基于ansys的風(fēng)電-水電互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析

基于ansys的風(fēng)電-水電互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析

1風(fēng)電容量與電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)系能源能源是最具潛力的綠色能源。由于風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大而增大。國內(nèi)外研究表明，為保證電能質(zhì)量，風(fēng)電穿越功率不宜過大因此電網(wǎng)中風(fēng)電容量與系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)系是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本項(xiàng)目以新疆布爾津電網(wǎng)為實(shí)例對風(fēng)電容量占電網(wǎng)總?cè)萘康淖罴驯壤M(jìn)行了探討。2電、電、電、電補(bǔ)充系統(tǒng)的數(shù)學(xué)和模擬建模2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成布爾津電網(wǎng)是一個(gè)風(fēng)電-水電互補(bǔ)系統(tǒng)，由2臺(tái)2000kW和1臺(tái)2500kW的水力發(fā)電機(jī)及7臺(tái)150kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成。目前該電網(wǎng)風(fēng)電容量約為13.9%。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及簡化模型如圖1和圖2所示。2.2動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2中的1#～3#號水力發(fā)電機(jī)采用考慮qE′、dE′的六階同步發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型并計(jì)及勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)的作用，4#～10#風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用下述數(shù)學(xué)模型（未考慮電容無功補(bǔ)償）。2.2.1風(fēng)角裝置的電阻滯態(tài)數(shù)學(xué)模型式中，下標(biāo)s和r分別表示發(fā)電機(jī)定子量和轉(zhuǎn)子量，下標(biāo)d和q表示發(fā)電機(jī)直軸分量和交軸分量。2.2.2風(fēng)能調(diào)機(jī)機(jī)的臨時(shí)數(shù)學(xué)模型式中，Me為電磁轉(zhuǎn)矩；ρ為空氣密度；ωm為同步電角速度；Tj為慣性時(shí)間常數(shù)；F為阻尼系統(tǒng)；MT為齒輪箱側(cè)轉(zhuǎn)矩。2.2.3風(fēng)力機(jī)機(jī)械系數(shù)cp式中，Mω為葉片側(cè)轉(zhuǎn)矩；Th輪轂慣性時(shí)間常數(shù)；CP為風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)；R為葉片直徑；Vw為作用于風(fēng)力機(jī)風(fēng)速；λ為葉尖速率比；ΩN為風(fēng)力機(jī)額定機(jī)械角速度；PN為風(fēng)力機(jī)額定功率。2.3基于系統(tǒng)仿真模型的電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)化為了易于動(dòng)態(tài)仿真，消去了布爾津?qū)嶋H電網(wǎng)中大部分的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并將消去的網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的損耗并入電網(wǎng)負(fù)荷，搭建的系統(tǒng)仿真模型包括3臺(tái)同步水力發(fā)電機(jī)組和7臺(tái)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。3系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果分析根據(jù)布爾津電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，重點(diǎn)對系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)逐步投入7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組與同時(shí)投入所有風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了仿真，并將仿真結(jié)果與該電網(wǎng)的實(shí)測曲線進(jìn)行了對比分析。3.1風(fēng)電-用電并網(wǎng)運(yùn)行效果逐步投入風(fēng)電機(jī)組時(shí)同步發(fā)電機(jī)1#和3#之間的相對功角動(dòng)態(tài)仿真曲線如圖3所示，在0～1.05s的動(dòng)態(tài)仿真過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入前后同步發(fā)電機(jī)相對功角變化最大值均小于180°，由動(dòng)穩(wěn)判據(jù)可知逐步增大風(fēng)電容量，直到7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組全部投入，該風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。圖4為風(fēng)電-水電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的實(shí)測曲線，圖中Wz為水機(jī)有功功率，Ws為風(fēng)機(jī)有功功率，f0為系統(tǒng)頻率，Y0為水機(jī)調(diào)速器位移；Vw為風(fēng)速。實(shí)際運(yùn)行曲線說明，風(fēng)電容量逐步增大，直至所有風(fēng)電機(jī)組投入運(yùn)行，風(fēng)電、水電有功功率互補(bǔ)，系統(tǒng)頻率經(jīng)暫態(tài)波動(dòng)后趨于額定頻率，由此推論風(fēng)電-水電互補(bǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定，與仿真結(jié)果吻合。3.2實(shí)測結(jié)果分析風(fēng)電容量突增時(shí)系統(tǒng)頻率不能滿足實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用要求圖2電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組突然投入的仿真結(jié)果如圖5。由于電網(wǎng)有功功率突增，水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)能力有限，造成電網(wǎng)頻率不斷升高，與電網(wǎng)實(shí)測強(qiáng)擾動(dòng)下頻率變化規(guī)律（圖6）相似。實(shí)測結(jié)果說明，風(fēng)電容量突增（7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組同時(shí)投入），系統(tǒng)頻率在49～53Hz之間暫態(tài)波動(dòng)，最后由風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)將7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組全部切除，無法并網(wǎng)運(yùn)行。由此可見大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，頻率變化不可忽略，需要從頻率穩(wěn)定角度進(jìn)行風(fēng)電穿越功率的研究。4基于遺產(chǎn)轉(zhuǎn)讓法的風(fēng)電容量優(yōu)化研究4.1求最優(yōu)解的一般過程遺傳算法在搜索過程中自動(dòng)獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識(shí)，并自適應(yīng)地控制搜索過程以求得最優(yōu)解。遺傳算法從任意初始化的群體出發(fā)，通過隨機(jī)選擇（使群體中優(yōu)秀個(gè)體有機(jī)會(huì)傳給下一代）、雜交和變異等遺傳操作，使群體代代進(jìn)化到搜索空間中越來越好的區(qū)域，直至抵達(dá)最優(yōu)解點(diǎn)。遺傳算法求解流程如圖7所示。4.2節(jié)點(diǎn)i水電場束條件最佳風(fēng)電容量的計(jì)算在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為有約束的非線性規(guī)劃問題，其數(shù)學(xué)模型如下：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總?cè)萘磕繕?biāo)函數(shù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功率約束條件式中，P、Q、U分別表示有功功率、無功功率及電壓。式（9）表示節(jié)點(diǎn)i水電機(jī)組輸入有功、風(fēng)電機(jī)組輸入有功、負(fù)荷需求功率及有功損耗之間的關(guān)系；式（10）表示節(jié)點(diǎn)i水電機(jī)組無功、風(fēng)電機(jī)組無功、負(fù)荷需求無功及無功損耗之間的關(guān)系。電壓約束條件頻率式約束條件優(yōu)化計(jì)算結(jié)束判據(jù)即當(dāng)同步發(fā)電機(jī)間的相對功角差δ超過了180°時(shí)，系統(tǒng)失穩(wěn)，優(yōu)化計(jì)算過程結(jié)束。4.3機(jī)組總?cè)萘康募s束式中，P、Q、U分別表示有功、無功及電壓；Sf風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘?；w1、w2為等式約束的懲罰算子；r1、r2為不等式約束懲罰算子，w1、w2、r1、r2取值范圍為，i=1,2,…,nㄢ4.4模型的建立與仿真基于遺傳算法的風(fēng)電容量計(jì)算流程如圖8所示。具體計(jì)算步驟如下：(1）編碼產(chǎn)生初始種群：即采用風(fēng)電容量Sf、各節(jié)點(diǎn)電壓Ui、及系統(tǒng)頻率f作為控制變量，進(jìn)行仿真產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體構(gòu)成第一代母體。(2）利用功角判據(jù)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析：若相對功角小于180°，轉(zhuǎn)下一步，否則輸出最優(yōu)解，結(jié)束計(jì)算過程。(3）計(jì)算適值函數(shù)：根據(jù)概率選擇N個(gè)優(yōu)良個(gè)體進(jìn)行下一代的操作。(4）進(jìn)行雜交、變異操作：改變個(gè)體基因串，得到新的控制變量，繼續(xù)進(jìn)行仿真重新產(chǎn)生新一代母體，返回第（2）步。利用遺傳算法對布爾津電網(wǎng)的風(fēng)電容量的優(yōu)化結(jié)果為：Pf=11498000，即當(dāng)風(fēng)電穿越功率為15.23%時(shí)，達(dá)到它的上限，該結(jié)果說明，電網(wǎng)的風(fēng)電容量仍有一定的上升空間。為驗(yàn)證遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果，應(yīng)用布爾津風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型，在系統(tǒng)運(yùn)行0.1s時(shí)，將風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘吭黾拥?.1498MW，得到功角動(dòng)態(tài)仿真曲線如圖9所示。曲線可標(biāo)明，系統(tǒng)運(yùn)行到1.3s時(shí)，同步機(jī)之間的相對功角差超過了180°，風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定，與優(yōu)化結(jié)果吻合。5布爾津風(fēng)電容量運(yùn)行情況及仿真分析本研究以新疆布爾津電力網(wǎng)絡(luò)為實(shí)例，建立風(fēng)電-水電互補(bǔ)系統(tǒng)仿真模塊，并對風(fēng)電容量漸增、突增兩種情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，應(yīng)用遺傳算法對系統(tǒng)風(fēng)電容量進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，得出如下結(jié)論：(1）目前布爾津風(fēng)電容量占系統(tǒng)總?cè)萘繉?shí)際比例為13.9%，無論從動(dòng)態(tài)仿真還是實(shí)測結(jié)果，在逐臺(tái)投入風(fēng)電機(jī)組情況下，風(fēng)電系統(tǒng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。在同時(shí)投入7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)頻率變化過大，風(fēng)電機(jī)組無法并網(wǎng)。在進(jìn)行風(fēng)電穿越功率的研究時(shí)，需要計(jì)入頻率變化