风力发电对配电网侧负荷建模的影响

1、第33卷第13期2009年7月10日Vol.33No.13July10,2009风力发电对配电网侧负荷建模的影响李欣然1,惠金花1,钱军1,李培强1,熊志荣2,谢彬2(1.湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市410082;2.湖南省电力勘测设计院,湖南省长沙市410007)摘要:基于MATLAB仿真工具并运用总体测辨建模原理,建模的影响。模型来等效描述;的取值范围必须扩大到任意实数。对3,性有很好的等效描述能力关键词:;异步发电机;总体测辨法中图分类号:0引言随着中国主要电网规模的不断扩大,电网的复杂程度越来越高,电网的动态稳定性及电压稳定性问题更加突出,负荷模型对电力系统数字仿真结果的影

2、响不容忽视127。在临界情况下,采用不同的负荷模型将使结论发生质的变化。实践表明,传统的感应电动机并联静态负荷模型对于配电网侧不含电源的综合负荷有很强的描述能力。但是,当配电网侧有小水电等地方小电源接入后,传统的负荷模型已不能很好地描述区域负荷特性。对此,有学者提出了广义电力负荷模型的概念并进行了相关研究。文献8针对配电网侧的小电源用同步发电机来等效,提出了感应电动机、同步发电机和静态负荷三者并联的广义负荷模型结构和参数确定策略;文献9提出用异步发电机等效配电网侧接入的电源,进而提出了异步机并联静态负荷模型的广义综合负荷模型,可以很好地描述配电网侧接入电源的影响。可再生能源特别是风能的开发利用

3、已得到许多国家的高度重视。随着中国风力发电装机容量的不断增加,风力发电的接入对电力系统的影响一直是研究的热点。从负荷建模的角度出发,文献829的研究工作对含风力发电的负荷建模有着很好的借鉴和指导意义,但尚未从风力发电本身的结构和特性上进行研究,在获得模型辨识所需的负荷特性数据样本仿真时,均采用同步发电机等效配电网侧小电收稿日期:2008212205;修回日期:2009204204。高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070532052)。源,同时也未全面地考虑不同的负荷比例组合。本文采用MATLAB仿真和总体测辨建模方法,用异步发电机模型的风力机组进行电力系统暂态仿真,以此获取模型辨识

4、所需的负荷特性数据样本。当把风力发电看做一个功率消耗为负的动态负荷时,可以用异步发电机来等效描述,进而指出含风力发电的配电网侧综合负荷可以用异步电机并联静态负荷的广义综合负荷模型来等效描述,但动态负荷所占比例的取值范围必须扩大到任意实数,由此来准确反映风力发电容量对综合负荷模型的影响。1仿真系统图1为仿真系统的电气接线图,虚线框部分为风力发电机组、感应电动机和静态负荷共同组成的综合负荷。G1代表无穷大电源,负荷建模的数据在母线B1处测得。图1仿真系统Fig.1Simulationsystem1.1感应电动机和静态负荷模型感应电动机动态特性采用同步坐标系下的3阶机电暂态微分方程描述10。机械负载

5、特性对感应电动机特性具有重要影响,本文取为转速的2次函数:2(1)Tm=T0A(1-s)+B(1-s)+C892009,33(13)式中:T0为感应电动机负载率;s为转差率;特性参数满足A+B+C=1。静态负荷采用多项式表示的恒阻抗恒电流恒功率(ZIP)模型11。1.2风力发电机组模型风力发电机组模型主要包括风力机、轮毂和异步发电机3个部分。风力机模型可表示为12:3)ARvwPw=cp(,-5e-i)=0.22-0.4cp(,(2)ii=-3+0.08式中:Pw;cp为风R为风轮扫过的面积;vw为风速;为叶尖速比;为叶片桨距角。从轮毂到发电机转子之间的机械传动部分可以近似用1阶惯性环节来描述

6、13:(3)=dtTd式中:Td为机械传动部分的时间常数;Tm为发电机转子轴上的机械转矩;TM为风力机末端轴上的机械转矩,TM=Pw/。异步发电机是异步电机的一种运行状态。当转差率s的值在0,1之间时,异步电机工作在电动机状态;当s0时,异步电机工作在发电机状态。所以,异步电动机和异步发电机在数学模型上是相同的。在风力发电机仿真的过程中,作为发电机状态,其机械转矩用式(1)来表示。由于风力发电最大的特点是具有极强的不确定性,这导致其出力水平具有随机性和波动性。但就负荷建模而言,从宏观角度(短期可预测范围内),这种具有随机性和波动性的风力发电机出力还是有一定的规律性。基于此,本文假设所考虑时段内

7、的风速不变,从而风力发电机出力恒定。1.3仿真方法在图1所示系统中加入故障,负荷母线B2的电压降低20%左右,可获得扰动下系统侧传输到负荷母线的有功功率、无功功率和电压的动态特性数据,以此作为电力系统负荷建模参数辨识所需要的实测数据。根据这些数据辨识负荷模型的等值参数,然后再计算综合负荷模型的动态响应。的模型结构一致。因此,在文献10提出的传统综合负荷模型结构(感应电动机并联静态负荷模型)的基础上,把风力发电机看做一个功率消耗为负的动态负荷,从而可以用异步电机并联静态负荷的模型结构来描述含风力发电的配电网侧综合负荷特性,模型结构如图2所示,异步电机动态特性采用文献10中的表达式来描述。图2模型

8、结构Fig.2Modelframe采用总体测辨的方法建模,参数包括:3阶异步电机8个独立辨识参数Rs,Xs,Xm,Rr,Xr,Tj,A,B;4个非独立辨识参数ex0,ey0,s0,T0;动态负荷参数Km。参数意义与文献10一致,但Km的取值范围扩大到任意实数,以此来区分风力发电容量所占系统负荷的比例。Km的定义为动态负荷所占的比例。设负荷总的初始有功功率为P0,异步电机的初始有功功率为P0,采用如图2所示的功率流动方向为参考正方向,则有:(4)Km=P0传统的综合负荷模型结构中,Km的取值范围为0,1,此时0P0P0,异步电机运行在电动机状态;当风力发电的容量大于动态负荷的容量时,P00,此时

9、异步电机运行在发电机状态,若P0仍然大于0,则Km0;若风力发电的容量大到足以完全供给负荷,即P00,P01。本文以各采样时刻系统实测响应与模型响应之差的平方和作为目标函数14,采用综合改进遗传算法的辨识方法15。3风力发电系统的独立建模研究本文提出的广义综合负荷模型对独立风电系统的描述能力,对图1所示系统通过扰动得到风力发电系统的端口电压、有功功率和无功功率(采用感应电动机惯例)。拟合效果见图3,辨识所得独立辨识参数如表1所示。非独立参数s0=-0.014,T0=-0.412。表1中的Er为拟合的相对误差,按下式计算,其大小反映了拟合的优劣。2模型结构与参数辨识通过对风力发电机模型结构的分析

10、,可以用异步发电机来等效描述,而异步发电机和感应电动机90绿色电力自动化李欣然,等风力发电对配电网侧负荷建模的影响NEr=PSk-PIk)2+(QSk-QIk)2N(5)4.1仿真实验与建模结果为便于表述,用PWG,PIM,PZIP分别表示风力发式中:PSk和QSk分别为仿真系统实测响应;PIk和QIk分别为辨识模型响应;N为实测数据记录长度。电功率、感应电动机负荷功率和静态负荷功率;将风力发电出力和感应电动机负荷功率合称为等效动态负荷,负荷功率用PD.eq表示;系统供给负荷为Psys。上述各负荷功率的参考方向定义如图4所示。图4仿真系统负荷关系示意Fig.4Relationofloadsin

11、simulationsystem图3Fig.3Windresults表1风力发电机拟合参数Table1Windpowergenerationfittingparameters参数值类型RsXsXmRrXrTjKmEr在电压扰动V%=-20%的条件下,对表2所列出的3种负荷水平组合按图1仿真系统进行仿真实验以获取实测数据样本,用第2节所提出的模型(见图2)进行辨识建模。辨识结果简述如下。表2仿真实验的3种负荷组合Table2ThreecompositeloadsinsimulationMW实际值0.0130.11辨识值0.1000.203.00.0250.192.01.5

12、0.99980.0008上述辨识结果表明,异步电机模型能很好地拟合风力发电系统的动态特性,不同之处在于,机械转矩Tm在采用电动机惯例的情况下为负值,说明异步电机运行在发电机状态。所以接在配电网侧的风力发电机可以看做广义上的感应电动机负荷。以上分析表明,含风力发电系统的配电网负荷模型可采用广义的异步电机并联静态负荷的综合负荷模型结构来描述。负荷组合PsysPWGPIMPZIPPD.eq414-591818308120141221-10-174.1.1第1种负荷水平:PWGPIM配电网的等效动态负荷和静态负荷功率都由外部系统供给,Km取值范围为0,1,当PWG=PIM时,Km=0;当PZIP=0时

13、,Km=1。取风力发电功率为9MW,Km的理论值为0.51,数据拟合效果如图5所示,辨识所得模型参数如表3第3行所列。4风力发电所占比例对负荷建模的影响对于配电网侧不含风力发电的系统负荷而言,传统的综合负荷模型其动态负荷比例取值范围为Km0,1,当不含动态负荷时,Km=0,当只有动态负荷时,Km=1。对于含风力发电的配电网系统负荷而言,将风力发电和感应电动机负荷统一地看做动态负荷,Km仍然定义为动态负荷所占比例,理论上,Km的取值可能小于0,可能大于1,也可能在01之间。因此,在采用广义的异步电机并联静态负荷的综合负荷模型进行参数辨识的过程中,Km的取值范围扩大到任意实数,其大小取决于风力发电

14、占整个负荷的比例和负荷中动态负荷与静态负荷的比例。下面针对3种不同的风力发电容量和负荷水平来说明Km的取值大小和负荷特性拟合效果。图5Km的理论值为0.51时的数据拟合效果Fig.5FittingresultswhenKm=0.514.1.2第2种负荷水平:PIMPWG0时,说明配电网中的异步电机表现为电动机状态;当辨识所得Km0且T01且T00时,说明配电网中的异步电机仍然运行在发电机状态,而且能参考文献1鞠平,谢会玲,陈谦.电力负荷建模研究的发展趋势.电力系统自动化,2007,31(2):124.JUPing,XIEHuiling,CHENQian.Researchtendenciesof

15、electricmodeling.2007,31(2):124.2施雄华,鞠平,张伟,等.电动机综合负荷模型经过传输元件的折AutomationofElectricPowerSystems,算公式.电力系统自动化,2008,32(17):35239.SHIXionghua,JUPing,ZHANGWei,etal.Acompositeinductionmotorloadmodelforconversionbetweendifferentvoltagesidesthroughthetransmissionelement.AutomationofElectricPowerSystems,2008,

16、32(17):35239.3陈凤,李欣然,陈辉华,等.电动机模型结构及参数对暂态稳定仿真的影响.电力自动化设备,2004,24(8):29223.CHENFeng,LIXinran,CHENHuihua,etal.Effectofinductionmotormodelstructureandparametersonsimulatingcomputationofelectricpowersystemtransientstability.ElectricPowerAutomationEquipment,2004,24(8):29223.4孙华东,周孝信,李若梅.感应电动机负荷参数对电力系统暂态稳定

17、的影响.电网技术,2005,29(23):126.SUNHuadong,ZHOUXiaoxin,LIRuomei.Influenceofinductionmotorparametersonpowersystemtransientvoltagestability.PowerSystemTechnology,2005,29(23):126.5NAVANOIR,SAMUELSSONO,LINDAHLS.Influenceofnormalizationindynamicreactiveloadmodels.IEEETransonPowerSystems,2003,18(2):9722973.6郑竞宏,

18、朱守真.基于滑差同调等值的空调群负荷建模.电力系统自动化,2008,32(16):11215.ZHENGJinghong,ZHUShouzhen.Slipcoherencybasedapproachforairconditioningloadmodeling.AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(16):11215.7谢会玲,鞠平,陈谦,等.广域电力系统负荷整体建模方法.电力系统自动化,2008,32(1):125.932009,33(13)XIEHuiling,JUPing,CHENQian,etal.PowerSystems,2008,32(1)

19、:125.8鞠平,何孝军,黄丽,等.广义电力负荷的模型结构与参数确定.Electricload13李晶,宋佳骅,王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿modelingforwideareapowersystems.AutomationofElectric真.中国电机工程学报,2004,24(6):1002105.LIJing,SONGJiaye,WANGWeisheng.Modelinganddynamicsimulationofvariablespeedwindturbinewithlargecapacity.ProceedingoftheCSEE,2004,24(6):1002105.1

20、4李培强,李欣然,陈辉华,等.电力综合负荷感应电动机模型参电力系统自动化,2006,30(23):11213.JUPing,HEXiaojun,HUANGLi,etal.Modelstructuresandparameterestimationofgeneralizedloads.ElectricPowerSystems,2006,30(23):11213.9王吉利,贺仁睦,马进.配网侧接入电源对负荷建模的影响.电力Automationof数的研究.中国电力,2004,37(11):19222.LIPeiqiang,LIXinran,CHENHuihua,etal.Parametersrese

21、archoninductionmotorloadmodeling.ElectricPower,2004,37(11):19222.15,.系统自动化,2007,31(20):22226.WANGJili,HERenmu,MAJin.Impactofconnectingpowersourcesonloadmodelinginadistributionnetwork.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(20):22226.10李欣然,贺仁睦,周文,等.246.J,LIUpowerloadmodeling.30(11):40246.Yanyang,eta

22、l.SyntheticofgeneticstrategiesandtheirapplicationinPowerSystemTechnology,2006,其描述能力.电力系统自动化,1999,23)LIXinran,HERenmu,etinductionmotoritsabilitytosyntheticloadsofelectricAutomationofElectricPowerSystems,1999,23(9)23227.11章健.电力系统负荷模型与辨识.北京:中国电力出版社,2007.12范高锋,赵海翔,王伟胜,等.基于恒速风电机组的风电场并网过程仿真.电网技术,2007,31(1

23、4):20223.FANGaofeng,ZHAOHaixiang,WANGWeisheng,etal.Simulationandanalysisoninterconnectionprocessoffixedspeedwindturbinesbasedwindfarmwithpowergrid.PowerSystemTechnology,2007,31(14):20223.),男,教授,博士生导师,主要研究方向:李欣然(1957电力系统分析和仿真建模、电压稳定和电压无功控制。E2mail:lixr1013),女,硕士研究生,主要研究方向:电力惠金花(1982系统负荷建模。E2mail:huiji

24、nhua001),男,通信作者,博士研究生,主要研究钱军(1982方向:电力系统负荷建模、微电网仿真与电压稳定。E2mail:qianjun2000ImpactofWindPowerGenerationonLoadModelinginDistributionNetworkLIXinran1,HUIJinhua1,QIANJun1,LIPeiqiang1,XIONGZhirong2,XIEBin2(1.HunanUniversity,Changsha410082,China;2.HunanElectricPowerDesignInstitute,Changsha410007,China)Abstract:TheimpactofwindpowergenerationontheloadmodelinginthedistributionnetworkisstudiedusingMATLABandbasedonmeasurement2basedmethod.Itispointedoutthatthesyntheticloadofdistributionnetworkincludingwindpowergenerationcanbedescribedbyageneralizedcompositeloadmodelcombiningasynchronousmachinesa