含风电场电力系统节点电压脆弱性的计算

含风电场电力系统节点电压脆弱性的计算

0风电场并网运行问题概述随着能源和环境问题的日益突出，电动汽车作为一种可再生绿色能源，进入了一个快速发展的时期。但国内风电场大多远离负荷中心,且随着风电机组单机容量和风电场的规模的不断增大,这些特点使得风电场并网运行产生了一系列问题目前,国内外许多专家学者已对风力发电开展了广泛而深入的研究基于上述思想,本文从电网的角度,将并网运行的风电场视作一个具有随机性的扰动源,并认为风速不同,风电场注入有功和无功不同,对应的扰动状态不同,由此造成系统的运行状态也不同。通过算例的分析计算,对比了不同风速条件下系统的节点电压脆弱度指标,对含风电场电力系统的节点电压脆弱性进行评估,从脆弱性的角度分析了风电并网对电力系统的影响,对保证电力系统的安全稳定运行具有实际意义。1风电场数学模型1.1风力发电机的运行风力发电机组主要由风力机和异步风力发电机等主要元件组成。风力发电机的发电能力受多种因素影响,主要是风速、风机叶片的扫掠面积等。风能的功率与风速的三次方成正比,风力发电机所发出的机械功率可表示为式中:ρ为空气密度,kg/m1.2图1:美国监狱警察-区大型风电场中多采用异步风力发电机,单机容量从几百千瓦到几千千瓦不等,其等值电路如图1所示。由异步发电机原理知道,异步风力发电机发出的有功功率式中,x功率因数角的正切公式为异步发电机吸收的无功功率由以上公式可知,只要风速确定,便可通过式(1)得到异步风力发电机输出的有功功率,进而可求得风电机组所需吸收的无功功率。1.3风电场的功率风电场由分散布置的风电机组组成,机组的单机容量一般为几百千瓦。本文在研究风电场接入对电力系统节点电压脆弱性的影响时,将风电场作为一个整体接入电网,不考虑由尾流效应、地形等因素造成的风电机组之间的相互影响,认为风力机的有功功率就是风力机的机械功率,且所有机组的端电压相等,等于待求的的风电场母线电压。由于异步发电机在发出有功的同时还要从系统吸收一定的无功功率,其无功功率的大小与节点电压U和滑差s有关,故不能简单将风电场视作功率恒定的PQ节点。因此,本文中将通过风电数学模型与系统功率方程交替迭代进行相关计算。2节点电压脆弱性评价指标2.1引入优化乘用的非晶态势法pnf算法，计算节点的临界电压传统的脆弱性评估一般通过计算节点电压裕度评估系统节点的脆弱性,而计算电压裕度必须要计算节点临界电压。计算节点临界电压2.2初始安全电压裕度b应用上述方法求得的节点临界电压求取节点电压裕度指标式中:V这样,式(6)为含风电场系统在当前风速条件下的电压裕度与风电并网前的初始安全电压裕度的比值,能较好地反应系统中任一节点i在当前风速对应运行状态下的安全程度。在本文中将取式(6)的倒数作为评估节点电压脆弱性的指标:此式物理意义在于,ρ值越大,说明系统在当前风速条件下距离临界运行状态越近,系统越脆弱;反之,系统距离临界运行状态越远,系统越稳定。3风电场节点电压脆度计算方法由上节内容可以看出,脆弱度指标的计算包含两个部分:一是风电场并网前分别调用相关程序计算系统稳态运行时的节点电压和崩溃时的临界电压;二是风电场接入后的电力系统在不同风速条件下运行的节点电压值和临界电压值的计算。其计算过程和风电场接入前的计算过程相似,不同之处在于要对风电场节点对应的雅克比矩阵项进行修正。由风力发电机模型可知,若给定风速,则风电场节点的有功功率为已知量,而无功功率则可表示为电压和有功功率的函数。利用牛顿-拉夫逊方法计算潮流时,风电场节点的有功和无功可以按照式(1)、(2)和式(5)进行计算。在对雅克比矩阵进行修正时只需要补充风电场节点吸收无功对电压的偏导数项。由式(1)、式(4)及式(5),可得进而求导可得风电场对应雅克比矩阵修正项:这样,先计算风电并网前的节点电压和临界电压,再按式(9)修正雅克比矩阵,计算风电场接入后系统各节点的电压和临界电压,即可按式(7)求得节点电压脆弱度指标。指标的具体计算流程如图2所示。4节点电压脆弱度分析本文以风电场通过变压器接入IEEE14节点系统为例进行脆弱性评估,根据指标的计算流程,应用Matlab7编写了相应程序,实现该系统的仿真计算。风电场容量为50×600kW,风电机组额定电压690V,异步风力发电机的参数为:表1为不同风速条件下风电场有功、无功及出力及风电场的出口电压。由表中数据可以看出,随着风速的逐渐增大,风电机组发出的有功功率及吸收的无功功率会不断增加。表2为风电场并网前系统节点电压值、临界电压值以及风电场接入系统后,在不同风速条件下各节点的电压和临界电压值。由表中数据可以看出,风电并网后,系统临界电压普遍提高。而大多数节点电压值则随风速的增大而降低,这主要是因为风速越大,风电场吸收的无功越多,系统整体电压水平降低。特别是距风电场接入点较近节点的电压变化幅度较大,因此,在实际的风电场并网运行过程中,有必要在并网点及对风电场较为敏感的节点进行无功补偿,以保证含风电系统的安全稳定运行。表3为根据表2数据求出的不同风速条件下节点电压脆弱度指标。由表中数据可以看出,随着风速的逐渐增大,系统各节点的脆弱度明显提高。究其原因主要是因为风电场的运行需要系统的无功支持,这加重了系统的无功负担,系统的稳定性变差。表4为风电场改成在9号节点并网时系统节点脆弱度的排序结果。对比表3、表4的排序结果不难发现,一些节点如9、10、12、13排序变化明显,表明并网点的不同会影响节点脆弱度排序结果。还可以发现,有些节点脆弱度排序的相对位置不会发生变化,如节点4、5,说明脆弱度的排序还要受系统自身结构的影响。此外,通过仿真计算结果还发现,风电场接入9号节点,系统多数节点脆弱度指标较接入14节点时略有减小,系统整体的脆弱度有所降低,表明不同的并网点对系统节点的脆弱度影响不同。5风电场并网之后将风电场视作扰动源,认为风速不同,对应的扰动不同,由此对电力系统的影响也不同。经过算例的计算分析表明,风电场的并网提高了电力系统的节点电压脆弱度,降低了系统的安全稳定性。特别是在风电场并网后,对风电场较为敏感的节点电压变化幅度较大。在实际的风电场并网运行过程中,有必要对这些节点进行无功补偿,以保证含风电系统的安全稳定运行。此