风电场穿透功率极限计算方法综述

第32卷第10期电网技术V ol. 32 No.10 2008年5月Power System Technology May 2008

文章编号：1000-3673（2008）10-0050-04 中图分类号：TM614 文献标识码：A 学科代码：470·40

风电场穿透功率极限计算方法综述

廖 萍，李兴源

（四川大学电气信息学院，四川省成都市 610065）

A Survey on Calculation Methods of Wind Power Penetration Limit

LIAO Ping，LI Xing-yuan

（School of Electrical Engineering & Information，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan Province，China）

ABSTRACT: In this paper, present situation of wind power generation is introduced briefly, and the significance of determining wind power penetration limit of wind farm is pointed out. The approaches to calculate wind power penetration limit such as traditional digital simulation, the optimization algorithm with constraints and frequency constraint method, are separately discoursed upon; the advantages and disadvantages of above-mentioned approaches are analyzed. It is proposed that in order to offer thinking for calculation of wind power penetration limit, researches on randomness of wind power, system frequency stability, the value of wind power and the comprehensive application of above-mentioned approaches should be carried out.

KEY WORDS: wind power generation；wind power penetration limit；digital simulation；optimization algorithm

摘要：简要介绍了风力发电的现状，指出了确定风电场穿透功率极限的重要性，分别论述了求取风电场穿透功率极限的传统数字仿真法、带约束的优化算法以及频率约束法，并讨论分析了上述方法的优缺点，提出今后可在风电随机性、系统频率稳定、风电价值及上述方法的综合应用等方面展开研究，以期为深入研究风电场穿透功率极限计算提供一些思路。

关键词：风力发电；风电穿透极限；数字仿真；优化算法

0引言

风能是一种可再生无污染的绿色能源，风力发电技术正随着人们对能源和环境问题的关注而得到迅速发展[1]。许多国家都制定了关于可再生能源的未来发展战略，风力发电由于技术成熟和利用效率高而受到较高的重视[2-5]。随着风力发电技术的快速发展和国家在政策上对可再生能源发电的重视，

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50577044)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC)(50577044)．我国风力发电建设也进入了一个快速发展的时期[6]。然而，风能资源丰富的地区人口稀少，负荷量小，电网结构相对薄弱，风电场的出力又是随机变化的，无法人为控制[7]，因此风电功率的注入改变了电网的潮流分布，对局部电网的稳定运行影响很大[8]。

随着世界上风力发电项目数量的增加和规模的扩大，风电规划中的问题已明显地暴露出来[9]。大型风电场并网运行对电力系统的影响越来越明显，大规模的风电并网运行对系统供电质量和可靠性的影响也受到更多地关注。因此，确定一个风电场的穿透功率极限及其影响因素成为规划设计风电场时迫切需要解决的问题[10]。

由于风电场对系统的影响涉及到了许多方面，分析计算十分复杂，因此至今尚没有统一的求解风电场穿透极限功率的方法。数值仿真方法是在计算机上对风电并网系统可能出现的多种工况进行模拟[11]，通过比较各组数据确定穿透功率极限。带约束的优化方法则是利用优化算法对整个问题进行数学化的求解，最终得到一个确定的值，其不足在于约束条件和优化算法将影响结果的精确性。本文通过综述国内外在风电场穿透功率极限领域的研究现况，归纳出该领域的3类主要方法，以期为深入研究风电场穿透功率极限计算提供一些思路。 1风电场穿透功率极限的基本概念

关于风电场穿透功率极限的定义有多种形式。1998年的国际大电网会上J. F. Christensen等人提出的风电场穿透功率极限指系统所能接受的风电场最大容量和系统最大负荷的比值[12]。R. A. Schlueter 等人将风电场穿透功率极限定义为系统所能接受的风电场最大容量与系统容量的比值[12]。考虑到我国的实际情况，将风电场穿透功率极限定义为系统

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能够接受的最大风电场装机容量占系统最大负荷的百分比。

风电场并网容量的增加会使系统电压和频率产生偏差、电压发生波动和闪变、电压稳定性受到影响等，且系统为减小风电场发电间歇性对系统的影响必须增加旋转备用容量，因此会使系统可靠性和经济性下降。综上可知，计算风电场穿透功率极限非常重要，但由于涉及的因素较多，范围较广，至今还没有统一的算法和公式[12]。

2 数字仿真法

自风电问题出现以来，研究人员大多采用数字仿真的方法模拟风电场并网以后对系统电能质量和安全性的影响，综合考虑运行方式、扰动方式以及稳定判据等因素，间接地确定系统风电场准入功率的水平。

文献[11]采用数字仿真方法模拟了风电并网系统可能出现的多种工况，指出系统负荷水平、日运行计划、机组最小出力限制、系统对电压水平的要求等因素都可能限制一个系统可能接受的风电容量。文献[13]提出一种针对中小网络的数字仿真方法，分析了风电接入电力系统造成的电压波动对有功和无功潮流的影响，指出系统所能接受的风电容量与系统负荷和网络结构密切相关。文献[8]从电力联营体和配电公司的角度对较大比例的风电接入孤立系统和互联系统后造成的影响进行了分析，指出系统对电压水平的要求、系统的发输电和配电规划以及运行方案等都会影响到风电的准入功率水平。考虑到我国薄弱的电网结构，由于风电场的地理位置一般远离负荷中心，在计算风电场穿透功率极限时，必须考虑到风电场的暂态稳定性。为此文献[14]提出了一种基于电力系统暂态稳定分析的风电场穿透功率极限的计算方法。该文采用中国电力科学研究院的电力系统分析综合程序PSASP，应用程序中的用户接口建立风力发电机组的动态数学模型，对风电场并网运行进行动态仿真。计算中的风电场数学模型考虑了风电机组的叶片、轮毂、齿轮箱和连轴器以及异步发电机的特性。实例计算结果表明，影响电力系统风电并网容量的主要因素是频率波动。这种方法的不足之处在于它要受计算量的限制，无法全面考虑系统各种运行方式和风况条件。文献[15]采用一种准稳态的计算方法，在建立风电场的等效模型的基础上，通过不断增加风电场的输出功率来进行仿真，并对影响风电场最大安装容量的各种因素进行分析，指出风电场稳态运行的功率极限取决于电网的电气结构、所选风机的类型以及无功补偿的状况。文献[16]采用动态仿真法，从动态稳定性方面提出了计算风场最大安装容量的方法。

数字仿真法物理概念清晰，只要建立的模型正确就可考虑多种因素的影响及各种因素间的相互影响。但这是一种验证性的计算方法，要确定一个给定系统的最大装机容量还需进行大量的仿真计算[17-18]。

3 带约束的优化方法

3.1 概述

21世纪后有学者利用较成熟的优化算法[19-23]对风电场穿透功率极限问题进行求解，并取得了较好的效果。在仿真求取风电场穿透功率极限时，上述优化算法通常先假设一个风电场容量值，再利用优化方法对风电场的容量进行修正。通过不断地仿真、分析和修正，直到求得该种运行方式下满足约束的风电场最大容量。根据不同运行方式下求得的各自对应的风电场最大容量值，取其中最小的容量值并根据定义计算风电场穿透功率极限。

3.2数学模型

如果把系统可接受的风电功率(容量)最大化作为目标，把系统可以人为改变和调节的物理量(如可调发电机组的出力、无功补偿装置的无功功率和带负荷调压变压器的变比)作为控制变量，把节点电压幅值和相角等可以经由控制变量计算出来的物理量作为状态变量，把系统的潮流方程作为等式约束，把系统对电能质量的要求、安全指标以及稳定水平作为不等式约束，则穿透功率极限在数学意义上的实质就是最优化(最大化)问题[18]，即

T

max f=c y

s.t. (,,)

g=0

u x y(1)

(,,)

h≤0

u x y

式中：u和x分别为常规电力系统分析中的控制变量和状态变量；y为由风电场有功功率(在确定性变量形式下等同于风电场的装机容量)和无功功率组成的列向量，既不能列入控制变量，也不属于状态变量，所以单独列出；c为与y同维的系数向量，其对应于风电场有功功率位置上的元素为1，其它元素为0；上标T表示矩阵(或向量)的转置。下面给出式(1)中需要考虑的等式及不等式约束条件的具体形式。等式约束g(u, x, y)=0主要指电力系统的潮流方程，这是优化过程中需要保证的最基本条件。不等式约束h(u, x, y)≤0涵盖的内容很多，主要分为3个方