風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并聯(lián)電容器組安裝容量的研究

0配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法研究分布供電的優(yōu)點(diǎn)越來越受到關(guān)注，因?yàn)樗`活適應(yīng)負(fù)荷的增加，初始建設(shè)投資低，能源損失小。分布式電源的引入使配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成了多分布式電源的弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)。為深刻理解引入分布式電源后配電網(wǎng)的性能和運(yùn)行特點(diǎn),基于傳統(tǒng)單電源輻射型配電網(wǎng)潮流算法研究計(jì)及分布式電源的配電網(wǎng)潮流具有非常重要的意義。文獻(xiàn)運(yùn)用牛頓-拉夫遜法求解帶分布式電源的配電網(wǎng)潮流,將發(fā)電機(jī)視為有功功率恒定的受控電壓源。文獻(xiàn)利用前推回推法求解帶分布式電源的輻射型網(wǎng)絡(luò)潮流,建立了基于前推回推法的設(shè)備模型。文獻(xiàn)研究了異步發(fā)電機(jī)、具有無勵(lì)磁調(diào)節(jié)能力的同步發(fā)電機(jī)和燃料電池的運(yùn)行方式和控制特性,建立了各自在潮流計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型,提出了基于靈敏度補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)潮流計(jì)算方法。文獻(xiàn)研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機(jī)出力對配電系統(tǒng)電壓質(zhì)量的影響,建立了風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機(jī)分析模型,通過隨機(jī)潮流計(jì)算得到了節(jié)點(diǎn)電壓概率密度曲線和系統(tǒng)年期望電壓越限小時(shí)數(shù)。前推回推潮流算法是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的配電網(wǎng)潮流算法,具有較好的線性收斂性能。風(fēng)力發(fā)電作為一種分布式電源,其模型及其對配電網(wǎng)的影響引起了研究人員的廣泛關(guān)注。為補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收的無功功率,通常需要安裝并聯(lián)電容器。本文建立了風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型,提出了并聯(lián)電容器組容量選擇和投切方法,結(jié)合分布式發(fā)電與配電網(wǎng)前推回推潮流算法對計(jì)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的配電網(wǎng)進(jìn)行了潮流計(jì)算。1風(fēng)力發(fā)電的原理和模型1.1風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模型風(fēng)力發(fā)電的效能與風(fēng)速大小、風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)和葉片受風(fēng)面積等因素有關(guān)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率為式中:ρ為空氣密度,km/m3;V為風(fēng)速,m/s;S為風(fēng)力機(jī)掃掠面積,m2;風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp表示風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中獲得的有用風(fēng)能比例,可以由風(fēng)力機(jī)Cp特性曲線獲得。由式(1)可以看出,風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的理論機(jī)械功率與受風(fēng)面積成正比,與風(fēng)速的3次方成正比。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功出力視為風(fēng)速的函數(shù),由風(fēng)力發(fā)電場所在地的風(fēng)速即可近似得到風(fēng)力發(fā)電場輸出的有功功率。對某一時(shí)刻配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí),可認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在該時(shí)刻輸出的機(jī)械功率是由該時(shí)刻風(fēng)速?zèng)Q定的定值。1.2風(fēng)電場上的等效電路目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般為異步發(fā)電機(jī),由于異步發(fā)電機(jī)本身沒有勵(lì)磁裝置,主要靠電網(wǎng)提供的無功功率建立磁場,故不能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)視為電壓幅值恒定的PV節(jié)點(diǎn)。為簡化處理,在電力系統(tǒng)潮流計(jì)算中將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)視為PQ節(jié)點(diǎn),根據(jù)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速-功率曲線計(jì)算每臺風(fēng)力機(jī)從風(fēng)場獲得的機(jī)械功率,從而得到整個(gè)風(fēng)電場的有功功率,并根據(jù)給定風(fēng)電場的功率因數(shù)得到整個(gè)風(fēng)電場消耗的無功功率。這種計(jì)算方法簡單,但往往出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論計(jì)算值與其實(shí)際值偏差較大的情況。本文克服上述缺點(diǎn),考慮異步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和從系統(tǒng)吸收的無功功率建立了基于異步發(fā)電機(jī)等值電路的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組P-Q(V)穩(wěn)態(tài)模型。異步發(fā)電機(jī)的近似等效電路見圖1。圖中:U為風(fēng)電場發(fā)電機(jī)的節(jié)點(diǎn)電壓幅值;Is為定子電流;IR為轉(zhuǎn)子電流;Im為勵(lì)磁電流;R為轉(zhuǎn)子電阻;s為轉(zhuǎn)差率;Re為機(jī)械負(fù)載等效電阻;xm為勵(lì)磁電抗;xσ為發(fā)電機(jī)定子電抗x1與轉(zhuǎn)子電抗x2之和。由圖1可知,發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率和功率因數(shù)角的正切公式分別為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s為當(dāng)風(fēng)速給定時(shí),根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率輸出特性可以確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率,即2聯(lián)合電壓公司的無損壞賠償方案2.1串聯(lián)電容器組的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型為減少網(wǎng)絡(luò)損耗,通常與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套安裝并聯(lián)電容器組。電容器組自動(dòng)分組投切,以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)在允許范圍內(nèi)變動(dòng)。帶并聯(lián)電容器組的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為式中:P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率;Q為風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的無功功率。為使發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)由cosφ1提高到cosφ2,并聯(lián)電容器輸出的無功補(bǔ)償容量為根據(jù)額定電壓下并聯(lián)電容器的單位容量QN-Unit,并聯(lián)電容器組的實(shí)際投入組數(shù)為式中int()表示對分?jǐn)?shù)取整運(yùn)算,取其鄰近且比其稍大的整數(shù)。額定電壓為UN時(shí),電容器組在電壓U下輸出的無功功率為2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)償容量安裝并聯(lián)電容器組后,一般要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)大于0.98,由此可得風(fēng)電場需要安裝的并聯(lián)電容器組的最大補(bǔ)償容量。具體步驟如下:(1)令式(7)中Pe等于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率PN,cosφ1為未加電容器時(shí)發(fā)電機(jī)在額定功率下的功率因數(shù),cosφ2為投入電容器組后風(fēng)電場的功率因數(shù),此處取0.99。(2)將上述數(shù)據(jù)代入式(7)即可計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要的最大無功補(bǔ)償容量Qmax。(3)由式(8)可得并聯(lián)電容器的安裝組數(shù)Nmax。2.3電容器組添加nx除了專門提供無功功率的發(fā)電設(shè)備外,每個(gè)分布式發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)都應(yīng)大于0.9。并聯(lián)電容器投入組數(shù)的計(jì)算步驟如下:(1)隨意或根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)定并聯(lián)電容器的初始投入組數(shù)。(2)令Pe等于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的在某一時(shí)刻風(fēng)速下的輸出功率,用式(6)確定未投入并聯(lián)電容器組時(shí)該時(shí)刻風(fēng)電場的cosφ1,投入電容器組后風(fēng)電場的cosφ2(初值)取0.9。(3)將并聯(lián)電容器的初始投入組數(shù)代入式(9),得出電壓U下電容器組實(shí)際輸出的無功功率。(4)在迭代過程中,若風(fēng)電場的功率因數(shù)不滿足要求,可逐次投入或退出1組并聯(lián)電容器組,直至風(fēng)力發(fā)電場的功率因數(shù)滿足要求為止。若風(fēng)力發(fā)電場的功率因數(shù)大于給定值,說明并聯(lián)電容器組的補(bǔ)償過多,應(yīng)退出1組并聯(lián)電容器組;若風(fēng)力發(fā)電場的功率因數(shù)小于給定值,說明并聯(lián)電容器組補(bǔ)償不足,應(yīng)投入1組并聯(lián)電容器組。電容器投入的組數(shù)最多為Nmax。滿足風(fēng)電場的功率因數(shù)要求的并聯(lián)電容器組數(shù)就是實(shí)際需投入的電容器組數(shù)。3潮流求解流程前推回推法是進(jìn)行配電網(wǎng)潮流計(jì)算的有效方法,特別適用于計(jì)算輻射型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的潮流,具有收斂速度快的特點(diǎn)。前推回推類法重復(fù)回推和前推2個(gè)步驟,直至滿足收斂判據(jù)為止。本文采用回推過程計(jì)算電流、前推過程計(jì)算電壓,根據(jù)電壓誤差判定潮流是否收斂。利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡化模型進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí),無需改動(dòng)現(xiàn)有的前推回推法潮流程序,直接將風(fēng)力發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)視為PQ值給定的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)即可進(jìn)行潮流求解?；陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)組P-Q(V)模型,確定了并聯(lián)電容器組初始安裝容量、安裝組數(shù)和實(shí)時(shí)投切組數(shù)后,含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的配電網(wǎng)前推回推潮流計(jì)算流程如圖2所示。進(jìn)行潮流計(jì)算前,需要給定的初始量有風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)電壓幅值、風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率、定子電抗、轉(zhuǎn)子電抗、勵(lì)磁電抗、轉(zhuǎn)子電阻、并聯(lián)電容器組的額定電壓、并聯(lián)電容器組在額定電壓下的單位容量及其最大組數(shù)。用C++類函數(shù)描述風(fēng)力發(fā)電機(jī)和并聯(lián)電容器組對網(wǎng)絡(luò)潮流的影響,在C++類函數(shù)中需要求出系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)并聯(lián)電容器的初始投入組數(shù)、并聯(lián)電容器組的最大投入組數(shù)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的無功功率和并聯(lián)電容器組發(fā)出的無功功率。在潮流計(jì)算過程中,將改變后的節(jié)點(diǎn)電壓幅值代入類函數(shù)求出節(jié)點(diǎn)電壓變化后風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收的無功功率和并聯(lián)電容器組發(fā)出的無功功率。把建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型和確定并聯(lián)電容器組初始安裝容量、安裝組數(shù)和實(shí)時(shí)投切組數(shù)的方法嵌入到原有前推回推法程序中,用系統(tǒng)功率方程和風(fēng)力機(jī)組數(shù)學(xué)模型交替迭代求解,形成含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的配電網(wǎng)潮流程序。4計(jì)算與分析4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電機(jī)組成本文以某33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)為例進(jìn)行算例驗(yàn)證。取系統(tǒng)電壓基準(zhǔn)值為12.66kV,視在功率基準(zhǔn)值為10000kVA,單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定容量為600kW,其額定電壓為0.69kV、功率因數(shù)為0.89。將風(fēng)電機(jī)經(jīng)變比為0.69/12.66的變壓器接入配電網(wǎng)。并聯(lián)電容器組的額定電壓為0.69kV,每臺并聯(lián)電容器的額定容量為40kvar。風(fēng)電場功率因數(shù)的允許變化范圍為0.9～1.0。4.2引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)后的潮流計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能隨風(fēng)速不同而變化。在特定風(fēng)速下,設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在節(jié)點(diǎn)26上,饋線根節(jié)點(diǎn)的電壓為。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率分別為0(風(fēng)電場與電網(wǎng)斷開)、100、200、300、400、500和600kW。分別對上述7種情況進(jìn)行潮流計(jì)算,引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)后的部分潮流計(jì)算結(jié)果見表1。表1反映了風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率與風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝處的節(jié)點(diǎn)電壓、風(fēng)力發(fā)電機(jī)端電壓、風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的無功功率、電容器組輸出的無功功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率因數(shù)之間的關(guān)系。對于該33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),未引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí),采用前推回推潮流算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)潮流時(shí)需要迭代5次。在任意節(jié)點(diǎn)引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)后,采用本文改進(jìn)的前推回推潮流算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)潮流時(shí)也需要迭代5次。因此求解計(jì)及風(fēng)電場的配電網(wǎng)潮流時(shí),本文的前推回推法具有良好的收斂性。4.3電機(jī)接入系統(tǒng)不同位置時(shí)的電壓水平曲線比較未接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)系統(tǒng)電壓變化情況以及在系統(tǒng)不同位置接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)后的系統(tǒng)電壓變化情況。同一型號的2臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入系統(tǒng)不同位置時(shí),以額定功率運(yùn)行的系統(tǒng)電壓水平曲線見圖3。圖中:虛線表示未接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)系統(tǒng)的電壓水平曲線;點(diǎn)線表示分別在節(jié)點(diǎn)18和30處同時(shí)接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)系統(tǒng)的電壓水平曲線;實(shí)線表示分別在節(jié)點(diǎn)26和31處同時(shí)接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)系統(tǒng)的電壓水平曲線。由圖3可以看出,在長線路、輻射型結(jié)構(gòu)的配電系統(tǒng)接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)