风力发电机组并联电容器组安装容量的研究

风力发电机组并联电容器组安装容量的研究

0配电网潮流计算方法研究分布供电的优点越来越受到关注，因为它灵活适应负荷的增加，初始建设投资低，能源损失小。分布式电源的引入使配电系统结构由单电源辐射型网络变成了多分布式电源的弱环网络。为深刻理解引入分布式电源后配电网的性能和运行特点,基于传统单电源辐射型配电网潮流算法研究计及分布式电源的配电网潮流具有非常重要的意义。文献运用牛顿-拉夫逊法求解带分布式电源的配电网潮流,将发电机视为有功功率恒定的受控电压源。文献利用前推回推法求解带分布式电源的辐射型网络潮流,建立了基于前推回推法的设备模型。文献研究了异步发电机、具有无励磁调节能力的同步发电机和燃料电池的运行方式和控制特性,建立了各自在潮流计算中的数学模型,提出了基于灵敏度补偿的配电网潮流计算方法。文献研究了分布式发电系统中风力发电和太阳能发电的随机出力对配电系统电压质量的影响,建立了风力发电和太阳能发电的随机分析模型,通过随机潮流计算得到了节点电压概率密度曲线和系统年期望电压越限小时数。前推回推潮流算法是当前应用广泛的配电网潮流算法,具有较好的线性收敛性能。风力发电作为一种分布式电源,其模型及其对配电网的影响引起了研究人员的广泛关注。为补偿风力发电机组吸收的无功功率,通常需要安装并联电容器。本文建立了风电场中风力发电机组的数学模型,提出了并联电容器组容量选择和投切方法,结合分布式发电与配电网前推回推潮流算法对计及风力发电机组的配电网进行了潮流计算。1风力发电的原理和模型1.1风力机系统模型风力发电的效能与风速大小、风力机叶片设计和叶片受风面积等因素有关。风力发电机产生的机械功率为式中:ρ为空气密度,km/m3;V为风速,m/s;S为风力机扫掠面积,m2;风力机的风能利用系数Cp表示风力机从风中获得的有用风能比例,可以由风力机Cp特性曲线获得。由式(1)可以看出,风力机产生的理论机械功率与受风面积成正比,与风速的3次方成正比。将风力发电机组的有功出力视为风速的函数,由风力发电场所在地的风速即可近似得到风力发电场输出的有功功率。对某一时刻配电网进行潮流计算时,可认为风力发电机组在该时刻输出的机械功率是由该时刻风速决定的定值。1.2风电场上的等效电路目前风力发电机一般为异步发电机,由于异步发电机本身没有励磁装置,主要靠电网提供的无功功率建立磁场,故不能将风力发电机视为电压幅值恒定的PV节点。为简化处理,在电力系统潮流计算中将风力发电系统视为PQ节点,根据风力机的风速-功率曲线计算每台风力机从风场获得的机械功率,从而得到整个风电场的有功功率,并根据给定风电场的功率因数得到整个风电场消耗的无功功率。这种计算方法简单,但往往出现风力发电机组理论计算值与其实际值偏差较大的情况。本文克服上述缺点,考虑异步发电机输出的有功功率和从系统吸收的无功功率建立了基于异步发电机等值电路的风力发电机组P-Q(V)稳态模型。异步发电机的近似等效电路见图1。图中:U为风电场发电机的节点电压幅值;Is为定子电流;IR为转子电流;Im为励磁电流;R为转子电阻;s为转差率;Re为机械负载等效电阻;xm为励磁电抗;xσ为发电机定子电抗x1与转子电抗x2之和。由图1可知,发电机输出的电磁功率和功率因数角的正切公式分别为发电机的转差率s为当风速给定时,根据风力发电机的有功功率输出特性可以确定风力发电机的无功功率,即2联合电压公司的无损坏赔偿方案2.1串联电容器组的风力发电机模型为减少网络损耗,通常与风力发电机组配套安装并联电容器组。电容器组自动分组投切,以保证风力发电机的功率因数在允许范围内变动。带并联电容器组的风力发电机的功率因数为式中:P为风力发电机输出的有功功率;Q为风力发电机吸收的无功功率。为使发电机的功率因数由cosφ1提高到cosφ2,并联电容器输出的无功补偿容量为根据额定电压下并联电容器的单位容量QN-Unit,并联电容器组的实际投入组数为式中int()表示对分数取整运算,取其邻近且比其稍大的整数。额定电压为UN时,电容器组在电压U下输出的无功功率为2.2风力发电系统补偿容量安装并联电容器组后,一般要求风力发电机的额定功率因数大于0.98,由此可得风电场需要安装的并联电容器组的最大补偿容量。具体步骤如下:(1)令式(7)中Pe等于风力发电机组的额定输出功率PN,cosφ1为未加电容器时发电机在额定功率下的功率因数,cosφ2为投入电容器组后风电场的功率因数,此处取0.99。(2)将上述数据代入式(7)即可计算出风力发电机组需要的最大无功补偿容量Qmax。(3)由式(8)可得并联电容器的安装组数Nmax。2.3电容器组添加nx除了专门提供无功功率的发电设备外,每个分布式发电机组的功率因数都应大于0.9。并联电容器投入组数的计算步骤如下:(1)随意或根据运行经验设定并联电容器的初始投入组数。(2)令Pe等于风力发电机组的在某一时刻风速下的输出功率,用式(6)确定未投入并联电容器组时该时刻风电场的cosφ1,投入电容器组后风电场的cosφ2(初值)取0.9。(3)将并联电容器的初始投入组数代入式(9),得出电压U下电容器组实际输出的无功功率。(4)在迭代过程中,若风电场的功率因数不满足要求,可逐次投入或退出1组并联电容器组,直至风力发电场的功率因数满足要求为止。若风力发电场的功率因数大于给定值,说明并联电容器组的补偿过多,应退出1组并联电容器组;若风力发电场的功率因数小于给定值,说明并联电容器组补偿不足,应投入1组并联电容器组。电容器投入的组数最多为Nmax。满足风电场的功率因数要求的并联电容器组数就是实际需投入的电容器组数。3潮流求解流程前推回推法是进行配电网潮流计算的有效方法,特别适用于计算辐射型电网结构的潮流,具有收敛速度快的特点。前推回推类法重复回推和前推2个步骤,直至满足收敛判据为止。本文采用回推过程计算电流、前推过程计算电压,根据电压误差判定潮流是否收敛。利用风力发电机组简化模型进行潮流计算时,无需改动现有的前推回推法潮流程序,直接将风力发电机节点视为PQ值给定的负荷节点即可进行潮流求解。基于风力发电机组P-Q(V)模型,确定了并联电容器组初始安装容量、安装组数和实时投切组数后,含风力发电机组的配电网前推回推潮流计算流程如图2所示。进行潮流计算前,需要给定的初始量有风电场节点电压幅值、风力发电机输出的有功功率、定子电抗、转子电抗、励磁电抗、转子电阻、并联电容器组的额定电压、并联电容器组在额定电压下的单位容量及其最大组数。用C++类函数描述风力发电机和并联电容器组对网络潮流的影响,在C++类函数中需要求出系统实际运行时并联电容器的初始投入组数、并联电容器组的最大投入组数、风力发电机吸收的无功功率和并联电容器组发出的无功功率。在潮流计算过程中,将改变后的节点电压幅值代入类函数求出节点电压变化后风力发电机组吸收的无功功率和并联电容器组发出的无功功率。把建立的风力发电机模型和确定并联电容器组初始安装容量、安装组数和实时投切组数的方法嵌入到原有前推回推法程序中,用系统功率方程和风力机组数学模型交替迭代求解,形成含风力发电机组的配电网潮流程序。4计算与分析4.1风力发电机和风电机组成本文以某33节点配电系统为例进行算例验证。取系统电压基准值为12.66kV,视在功率基准值为10000kVA,单台风力发电机的额定容量为600kW,其额定电压为0.69kV、功率因数为0.89。将风电机经变比为0.69/12.66的变压器接入配电网。并联电容器组的额定电压为0.69kV,每台并联电容器的额定容量为40kvar。风电场功率因数的允许变化范围为0.9～1.0。4.2引入风力发电机后的潮流计算风力发电机发出的电能随风速不同而变化。在特定风速下,设风力发电机安装在节点26上,馈线根节点的电压为。风力发电机发出的有功功率分别为0(风电场与电网断开)、100、200、300、400、500和600kW。分别对上述7种情况进行潮流计算,引入风力发电机后的部分潮流计算结果见表1。表1反映了风力发电机输出的有功功率与风力发电机安装处的节点电压、风力发电机端电压、风力发电机吸收的无功功率、电容器组输出的无功功率和风力发电机功率因数之间的关系。对于该33节点系统,未引入风力发电机时,采用前推回推潮流算法计算网络潮流时需要迭代5次。在任意节点引入风力发电机后,采用本文改进的前推回推潮流算法计算网络潮流时也需要迭代5次。因此求解计及风电场的配电网潮流时,本文的前推回推法具有良好的收敛性。4.3电机接入系统不同位置时的电压水平曲线比较未接入风力发电机时系统电压变化情况以及在系统不同位置接入风力发电机后的系统电压变化情况。同一型号的2台风力发电机接入系统不同位置时,以额定功率运行的系统电压水平曲线见图3。图中:虚线表示未接入风力发电机时系统的电压水平曲线;点线表示分别在节点18和30处同时接入风力发电机时系统的电压水平曲线;实线表示分别在节点26和31处同时接入风力发电机时系统的电压水平曲线。由图3可以看出,在长线路、辐射型结构的配电系统接入风力发电机