风力发电并网系统潮流计算分析

1、风力发电并网系统潮流计算与分析电气工程及其自动化09230430 张鹏飞指导老师：张晓英副教授 吕斌高工随着我国能源结构的调整，风力发电日益受到重视，越来越多的风电场将会接入电力系统中，因此电力系统的潮流计 算分析显得尤其重要。首先研究的是3机9节点电力系统的潮流分布，其中以牛拉法和PQ分解法为计算模型，运用PSASP 软件完成潮流计算及分析，其次研究的是风力发电并网系统的潮流分布，根据风力发电机组的特性，建立了风电场的Q -U模型，通过MATLAB编程实现潮流计算。通过分析系统电压的稳定性得到的结论是风速越大，系统电压的稳定性越差； 风电场发电量占的比例越大，系统母线电压下降越快，系统越不稳

2、定。关键词：潮流计算；PSASP软件；风电场模型； 电压稳定性AbstractThe adjustment of energy structure in our country, wind turbine generation has been paid increasing attention day by day. More and more wind farms will be connected to power system, so power flow calculation and analysis are particularly important. Firstly, the

3、 thesis studies power flow calculation analysis of the 3 machine 9-bus power system with conventional and planning operation way. The Newton Raphson method and PQ decomposition method are the power flow analysis models, the PSASP software is used to complete the flow calculation. Secondly, the power

4、 flow analysis of the system with wind farms is studied. According to the feature of the wind turbines, establishing the QU model for wind farm. The MTALAB Program is adopted to complete the flow calculation. Finally , the stability of the system is analysed. The conclusion is that the wind speed is

5、 greater, the stability of the system is worse, the proportion of wind power is greater, the voltages of the system bus drops faster , the system is more unstable .KEY WORDS : Power flow analysis ;The PSASP software; The model of wind farm; The Stability of voltage一、刖言潮流是确定电力网络运行状态的基本因素，潮流问题是研究电力系统稳

6、态问题的基础和前提。风能 具有间歇性、不可调整性和随机性等特点，随着风电场并入电力系统的容量的增加，研究风力发电机组 并网对系统的影响是至关重要的。论文内容主要分为三部分：(1) 3机9节点电力系统常规运行方式下 的潮流计算及分析，常规运行是指每个发电母线只连接一组同步发电机，母线间的交流线只有一组；(2) 3机9节点电力系统规划运行方式下的潮流计算及分析，即在常规运行的电力系统中，在发电3母线上 增加了一台同步机，并在变压器母线3和负荷母线B之间增加了一条交流线路；(3)风力发电并网系统 潮流计算与分析，论文中的风力发电并网系统是在3机9节点系统的发电3处接入风电场。对以上的3 个系统分别建

7、立合理的数学模型并进行潮流计算及潮流结果分析。二、潮流计算模型常规运行方式潮流模型3机9节点电力系统常规运行方式下的潮流计算采用了牛顿一拉夫逊模型。建立的数学模型为：AP = P-2Te(Ge - B f) + f (G f + Be )(1)i i1- i ij j ij j i j j jjj=1U2 = U2 -(e2 + f 2)(3)Q = Q 一为f (Ge - B f ) - e (G f + Be )(2)i i L i ij j ij j i j j j jJ = 1APQAf(4)PU 2NAfS II Ae(5)其中(1) (2) (3)为计算节点的有功、无功和电压不平衡

8、量的计算式，(4) (5)是修正方程。牛拉法潮流计算的步骤如下：（二）规划运行方式潮流模型3机9节点电力系统规划运行方式下的潮流计算采用的模型是PQ分解模型。其建立的数学模型为:APU =-BUA5（6）；AQU=B- U（7）其中有功、无功的不平衡量由式（1）和（2）求得。其PQ分解法潮流计算步骤如下：牛顿一拉夫逊法潮流计算步骤：（1）、写出节点导纳矩阵；（2）、设定各节点电压初值；（3）、计算修正方程的不平衡量；（4）、计算雅可比矩阵；（5）、解修正方程式；（6）、计算各个节点电压的新值；（7）、收敛检验，若不收敛，返回（3）；（8）、计算各节点的功率和线路上的功率。PQ分解法潮流计算步骤

9、：（1）写出系数矩阵B、B，并求出其逆矩阵；（2）给定各个节点的电压初值；（3）计算有功、无功功率的不平衡量；（4）分别计算有功、无功功率不平衡量与电压的比值；（5）求解修正方程，（6）计算各个节点电压的新值；（7）检验收敛性，若不收敛，返回（3）；（8）计算各个平衡节点和每条线路上的功率。（三）风力发电并网系统潮流计算模型1、异步风力发电机组模型基于鼠笼式异步发电机的定浆距、恒频的风力发电机组主要由风力机、鼠笼式异步发电机组成，风 力机和发电机之间通过多级齿轮箱等装置连接，其结构原理如图1所示：图1风力发电机组结构原理图图图2异步风力发电机组稳态简化等值电路在风力机组的风轮的额定转速固定时，

10、风能利用率主要取决于风速，即风力发电机组的有功功率只 由风速决定。异步发电机组的稳态简化等值电路如图2所示：其中，P为风力发电机输出的有功功率；Q 为无功功率；U为风力发电机的端电压；Xm为激磁电抗；X1为定子漏抗；X2为转子漏抗；R2为转子电 阻；s为额定转差；该电路忽略了定子电阻和激磁电阻。由图可以推出P、Q、U和阻抗Z的表达式，进 一步推导出异步风力发电机组从电网吸收的无功功率的表达式为：X /Q 1X ;Q 2X /qR /Q 250.07620.232893.447970.00759-0.004U 2-U 2 + vU 4 4P 2( X, + X 2)2(8)Q0 - X2( X

11、1 + X JL表1 600kw风力发电机组参数2、风电场潮流计算模型风速v（m/s） p（标幺值）风速v（m/s） p （标幺值）50.00092130.01131070.00277150.01192590.00622170.011835110.00920190.011505表2单台风力发电机组有功功率的期望值论文中的风力发电系统是在3机9节点的典型电力系统中接入风电场，然后进行潮流计算及其分析。对于整个风电场，若忽略风电场内部无功功率损耗及电缆提供的无功功率，则风电场总的无功功率等于 单台风力发电机组的无功功率与风电场并网的机组数的乘积。其风电场接入3机9节点电力系统的示意 图如图3所示：

12、风电场潮流计算模型如下：玲一一.一p/1?.机 9节点电力系统 网络GEN3 230发电 3图3风电场接入3机9节点电力系统示意图AP = P U U (G cos 0 + B sin 0 ) = 0汉 i j ij ij ij ij k =1nei(9)AQ = Q U U (G sin 0 B cos 0 ) = 0 ik i j ij ij ij ij k=1nei三、潮流计算过程（一）常规运行方式潮流计算常规运行方式下的潮流计算是通过PSASP软件来实现的，在PSASP软件中潮流计算的主要步骤为： 建立数据目录一基础数据录入一计算方案定义一计算作业定义一执行计算一结果输出，其中基础数据

13、录 入有文本方式和图形方式两种，在论文中两种方法结合使用；计算方法定义为牛顿一拉夫逊法，计算作 业定义为潮流计算，执行计算后，将计算结果保存，以便比较分析。（二）规划运行方式潮流计算规划运行方式下的潮流计算也是通过PSASP软件来实现的，其主要步骤和常规运行潮流计算的步骤 相同，在常规运行方式的基础之上对数据进行了添加，将新建发电3、变压器3和交流线路11的相关数 据添加在对应的数组中，并定义新建的数据类型为“NEW”，常规运行方式下的数据类型为“BASIC”；潮 流计算方案定义为PQ分解法，计算作业的定义中将计算数据由以前的“BASIC”改为“BASIC”和“NEW”， 执行潮流计算，保存潮

14、流结果。（三）风力发电并网系统潮流计算风力发电并网系统的潮流计算是通过MATLAB编程实现的，由于风电场的无功功率是其有功功率和 接入母线电压的函数，所以不能按照一般的牛顿迭代法去完成潮流计算，而是根据风力发电机组的潮流 计算模型，在程序设计时将风电场的无功功率放在迭代循环中，所以每一次迭代完成之后风电场的无功 功率是不相同的。本设计中的风电场的容量为：15MV、30MW、60MW和240MW，四、潮流计算结果及分析（一）3机9节点电力系统两种运行方式下的潮流结果在PSASP文本界面中点击“结果”，选择潮流，得到潮流结果，输出方式可以选择报表和EXCEL方 式，也可以在图形界面中输出潮流结果，

15、如下图所示：发电3GDJ0a50-i2?0 |0.85发电1S1.0套1.0241.025图6规划运行方式下潮流结果图5常规运行方式下潮流结果（二）常规运行方式及规划运行方式潮流比较分析比较常规运行和规划运行方式下系统的节点电压，并在MATLAB中绘制成曲线图，如图7所示，其中实发电2发电3g所求电力系统节点号*-230STNA-2300.发电1STNB-230STNC-230图7常规与规划运行方式下系统节点电压比较 度的改善。线表示常规运行方式下系统各个节点的电压，虚 线表 示规划运行方式下系统各个节点的电压幅值，从图中 可以看出，规划运行方式下各个母线节点电压高于常 规运行下的母线点电压，

16、尤其是负荷母线电压升高更 为 显著，对系 统的电压起到了支撑作用，因此在电 力系统中并联同容量同型号的同步发电机可以有效改善电力系统的稳定性能，提高系的稳定性，增强系统 的抗干扰能力，系统中各个节点的电压水平得到一定程在PSASP中分别定义常规运行和规划运行时系统的电压稳定计算，得到电压稳定灵敏度如下表所示:表3常规运行方式下电压稳定灵敏度母线名GEN1GEN2GEN3STNASTNBSTNC初始点灵敏度0.141960.121450.094020.283320.221070.17577极限点灵敏度0.149770.150170.080980.346040.175030.14826表4规划运行

17、方式下电压稳定灵敏度母线名GEN1GEN2GEN3STNASTNBSTNC初始点灵敏度0.135570.115250.136590.279430.189880.16032极限点灵敏度0.143270.136590.075840.337840.131280.12943灵敏度的绝对值越小表示系统月稳定，比较表1表2的数值，每条母线的灵敏值都是规划运行方式 较小，这就说明规划运行方式下系统的稳定性更好，即在发电3处接入相同容量的同步机，改善了系统 的稳定性能，提高了整个电力系统的稳定性，增强了系统的抗干扰能力。（三）风力发电并网系统潮流结果及分析运行潮流计算程序，得到不同风速下系统各个节点的电压幅值

18、并绘制成曲线如图8所示，改变风电 场的容量，使风力发电量占系统总发电量的百分比分别为13%、23%和54.5%。，选择风速为13m/s，得到 系统节点电压数据，绘制成曲线如图9所示：发电1发电2发电3GEN1 GEN2 GEN3 STNA STNB STNC系统各个节点0发9 电 1发电 2 发电 3 G E N 1 G E N 2 G E N 3 S T N A STNB STNC系统中各个节点图9相同风速下不同容量风电场并网的系统节点电压图8不同风速下风力发电并网系统的节点电压从图8中可以看出，当风速越大时，风力发电机组的出力就越大，系统母线电压的变化区间就越大， 系统越不稳定。距离风电场越近的母线节点电压上升的越快，如母线发电3、GEN2230、GEN3230, 以及负荷母线STNC