1、風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)潮流計算與分析電氣工程及其自動化09230430 張鵬飛指導老師：張曉英副教授 呂斌高工隨著我國能源結(jié)構的調(diào)整，風力發(fā)電日益受到重視，越來越多的風電場將會接入電力系統(tǒng)中，因此電力系統(tǒng)的潮流計 算分析顯得尤其重要。首先研究的是3機9節(jié)點電力系統(tǒng)的潮流分布，其中以牛拉法和PQ分解法為計算模型，運用PSASP 軟件完成潮流計算及分析，其次研究的是風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的潮流分布，根據(jù)風力發(fā)電機組的特性，建立了風電場的Q -U模型，通過MATLAB編程實現(xiàn)潮流計算。通過分析系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性得到的結(jié)論是風速越大，系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性越差； 風電場發(fā)電量占的比例越大，系統(tǒng)母線電壓下降越快，系統(tǒng)越不穩(wěn)

2、定。關鍵詞：潮流計算；PSASP軟件；風電場模型； 電壓穩(wěn)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、刖言潮流是確定電力網(wǎng)絡運行狀態(tài)的基本因素，潮流問題是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)

6、態(tài)問題的基礎和前提。風能 具有間歇性、不可調(diào)整性和隨機性等特點，隨著風電場并入電力系統(tǒng)的容量的增加，研究風力發(fā)電機組 并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響是至關重要的。論文內(nèi)容主要分為三部分：(1) 3機9節(jié)點電力系統(tǒng)常規(guī)運行方式下 的潮流計算及分析，常規(guī)運行是指每個發(fā)電母線只連接一組同步發(fā)電機，母線間的交流線只有一組；(2) 3機9節(jié)點電力系統(tǒng)規(guī)劃運行方式下的潮流計算及分析，即在常規(guī)運行的電力系統(tǒng)中，在發(fā)電3母線上 增加了一臺同步機，并在變壓器母線3和負荷母線B之間增加了一條交流線路；(3)風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng) 潮流計算與分析，論文中的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)是在3機9節(jié)點系統(tǒng)的發(fā)電3處接入風電場。對以上的3 個系統(tǒng)分別建

7、立合理的數(shù)學模型并進行潮流計算及潮流結(jié)果分析。二、潮流計算模型常規(guī)運行方式潮流模型3機9節(jié)點電力系統(tǒng)常規(guī)運行方式下的潮流計算采用了牛頓一拉夫遜模型。建立的數(shù)學模型為：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 一為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)為計算節(jié)點的有功、無功和電壓不平衡

8、量的計算式，(4) (5)是修正方程。牛拉法潮流計算的步驟如下：（二）規(guī)劃運行方式潮流模型3機9節(jié)點電力系統(tǒng)規(guī)劃運行方式下的潮流計算采用的模型是PQ分解模型。其建立的數(shù)學模型為:APU =-BUA5（6）；AQU=B- U（7）其中有功、無功的不平衡量由式（1）和（2）求得。其PQ分解法潮流計算步驟如下：牛頓一拉夫遜法潮流計算步驟：（1）、寫出節(jié)點導納矩陣；（2）、設定各節(jié)點電壓初值；（3）、計算修正方程的不平衡量；（4）、計算雅可比矩陣；（5）、解修正方程式；（6）、計算各個節(jié)點電壓的新值；（7）、收斂檢驗，若不收斂，返回（3）；（8）、計算各節(jié)點的功率和線路上的功率。PQ分解法潮流計算步驟

9、：（1）寫出系數(shù)矩陣B、B，并求出其逆矩陣；（2）給定各個節(jié)點的電壓初值；（3）計算有功、無功功率的不平衡量；（4）分別計算有功、無功功率不平衡量與電壓的比值；（5）求解修正方程，（6）計算各個節(jié)點電壓的新值；（7）檢驗收斂性，若不收斂，返回（3）；（8）計算各個平衡節(jié)點和每條線路上的功率。（三）風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)潮流計算模型1、異步風力發(fā)電機組模型基于鼠籠式異步發(fā)電機的定漿距、恒頻的風力發(fā)電機組主要由風力機、鼠籠式異步發(fā)電機組成，風 力機和發(fā)電機之間通過多級齒輪箱等裝置連接，其結(jié)構原理如圖1所示：圖1風力發(fā)電機組結(jié)構原理圖圖圖2異步風力發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)簡化等值電路在風力機組的風輪的額定轉(zhuǎn)速固定時，

10、風能利用率主要取決于風速，即風力發(fā)電機組的有功功率只 由風速決定。異步發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)簡化等值電路如圖2所示：其中，P為風力發(fā)電機輸出的有功功率；Q 為無功功率；U為風力發(fā)電機的端電壓；Xm為激磁電抗；X1為定子漏抗；X2為轉(zhuǎn)子漏抗；R2為轉(zhuǎn)子電 阻；s為額定轉(zhuǎn)差；該電路忽略了定子電阻和激磁電阻。由圖可以推出P、Q、U和阻抗Z的表達式，進 一步推導出異步風力發(fā)電機組從電網(wǎng)吸收的無功功率的表達式為：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風力發(fā)電機組參數(shù)2、風電場潮流計算模型風速v（m/s） p（標幺值）風速v（m/s） p （標幺值）50.00092130.01131070.00277150.01192590.00622170.011835110.00920190.011505表2單臺風力發(fā)電機組有功功率的期望值論文中的風力發(fā)電系統(tǒng)是在3機9節(jié)點的典型電力系統(tǒng)中接入風電場，然后進行潮流計算及其分析。對于整個風電場，若忽略風電場內(nèi)部無功功率損耗及電纜提供的無功功率，則風電場總的無功功率等于 單臺風力發(fā)電機組的無功功率與風電場并網(wǎng)的機組數(shù)的乘積。其風電場接入3機9節(jié)點電力系統(tǒng)的示意 圖如圖3所示：

12、風電場潮流計算模型如下：玲一一.一p/1?.機 9節(jié)點電力系統(tǒng) 網(wǎng)絡GEN3 230發(fā)電 3圖3風電場接入3機9節(jié)點電力系統(tǒng)示意圖AP = P U U (G cos 0 + B sin 0 ) = 0漢 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、潮流計算過程（一）常規(guī)運行方式潮流計算常規(guī)運行方式下的潮流計算是通過PSASP軟件來實現(xiàn)的，在PSASP軟件中潮流計算的主要步驟為： 建立數(shù)據(jù)目錄一基礎數(shù)據(jù)錄入一計算方案定義一計算作業(yè)定義一執(zhí)行計算一結(jié)果輸出，其中基礎數(shù)據(jù)

13、錄 入有文本方式和圖形方式兩種，在論文中兩種方法結(jié)合使用；計算方法定義為牛頓一拉夫遜法，計算作 業(yè)定義為潮流計算，執(zhí)行計算后，將計算結(jié)果保存，以便比較分析。（二）規(guī)劃運行方式潮流計算規(guī)劃運行方式下的潮流計算也是通過PSASP軟件來實現(xiàn)的，其主要步驟和常規(guī)運行潮流計算的步驟 相同，在常規(guī)運行方式的基礎之上對數(shù)據(jù)進行了添加，將新建發(fā)電3、變壓器3和交流線路11的相關數(shù) 據(jù)添加在對應的數(shù)組中，并定義新建的數(shù)據(jù)類型為“NEW”，常規(guī)運行方式下的數(shù)據(jù)類型為“BASIC”；潮 流計算方案定義為PQ分解法，計算作業(yè)的定義中將計算數(shù)據(jù)由以前的“BASIC”改為“BASIC”和“NEW”， 執(zhí)行潮流計算，保存潮

14、流結(jié)果。（三）風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)潮流計算風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的潮流計算是通過MATLAB編程實現(xiàn)的，由于風電場的無功功率是其有功功率和 接入母線電壓的函數(shù)，所以不能按照一般的牛頓迭代法去完成潮流計算，而是根據(jù)風力發(fā)電機組的潮流 計算模型，在程序設計時將風電場的無功功率放在迭代循環(huán)中，所以每一次迭代完成之后風電場的無功 功率是不相同的。本設計中的風電場的容量為：15MV、30MW、60MW和240MW，四、潮流計算結(jié)果及分析（一）3機9節(jié)點電力系統(tǒng)兩種運行方式下的潮流結(jié)果在PSASP文本界面中點擊“結(jié)果”，選擇潮流，得到潮流結(jié)果，輸出方式可以選擇報表和EXCEL方 式，也可以在圖形界面中輸出潮流結(jié)果，

15、如下圖所示：發(fā)電3GDJ0a50-i2?0 |0.85發(fā)電1S1.0套1.0241.025圖6規(guī)劃運行方式下潮流結(jié)果圖5常規(guī)運行方式下潮流結(jié)果（二）常規(guī)運行方式及規(guī)劃運行方式潮流比較分析比較常規(guī)運行和規(guī)劃運行方式下系統(tǒng)的節(jié)點電壓，并在MATLAB中繪制成曲線圖，如圖7所示，其中實發(fā)電2發(fā)電3g所求電力系統(tǒng)節(jié)點號*-230STNA-2300.發(fā)電1STNB-230STNC-230圖7常規(guī)與規(guī)劃運行方式下系統(tǒng)節(jié)點電壓比較 度的改善。線表示常規(guī)運行方式下系統(tǒng)各個節(jié)點的電壓，虛 線表 示規(guī)劃運行方式下系統(tǒng)各個節(jié)點的電壓幅值，從圖中 可以看出，規(guī)劃運行方式下各個母線節(jié)點電壓高于常 規(guī)運行下的母線點電壓，

16、尤其是負荷母線電壓升高更 為 顯著，對系 統(tǒng)的電壓起到了支撐作用，因此在電 力系統(tǒng)中并聯(lián)同容量同型號的同步發(fā)電機可以有效改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，提高系的穩(wěn)定性，增強系統(tǒng) 的抗干擾能力，系統(tǒng)中各個節(jié)點的電壓水平得到一定程在PSASP中分別定義常規(guī)運行和規(guī)劃運行時系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定計算，得到電壓穩(wěn)定靈敏度如下表所示:表3常規(guī)運行方式下電壓穩(wěn)定靈敏度母線名GEN1GEN2GEN3STNASTNBSTNC初始點靈敏度0.141960.121450.094020.283320.221070.17577極限點靈敏度0.149770.150170.080980.346040.175030.14826表4規(guī)劃運行

17、方式下電壓穩(wěn)定靈敏度母線名GEN1GEN2GEN3STNASTNBSTNC初始點靈敏度0.135570.115250.136590.279430.189880.16032極限點靈敏度0.143270.136590.075840.337840.131280.12943靈敏度的絕對值越小表示系統(tǒng)月穩(wěn)定，比較表1表2的數(shù)值，每條母線的靈敏值都是規(guī)劃運行方式 較小，這就說明規(guī)劃運行方式下系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，即在發(fā)電3處接入相同容量的同步機，改善了系統(tǒng) 的穩(wěn)定性能，提高了整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。（三）風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)潮流結(jié)果及分析運行潮流計算程序，得到不同風速下系統(tǒng)各個節(jié)點的電壓幅值

18、并繪制成曲線如圖8所示，改變風電 場的容量，使風力發(fā)電量占系統(tǒng)總發(fā)電量的百分比分別為13%、23%和54.5%。，選擇風速為13m/s，得到 系統(tǒng)節(jié)點電壓數(shù)據(jù)，繪制成曲線如圖9所示：發(fā)電1發(fā)電2發(fā)電3GEN1 GEN2 GEN3 STNA STNB STNC系統(tǒng)各個節(jié)點0發(fā)9 電 1發(fā)電 2 發(fā)電 3 G E N 1 G E N 2 G E N 3 S T N A STNB STNC系統(tǒng)中各個節(jié)點圖9相同風速下不同容量風電場并網(wǎng)的系統(tǒng)節(jié)點電壓圖8不同風速下風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點電壓從圖8中可以看出，當風速越大時，風力發(fā)電機組的出力就越大，系統(tǒng)母線電壓的變化區(qū)間就越大， 系統(tǒng)越不穩(wěn)定。距離風電場越近的母線節(jié)點電壓上升的越快，如母線發(fā)電3、GEN2230、GEN3230, 以及負荷母線STNC