì)算節(jié)點(diǎn)臨界電壓2.2初始安全電壓裕度b應(yīng)用上述方法求得的節(jié)點(diǎn)臨界電壓求取節(jié)點(diǎn)電壓裕度指標(biāo)式中:V這樣,式(6)為含風(fēng)電場系統(tǒng)在當(dāng)前風(fēng)速條件下的電壓裕度與風(fēng)電并網(wǎng)前的初始安全電壓裕度的比值,能較好地反應(yīng)系統(tǒng)中任一節(jié)點(diǎn)i在當(dāng)前風(fēng)速對(duì)應(yīng)運(yùn)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(píng)估節(jié)點(diǎn)電壓脆弱性的指標(biāo):此式物理意義在于,ρ值越大,說明系統(tǒng)在當(dāng)前風(fēng)速條件下距離臨界運(yùn)行狀態(tài)越近,系統(tǒng)越脆弱;反之,系統(tǒng)距離臨界運(yùn)行狀態(tài)越遠(yuǎn),系統(tǒng)越穩(wěn)定。3風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)電壓脆度計(jì)算方法由上節(jié)內(nèi)容可以看出,脆弱度指標(biāo)的計(jì)算包含兩個(gè)部分:一是風(fēng)電場并網(wǎng)前分別調(diào)用相關(guān)程序計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓和崩潰時(shí)的臨界電壓;二是風(fēng)電場接入后的電力系統(tǒng)在不同風(fēng)速條件下運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)電壓值和臨界電壓值的計(jì)算。其計(jì)算過程和風(fēng)電場接入前的計(jì)算過程相似,不同之處在于要對(duì)風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的雅克比矩陣項(xiàng)進(jìn)行修正。由風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型可知,若給定風(fēng)速,則風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)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(jì)算潮流時(shí),風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)的有功和無功可以按照式(1)、(2)和式(5)進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)雅克比矩陣進(jìn)行修正時(shí)只需要補(bǔ)充風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)吸收無功對(duì)電壓的偏導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。由式(1)、式(4)及式(5),可得進(jìn)而求導(dǎo)可得風(fēng)電場對(duì)應(yīng)雅克比矩陣修正項(xiàng):這樣,先計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)前的節(jié)點(diǎn)電壓和臨界電壓,再按式(9)修正雅克比矩陣,計(jì)算風(fēng)電場接入后系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓和臨界電壓,即可按式(7)求得節(jié)點(diǎn)電壓脆弱度指標(biāo)。指標(biāo)的具體計(jì)算流程如圖2所示。4節(jié)點(diǎn)電壓脆弱度分析本文以風(fēng)電場通過變壓器接入IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行脆弱性評(píng)估,根據(jù)指標(biāo)的計(jì)算流程,應(yīng)用Matlab7編寫了相應(yīng)程序,實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的仿真計(jì)算。風(fēng)電場容量為50×600kW,風(fēng)電機(jī)組額定電壓690V,異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)為:表1為不同風(fēng)速條件下風(fēng)電場有功、無功及出力及風(fēng)電場的出口電壓。由表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著風(fēng)速的逐漸增大,風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率及吸收的無功功率會(huì)不斷增加。表2為風(fēng)電場并網(wǎng)前系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓值、臨界電壓值以及風(fēng)電場接入系統(tǒng)后,在不同風(fēng)速條件下各節(jié)點(diǎn)的電壓和臨界電壓值。由表中數(shù)據(jù)可以看出,風(fēng)電并網(wǎng)后,系統(tǒng)臨界電壓普遍提高。而大多數(shù)節(jié)點(diǎn)電壓值則隨風(fēng)速的增大而降低,這主要是因?yàn)轱L(fēng)速越大,風(fēng)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(fēng)電場接入點(diǎn)較近節(jié)點(diǎn)的電壓變化幅度較大,因此,在實(shí)際的風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行過程中,有必要在并網(wǎng)點(diǎn)及對(duì)風(fēng)電場較為敏感的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無功補(bǔ)償,以保證含風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。表3為根據(jù)表2數(shù)據(jù)求出的不同風(fēng)速條件下節(jié)點(diǎn)電壓脆弱度指標(biāo)。由表中數(shù)據(jù)可以看出,隨著風(fēng)速的逐漸增大,系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的脆弱度明顯提高。究其原因主要是因?yàn)轱L(fēng)電場的運(yùn)行需要系統(tǒng)的無功支持,這加重了系統(tǒng)的無功負(fù)擔(dān),系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。表4為風(fēng)電場改成在9號(hào)節(jié)點(diǎn)并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)脆弱度的排序結(jié)果。對(duì)比表3、表4的排序結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),一些節(jié)點(diǎn)如9、10、12、13排序變化明顯,表明并網(wǎng)點(diǎn)的不同會(huì)影響節(jié)點(diǎn)脆弱度排序結(jié)果。還可以發(fā)現(xiàn),有些節(jié)點(diǎn)脆弱度排序的相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生變化,如節(jié)點(diǎn)4、5,說明脆弱度的排序還要受系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的影響。此外,通過仿真計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn),風(fēng)電場接入9號(hào)節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)多數(shù)節(jié)點(diǎn)脆弱度指標(biāo)較接入14節(jié)點(diǎn)時(shí)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(diǎn)對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的脆弱度影響不同。5風(fēng)電場并網(wǎng)之后將風(fēng)電場視作擾動(dòng)源,認(rèn)為風(fēng)速不同,對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)不同,由此對(duì)電力系統(tǒng)的影響也不同。經(jīng)過算例的計(jì)算分析表明,風(fēng)電場的并網(wǎng)提高了電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓脆弱度,降低了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。特別是在風(fēng)電場并網(wǎng)后,對(duì)風(fēng)電場較為敏感的節(jié)點(diǎn)電壓變化幅度較大。在實(shí)際的風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行過程中,有必要對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無功補(bǔ)償,以保證含風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此