风力发电并网系统潮流计算分析

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

摘 要

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，系统越不稳定。 关键词：潮流计算； PSASP 软件 ； 风电场模型 ； 电压稳定性

Abstract

The 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 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 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 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、前言

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

（一）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—拉夫逊模型。建立的数学模型为：

1()()j n

i i i ij j ij j i ij j ij j j P P e G e B f f G f B e ==⎡⎤∆=--++⎣⎦∑ （1） 2222

()i i i i U U e f ∆=-+ （3）

1

()()j n

i i i ij j ij j i ij j ij j j Q Q f G e B f e G f B e ==⎡⎤∆=---+⎣⎦∑ （2） P H

N f Q J L e ∆∆⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢

⎥⎢⎥⎢⎥∆∆⎣⎦⎣⎦⎣⎦

（4） 2P H

N f R S e U ∆∆⎡⎤⎡⎤⎡⎤

=⎢

⎥

⎢⎥⎢⎥∆∆⎣⎦⎣⎦

⎣⎦ （5） 其中（1）（2）（3）为计算节点的有功、无功和电压不平衡量的计算式，（4）（5）是修正方程。牛拉

牛顿—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： （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。 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：P U B U δ'∆=-∆（6）；Q U 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：

（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：

齿轮箱

电网

异步发电机

X 1

X 2

X m

R 2/s

U

P+jQ

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，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：

表2单台风力发电机组有功功率的期望值

2422

2120124()2()m U U P X X U Q X X X -+-+=-

+（8） 表1 600kw 风力发电机组参数

1X Ω

2X Ω

m X Ω

2R Ω

s

0.0762 0.23289 3.44797 0.00759

-0.004

2、风电场潮流计算模型

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：风电场潮流计算模型如下：

...

发电3

3机9节点电力系统

网络

GEN3—230

图3 风电场接入3机9节点电力系统示意图 风速v （m/s ） p(标幺值) 风速v （m/s ） p(标幺值) 5 0.00092 7 0.00277 9 0.00622 11 0.00920

13 0.011310

15 0.011925 17 0.011835 19 0.011505

11(cos sin )0(9)(sin cos )0M

ik i j ij ij ij ij k n i

M

ik i j ij ij ij ij k n i P P U U G B Q Q U U G B θθθθ=∈=∈⎧

∆=-+=⎪⎪⎨⎪∆=--=⎪⎩

∑∑∑∑