风电场并网在线预警系统研究.pdf

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第39卷第17期2011年9月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV.0I-39NO.17Sept.1.2011风电场并网在线预警系统研究付超,朱凌,王慧,王毅,石新春(华北电力大学,河北保定071003)摘要:目前国内的风电调度管理技术尚不成熟,研究风电并网的在线预警系统对含大规模风电并网的电力系统安全稳定运行具有重要的现实意义。基于风电并网的功率预测、潮流计算、无功优化等关键问题研究,提出了风电并网在线预警系统的设计构想,并以DIgsILBNT/PowerFactory软件为计算核心,完成该系统的研制与开发。所开发的的风电并网预警系统能预测风电并网区域主要监测节点电压以及线路潮流趋势并作安全评估,如果线路潮流越限,系统预警并进行风电场有功调节计算;如果节点电压越限,系统预警并进行风电场无功优化计算。算例分析以及实际运行结果表明该系统实现了风电并网在线预警的功能,从而对大型风电场的调度管理及电网安全运行具有重要意义。关键词:风电并网;调度;风电功率预测:DIg¥ILEDT;预警Studyontheonlineearly-warningsystemofwindfarmintegrationFUChao,ZHULing,WANGHui,WANGYi,SHIXin-chun(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)Abstract:C ̄ntly,thedomesticdispatchingmanagementofwindpowertechnologyisnotyetmature,SOresearchingtheonlineearly-warningsystemoflarge,scalewindpowerintegrationhasurgentandpracticalsignificanceforthestableoperationofpowersystem.Accordingtotheresearchonkeyissuessuchaswindpowerprediction,powerflowcalculationandreactivepoweroptimization,t—hispaperproposesdesignconceptoftheonlineearlywarningsystemofwindpowerintegration,andthendevelopsthesystemonthebasisofthesoftwareDIgSILENT/PowerFactory.Thesystemcallpredictnodesvoltageandlinescurrenttrendwithsecurityassessment,ifthelinescurrentexceedsthelimitvalue,thesystemWalTISandcalculatestheactivepowerregnlationofwindfarm;ifthenodesvoltageexceedsthelimitvalue,thesystemWalTISandcalculatesthereactivepoweroptimizationofwindfarm.Analysisofthecalculatingcasesandtheresultsofpracticalapplicationprovethatthesystemrealizestheonlineea—rlywarningfunction—ofwindpowerintegration,andissignificanttothedispatchingmanagementoflargescalewindfarmandsafeoperationofthe.powersystem ̄ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50977028andNo.50807015)Keywords:windpowerintegration;dispatching;windpowerprediction;DIgSILENT;early・warning中图分类号:TM714.2文献标识码:A文章编号:1674.3415(2011)17.0064.060弓I言我国风电优质资源多分布在电网网架薄弱的偏远地区并采取密集并网方式接入系统。由于电网建设速度往往滞后于风电场建设速度,电网输送“”能力不足造成风电大发时联络线常发生卡脖子现象。此外,风电具有很大的波动性、间歇性和随机性,并且在实际运行中多数风电具有反调峰特性,而电网调峰调压手段不足,从而导致电网安全稳定基金项目:国家自然科学基金(50977028,50807015)和中央高校基本科研业务费专项资金问题突出,给风电丰富地区的电网调度带来巨大压力l¨。国内的风电研究主要集中在风电并网规划建设、风电机组性能优化以及风电场发电计划安排等方面。对于如何实现风电并网的功率预测、在线潮流计算、无功优化与安全预警等电网所关心的安全稳定运行问题,相关的理论性研究和实际应用系统的研发还刚刚起步。另外,建设坚强智能电网将作“”为十二五能源规划的战略重点被提上日程,智能电网的应用需解决风电等分布式发电系统的安全接入问题,研究大规模风电等间歇性可再生能源并付超,等风电场并网在线预警系统研究.65.网的安全预警及调度管理对促进其发展具有紧迫的现实意义。本文主要阐述了所研发的风电并网在线预警系统核心部分的构成、原理以及实现方法,并以实际运行中预测到的越限断面作为算例进行分析与验证。1在线预警系统构成及原理本文所提出的风电并网在线预警系统,以变尺度数据挖掘的超短期风功率预测方法为前提,以潮流计算核心,具各超短期风功率预测、风能质量评估、节点电压趋势预测、线路潮流趋势预测、N一1安全约束扫描、预警处理、离线分析等功能。该系统的核心模块原理及实现方法阐述如下。1.1风电功率预测风电功率预测的研究主要集中在次日24h的短期风电功率预测,并且对于超过6h的功率预测系统几乎都使用了数值气象预报信息,为日前发电计划编制和实时调度运行提供重要参考。但预测时间尺度越大,预测误差也越大L2J,不能解决风电功率变化的随机性问题,因而不能满足实时预警系统的要求。预警系统如果采用超短期的预测方法将预测时问缩短至30min,将进一步缩小预测误差J,准确反映出风电功率突变时的趋势,使其能够满足实时预警以及实时调度的要求。本文提出了基于变尺度数据挖掘的超短期风功率预测方法,首先介绍该方法的基本思想及原理。风能转换成电能的过程是一个复杂的过程,风电功率变化是受到不确定因素影响的具有混沌特性的复杂时间序列,其变化特征受到从宏观到微观的多层次变化规律的影响,因此需要通过变化观察尺度(即分析数据长度)来观测风电功率的特征。如果需要得到细节信息,应当使用较小的观察尺度;如果想得到宏观特征,可以使用较大的观察尺度。由于观察尺度的变化,直接影响了对层次特征的把握,每个层次的变化规律又随着观察尺度的不同而变化,有的变化特征在某个特定的尺度下出现,而随着尺度的变化,这些特征消失,同时新的特征出现。故对于复杂的风电功率预测,采用多层次、多尺度的分析是一个理想的选择。而使用多层次、多尺度的分析方法的关键的问题在于如何选择合适的观察尺度,保证得到最佳的层次及其特征信息,以及如何选择合适的时间尺度,判断风电功率的变化趋势。变尺度数据挖掘方法通过不断变化对数据的观察尺度和时间尺度,从复杂的数据中提取风电功率变化的重要特征,对风电功率的变化特征进行模拟演化,发现风电功率变化特征的演化规律,根据这些特征进行风电功率的预测。基于变尺度数据挖掘的超短期风功率预测方法的具体流程如图1所示。首先对前24h风电功率历史数据进行检验,去除不良信息,然后采用变尺度数据挖掘的方法找到数据断点,并提取数据得到截取长度为0-24h风电功率预测的最佳时间序列,最后根据截取时间序列的长短分成短序列预测方法和长序列预测方法。在短序列预测方法中,由于截取的时间序列较短,统计特征不明显,因此采用模式匹配的手段,在历史数据中找到相似的序列进行规则提取,并进行风电功率预测。对于长序列预测方法,首先采用白适应拟合的方法对序列进行拟合,按照其基本的变化规律进行预测,然后在这个基础上对拟合误差进行分析,采用自回归与滑动平均ARMA[J方法对预测结果进行校正,可以使结果更加精确。图1基于变尺度数据挖掘的超短期风功率预测—Fig.1Ultra-shorttermwindpowerpredictionbasedonvariable・scaledatamining1.2在线潮流趋势预测基于风电功率预测结果,通过在线潮流计算,可预测出线路潮流及节点电压趋势,分析其是否越限。含风电场的电力系统潮流计算的关键是如何正确处理风电机组模型【5一】。对于采用了变频器控制的双馈感应电机的变速风电机组,由于其发出的有功与无功功率能够得以解耦控制,使其具有类似于同步发电机的特性。根据采用的运行模式,变速风电机组可以看作PQ或PV节点。在恒功率因数控制模式下,其有功和无功功率之间为线性关系,可以看作PO节点;在恒电压控制模式下,变速风电机组的无功功率根据机端电压与设定电压之间的偏差能够在一定的范围内进行调节,此时可以将其看作为PV节点,所需无功功率超过极限时,无功功率维持在极限值不变,此时风电机组由PV节点转化为PQ节点。相对于含普通异步发电机的电力系电力系统保护与控制Irain=(){g()=0(4)≤l办(x)0)+;=o(5)所确定的范围。因此,首先要充分利用双馈风电机组自身的无功功率,考虑转子侧变频器电流约束网侧变频器的无功功率调节能力计算总的无功功率范围;对于仍不能满足电网导则的风电场,需要加装集中补偿装置进行协调控制。另外9风电场并网点电压控制在额定电压的一3%~+7%。2在线预警系统实现2.1DIgslLENT软件介绍PowerFactory是德国DIgSILENT公司开发的电力系统辅助分析软件。该软件的、,7.0版是全世界首套图形化的电力系统分析计算商业软件,目前已更新至V14.0版。经过多年的发展完善,PowerFaetory已具备电力系统潮流分析、短路计算、最优潮流、谐波分析、稳定计算和可靠性分析等各项功能,基本涵盖电力系统各专业领域。因该软件具备各种类型风机建模、仿真等完备功能,已成为国际公认的风电并网计算分析的首选工具。此外,该软件能运行在引擎模式并且具备:DGS(DIgSILENTInterfaceforGeographicalInformationsSystems)数据接口可以同SCADA/GIS通信。2.2预警系统的设计思想将风电并网在线预警系统作为对风电并网管理的数据中心和应用程序中心,通过对信息进行全面、统一、安全、高效的加工处理,实现对风电并网运行的在线监测与安全预警,为风电并网调度管理提供技术支撑。整个系统的设计思想如下:(1)根据PowerFactory软件提供的引擎模式功能和DGS接口进行二次开发,构筑与电网EMS系统的数据接口[】,实现以PowerFactory为核心的在线计算引擎。,(2)建立包含风力发电机组模型的电力系统潮流计算和最优潮流计算模型。建立包括风机控制参数和运行参数在内的风电场专业数据库,(3)通过数据接口,实时从EMS系统读取电网数据,实现超短期风电功率预测、风电并网潮流在线计算、线路潮流趋势预测、节点电压趋势预测等功能,实现对风电并网的在线安全预警。(4)建立良好的人机界面,将上述计算分析结果以图形界面显示。2.3预警系统的软硬件设计预警系统核心部分软硬件结构如图2所示,系统通过数据接口从EMS服务器读取实时电网数据从风电功率数据库中读取预测的风功率数据,构筑预测电网断面并将断面数据导入PowerFactory计算服务器进行潮流计算。预测风电并网区域主要监测节点电压和线路潮流趋势,根据越限情况进行预警并提出消除越限措施。付超,等风电场并网在线预警系统研究.67(安全预警及强示越限搬施)tt十人机界面:风功率预测)(忑i—广PowerFact。图汁袱Jl风功率数据库T”"图2软硬件结构Fig.2Softwareandhardwarestructure3算例分析软件采用模块化设计,系统整体框架采用VisualStudio.Net开发工具,风电功率预测模块采用Matlab开发工具,在线电力系统分析引擎Ll则采用了PowerFactory分析软件。软件运行稳定、界面友好,在实际运行过程中能很好地进行预警并取得了预期的效果。以监测某额定功率为100Mw的风电场为例运行结果示于图3~5,图3为超短期风电功率预测曲线图,曲线1为预测上限,粗曲线2为实际风功率,曲线3为预测下限;图4为风电场并网点110kV母线电压趋势图,曲线1为节点电压预警上限,粗曲线2为实际节点电压曲线,曲线3为预测节点电压曲线,曲线4为节点电压预警下限:图5为风电场联络线电流趋势图,曲线1为线路电流红色预警线,曲线2为线路电流橙色预警线,曲线3为预测电流曲线,粗曲线4为实际电流曲线。f/h图3风电功率预测Fig.3Windpowerprediction图4并网点110kV母线电压趋势Fig.4Trendof110kVbusvoltageatthePCCh图5联络线电流趋势Fig.5Trendoftielinecurrent3.1算例系统说明所研发的风电并网在线预警系统己在某电网公司调度中心获得实际运行,其含风电场的区域电网如图6所示,该区域为风电集中并网的220kV片区,包含三个风电场分别是容量100Mw风电场1、容量48Mw风电场2以及容量20Mw的风电场3,风电场都是由单台装机容量2MW的变速恒频风电机组组成,计算时将整个风电场视为一台等值风力发电机。通过对系统实际运行过程中预测到的越限断面进行分析,包括线路潮流越限以及节点电压越限情况,验证了该预警系统研发方法的可行性。(参数归算到220kV,并取UB=220kV,B=100MVA。)⑨系统变变I7压蕊器器l2⑧线②线路路12⑦线线厂]路路34图6含风电场群的区域电网Fig.6Gridwimwindfarmgroupintegrated3.2线路潮流预警处理实际运行过程中,某时刻系统预测到30min内有线路潮流越限断面,各节点注入功率和节点电压幅值、相位如表1所示(PowerFactory潮流计算得出)。.68.电力系统保护与控制裹1线路潮流越限预测断面Tab.1ForecastingsectionwhenlinesCu/Tentexceedsthelimitvalue节点幅值相位/有功/无功/备注degMWMvar1—1.02010.81493.8107.510发电机21.0163.26317.810—0.240发电机31.0193.752—43.2101.110发电机41.0137.94121.2005.800负荷51.0124.0047.7800.830负荷61.0112.51820.0502.840负荷71.0142.8420.290—0.190负荷81.0160.166O.0000.000负荷91.0000.000—5.57659.558平衡其中预测线路1、2电流共550A,超过最大载流量494A,电流越限56A,由式(1)计算过载容量为11.126MW,然后根据各风电场的实际出力比例,提出预警处理措施:风电场1切机容量为6.741MW、风电场2切机容量为1.280Mw、风电场3切机容量为3.105MW,各风电场按出力比例切机后,线路1、2电流共494A,刚好达到线路最大载流量。实际处理该预警情况后,线路1、2实际电流为492A,与计算结果仅差2A。3.3节点电压预警处理某时刻系统预测到30min内有节点电压越限断面,各节点注入功率和节点电压幅值、相位如表2所示。表2预测节点电压越限断面Tab.2Forecastingsectionwhennodesvoltageexceedsthelimitvalue其中节点1和节点4电压低于标准0.97Du,网损4.321MW。通过计算各风电场的无功优化调节量并提出处理措施:风电场1无功补偿16.365Mvar,风电场2无功补偿3.016Mvar,风电场3无功补偿6.655Mvar。补偿后各节点电压及网损如表3所示:各节点电压在允许的电压偏差范围内,网损3.414MW,起到了很好的调节作用并降低了网损。实际处理该预警情况后,节点l、4电压分别为1,025pu和1.033pu,与计算结果仅差O.Olpu和O.016pu。表3无功优化后各节点电压T{-3Nodesvoltageafterreactivepoweroptimization4结论本文提出了风电场并网在线预警系统的设计构想:以超短期风电功率为前提,根据PowerFactory软件提供的引擎模式功能和DGS接口进行二次开发,构筑与电网EMS的数据接口,实现以PowerFactory为计算核心的预警系统。该系统计算结果准确,可信度高,并且开发周期短。实际运行表明,系统运行稳定、界面友好,预警处理达到了预期的效果,为风电并网的安全运行及调度管理提供决策依据,从而可使电网在安全稳定运行的前提下接纳更多的风电功率。参考文献[1]王鹏,任冲,彭明侨.西北电网风电调度运行管理研究[J].电网与清洁能源,2009,25(11):80.84.WANGPeng,RENChong,PENGMing-qiao.AstudyOnwindpowerdispatchingoper 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陌南尘
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