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摘要:本文在考虑风电场中风速分布和机端电容器组投规律的条件下,建立研究风电并网运行稳态电压特性的数学模型,并提出相应的求解万法和计算程厅。取后结合新疆实际电力系统和风电场,分析了风电场在各种不同典型风况下的稳态特性。
1引言.由于风能资源通常分布在远离主电网的偏远区域,并且风电场的装机容量一般较小,因此目前风电场均就近接入地区配电网。有关文献对英国某风电场进行了实际监测和模拟计算,结果表明当大量风电接入地区弱电网时,风电场功率波动将引起电力系统稳态.电.压的变化,严重时还可能超过系统允许范围。随着我国风力发电产业的进一步发展,我国将建设容量超过IOOMW的大型风电场。为保证风电场的安全运行,充分发挥风力发电的资源效益和环境效益,必须认真研究风电.并网运行中的有关技术问题。目前,国内外对风电并网稳态特性的研究文献较少,且主要是应用常规电力系统潮流计算来研究风电并网的稳态特性。但是对风电场而言,由于其并网点处的母线电压主要取决于系统电压,在潮流计算前为未知量,而风力发电机组实际吸收的无功功率及机端电容器补偿的无功功率均和并网点电压有关。因此,在进行系统潮流计算之前,风电场并网节点的电压和无功均为未知量,风电场节点不能简单地当作PV节点或PQ节点。另外,在对含风电场的电力系统进行稳态计算时还需要考虑风电场的机组布置和尾流损本文将研究风电并网运行中的稳态电压特性,在考虑风电场风速分布和机端电容器组投切规律的条件下建立相应的数学模型,并提出该模型的求解方法和计算程序。最后结合新疆实际系统和风电场分析风电场在各种不同典型风况下的稳态特性。2风电场数学模型2.1风力发电机组风力发电机组稳态模型主要包括风力机的稳态功率特性和异步发电机的稳态等值电路。风电机组稳态功率特性为风速与风力机输出功率的关系,即用P—v曲线表示。如果已知作用到风力发电机组的风速,根据其稳态功率特性,则可得到风力发电机组对应于该风速时输出的有功功率。异步发电机用其稳态等值电路表示。当端电压已知时,根据异步发电机输入机械功率等于输出电磁功率的条件可以求出转差,进而求出异步发电机吸收的无功功率。2.2机端电容器组风力发电机组机端配有一定量的电容器组,实际运行时风电机将根据发电机输出功率的大小自动投切电容器组,保证异步发电机的功率因数在规定的范围之内。以丹麦生2.4风电机组分布和尾流效应.大型风电场的风力发电机组数目很多,各个风力发电机组按照一定的方式来布置,这使得作用到各风电机组的风速大小不完全相同。因此即使测出的风速大小保持不变,风电场中各风力发电机组也因位置不同而处于不同的运行状态,在研究风电机群对系统稳态特性影响需要考虑这一因素。本文建立了基于风速尾流模型的简化风电场分布模型,利用该模型可以计算风电场风速的分布,研究整个风电场对电力系统稳态特性的影响。(1)机群分布,风力发电机群在风电场是按一定的要求分布。不论风电机群怎样布置,总可以给出每一台风力发电机组在风电场中相对于测风点的位置。由于风向变化的随机性,所以沿风向各风力发电机组之间的距’离将随着风向的变化而改变。原则上根据风电场来风的风向,可以确定任意一台风力发电机组沿风向距测风点的距离。(2)尾流效应,在风电场中,风速沿主风向从上一排到下一排时大小和方向将有一定的变化,这种变化就是尾流效应。尾流效应主要是与风力发电机组在风电场中的布置和排列及风电场地表粗糙程度等因素有关。常见的风电场风速尾流模型有Jensen模型、I,issaman模型和Rahman模型。其中Rahman模型不仅考虑了风力机转子直径、机组之间的距离,而且还计及了风电场地形地貌、粗糙程度、大气扰动密度等对尾流的影响,经风电场实际测风验证,Rahman模型具有很好的精度。因此本文采用Rahman模型计算风速尾流损失,进而可得到风电场所有风力发电机组轮毂高度的风速。3含风电场的电力系统稳态计算电力系统潮流计算的任务是根据给定的网络结构、负荷大小和发电机出力,求出整个38网络的运行状态,包括各母线的电压、网络支路的潮流分布以及功率损耗等。对不含风电场的常规电力系统而言,潮流计算方法和相应的程序均已相当成熟。风电场内部电网一般是典型的单辐射型电网。当系统中风力发电机组数目较多时,如果将风电场处理为一个PV节点或者PQ节点,则如前文所述,这样处理将可能引起较大的计算误差;但是,如果包括风电场内部电网,则全电网潮流方程的规模是相当可观的。显然,用同一的算法求解这样的潮流方程是比较困难的。在实际分析和计算时,很有必要将主电网和风电场内电网分开来考虑,采用不同的算法,同时又要计及它们之间相互关系。当电力系统含有风电场时,风力发电机组一般是通过风电场内10kV架空线路接到风电场升压站,经升压后再与主电网相联。按照文献的划分方法,风电场与主电网之间的关系可表示为图3所示的形式。由图3可看出,风电场与主电网的关系是典型的主从系统关系,其中主电网就是主系统,是风电场的“广义电源”;而风电场内电网是从系统,是主电网的“广义负荷”(风力发电机组输出的有功可看作是系统负的负荷)。主从式电网的节点集可划分3类,即主系统M、边界系统B和风电场内部电网节点组成的从系统S。由于主系统与从系统之间没有直接相联的支路,而是间接地通过边界节点发生联系。因此,为了有效地求解含风电场内部电网的电力系统潮流问题,一种自然的思路即是将一个大规模的问题分解成多个较小规模的问题来求解。风电场相对于主系统而言是从系统。由于风电场内电网_般采用单辐射型架空馈线的配网结构,风力发电机组相当于馈线上的“负荷”,所以从系统潮流计算原则上可采用配电网潮流的算法进行计算。风电场内部电网的潮流计算主要包括电压损耗计算和功率损耗计算两部分。即设定并网点的电压,通过配电网潮流计算求出各段线路的电压和功率损耗,并得出各台风电机端的实际电压和整个风电场注入系统的实际有功和无功功率。对于主系统潮流计算而言,仍采用牛顿一拉夫逊等常用方法,此时各风电场作为一个PQ节点处理,其PQ值来自上述从系统的潮流计算结果。主系统潮流计算和从系统潮流计算之间交替迭代,直到满足收敛条件为止。这样,可构造全系统主从分裂的基本迭代格式,具体步骤如下:(1)给定边界系统即风电场并网点的电压初值;(2)将风电场并网点电压作为已知,通过求解风电场潮流得出风电场内部电网的各节点电压,以及风电场由并网点注入主系统的有功和无功功率;(3)将各风电场作为PQ节点,求解主系’统潮流,得主系统各节点的电压;(4)判断相邻两次迭代间边界系统电压差的最大值是否小于给定的收敛指标£,若满足,完成全电网潮流计算;否则转(2)继续进行全电网的潮流迭代计算。4示例系统计算分析这里以达坂城风电场接人新疆主电网为例,进行风电场并网运行的稳态特性分析。4.1风电场功率特性取系统某种典型运行方式,考虑风电场的装机容量为57.5MW,对风电场在3种典型风况下并网运行的稳态特性进行计算,具体结果如表1所示由表1可看出,在不同风况下风电场的功率因数有明显的变化,风电场功率因数变化的相对值达10%。计算中还发现,每台风力发电机组按照其运行状态投切补偿电容器后,可以保证功率因数在0.95~O.99范围。这说明,在不同风况下必须考虑风电场风速分布和各个风力发电机组的稳态特性,才能确定出整个风电场实际注入电网的有功P和无功Q,才能准确地求出风电场并网运行后对系统电压水平的影响。4.2风速序列响应根据图4所示的风电场实测风速序列,利用风电场并网稳态数学模型逐点进行全电网潮流计算,可得风电场母线电压和输出功率的稳态变化曲线,具体如图5~8所示。由上述计算结果可看出,当风速增大时(比如在100~120分钟),风电场输出的有功增加,同时从系统中吸收的无功也增加,风电场功率因数下降,结果使得系统电压水平降低。通过上述各种典型风速的全电网潮流计算可看出,风力发电机组在小电机状态运行时,风电场输出功率小,电网电压水平高。风速不断增大,风力发电机组从小电机切换到大电机状态运行,风电场输出功率增大,同时从系统中吸收的无功增多,风电功率因数减小,系统电压水平下降。5结语本文首先在考虑风速在风电场中的分布特性,同时计及风力发电机组机端电容器组的投切的条件下,建立了风电场的稳态数学模型,可以用于准确计算风电场输出功率;然后结合含风电场的电力系统特点,提出了进行全电网潮流计算的基本原理和程序实现方法;最后结合新疆实际风电场和电力系统,计算了在小风、中风、大风等典型风况下的稳态‘特性。由此可以得到以下主要结论:(1)在不同的风速条件下,风电场的功率因数有较大的变化,进行系统潮流计算时风电场节点不能简单地设为PQ或PV节点,应根据各风电机机端补偿电容器组投切规则,通过迭代计算来确定风电场实际输出的功率P和Q。(2)风电场和主系统是典型的主从式系统,进行全电网潮流计算时,可以采用主从分裂法简化系统稳态特性的计算。(3)风电场并网运行将使得系统稳态特性发生变化,严重时系统电压水平将可能超过系统允许的限制。系统稳态电压将是限制风电接入系统的因素之一。
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来源:中国电力技术资讯