基于遗传算法的风电场最优接入容量问题研究.pdf

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第38卷第9期2010年5月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV_01.38NO.9May1,2010基于遗传算法的风电场最优接入容量问题研究朱雪凌,张洋,李强,饶崇浩,张振安(1.华北水利水电学院,河南郑州450011;3.濮阳供电公司,2.河南电力试验研究院,河南郑州450052河南濮阳457000)摘要:针对大规模风电场并网运行会引起接入系统节点电压越限、影响系统电压稳定性的问题,提出了采用遗传算法对系统稳态运行进行优化分析,并结合典型风速扰动和故障方式校验系统暂态稳定性的方法,确定风电场的最优接入容量。以某实际含风电场的电力系统为例,对所提方法的可行性和有效性进行验证,结果表明按照所提方法确定的风电场最优容量接入系统,稳态运行时可保证系统各节点电压合格,且风电场升压站母线电压和并网点电压接近额定电压,减小了风电并网对系统电压稳定性的影响;系统经历暂态过程时,可保证系统和风电场均稳定。关键词:风电接入;电压稳定;遗传算法;无功补偿;暂态稳定性ResearchontheoptimumcapacityofwindpowerintegrationintopowersystembasedongeneticalgorithmZHUXue.1ing,ZHANGYang,LIQiang,RAOChong.hao,ZHANGZhen.an(1.NorthChinaUniversityofConservancyandElectricPower,Zhengzhou450011,China;2.ElectricPowerResearchInstitute,Zhengzhou450052,China;3.PuyangPowerSupplyCompany,Puyang457000,China)Abstract:Tosolvetheproblemofnodevoltageout・・o ̄rangeandthevoltagestabilityworseningexistinginlarge・・scalewindpowerintegration,anewmethodisproposedtodeterminetheoptimumcapacityofwindpowerintegrationintopowersystem,whichuses—geneticalgorithmtoanalyzethesteadystateoperationofpowersystem,combinedwithtypicalwindvelocitydisturbanceandfaultmodetocheckthetransientstabilityofsystem.Anactualpowersystemareusedtotestfeasibilityandavailabilityoftheproposedmethod.TestresultsshowthatusingthemethodproposedinthispapertodeterminetheoptimumcapacityofwindpowerintegrationCanmakevoltageofeachnodeacceptable,andthebusvoltageofwindfarmboosmrstationandparallelpointapproachratingvalue.—Theinfluenceonsystemstabilityofwindpowerintegrationisreducedduringsteadystateoperation.Systemandwindfarmitselfcankeepstableduringtransientstate.ThisworkissupposedbyNaturalScienceAdvancedProjectProgramsFundedbyEducmionDepartmentofHenanProvince(No.2008B47O0O3.Keywords:windpowerintegration;voltagestability;geneticalgorithm;reactivecompensation;transientstability中图分类号:TM715文献标识码:A——文章编号:1674.3415(2010)090055060引言随着大规模并网型风电场的开发,风电在系统中所占比例越来越大,大规模风电接入电网后会改变系统潮流分布LJqJ、出现电网电压水平下降pJ、系统短路容量增加、系统暂态稳定性改变等一系列问题【7J。因此,需要对风电场接入系统的最优容量进行研究,以便既保证系统安全与可靠运行,同时又能充分利用风能资源。基金项目:河南省教育厅自然科学研究计划项目(2008B470003)本文对风电场最优接入容量问题进行研究,目的在于解决风电场引起接入系统节点电压越限、影响系统电压稳定性的问题。目前,分析风电场接入系统容量的方法主要有:时域仿真法、稳态潮流仿真法、静态安全约束法、稳态频率约束法等方法J。本文采用优化的方法分析稳态运行情况。由于异步风力发电机组发出有功功率的同时吸收系统无功,会引起并网点电压波动,需在风电场升压站进行无功补偿。故在优化问题的数学模型中,控制变量除了风电场接入容量外,还有无功补偿量,这两个控制变量均为离散变量。目前求解此类优化问题的方。56.电力系统保护与控制法包括单纯形法、内点法、二次规划法、动态规划法和灵敏度法【9引,这些方法大都把离散变量当成连续变量处理,容易陷入局部最优解,用于大规模“”的优化计算时还容易产生维数灾【l。近年来遗传算法在电力系统运行优化方面应用广泛[15-20J,遗传算法具有很强的离散变量处理能力和鲁棒性ll引,故本文采用遗传算法求解风电场最优接入容量问题。确定风电场最优接入容量时,需考虑系统可能出现的不同稳态运行方式,如系统大方式下,风电场可以接入不同的电压等级,也可以接入相同电压等级的不同地点。在这些不同的稳态运行方式下,应用遗传算法确定最优稳态运行接入容量,结合典型风速扰动和故障方式校验系统的暂态稳定性,最终确定使系统和风电场均保持暂态稳定的最优接入容量。将本文所提方法应用于某实际风电场接入电力系统的仿真计算,结果表明稳态运行时电网电压水平得到明显改善,提高了系统的暂态稳定性,验证了本文方法的可行性和有效性。1潮流计算中风电场的处理方法1.1异步机稳态等值电路分析风电场并网对系统电压稳定性的影响,需要以潮流计算作为分析工具,在潮流计算中需对风电场节点进行一定的处理【2l。异步发电机稳态等值电路如图1所示。图1异步发电机稳态等值电路Fig.1Steady-stateequivalentcircuitofinductiongenerator其中:、Qt、为异步发电机输出的有功、无功、异步机的端电压;、为机端电容器的无功、等效电抗;、Q1、U、I1、、Xs。为定子有功、无功、电压、电流、电阻、漏抗;I,、rr、Xra为折算到定子侧的转子电流、电阻、漏抗;、为激磁支路电流、电抗;S为转差。则异步发电机输出的有功功率和无功功率为:==Re[Ul,1]=Re[U】/Z】【1)=Qc+Ql=+Im[Ul,1J=+Im[U1/z])兵甲:Z=+j+j(/+jx)/(rr/S+j+jXm)1。2风电场内电网潮流计算方法风电场内电网一般为单辐射型配网结构,可采用回路阻抗法进行风电场内电网的潮流计算。根据文献[-21]的推导过程,可得风电场内电网第f节点电压计算公式为:—……矿l:矿kzJ一一zj一一zinj(、3其中:[z】为回路阻抗矩阵。[z】=【A】【Z】[】(4)[]为支路阻抗矩阵;Z,是[z]的第f行元素;为风电场并网点电压;为,节点电压。1.3全电网的潮流计算流程根据上述风电场并网运行的稳态数学模型,采用电力系统分析综合程序(PSASP),利用其用户程序接口(UPI)功能,进行含风电场电力系统的潮流计算程序(PFP)实现,流程如下:①PSASP输出计算信息给PFP;②PFP读取风电场并网点电压和功率;③根据式(1)和式(2)计算异步发电机转差S和风力发电机组无功Ql;④根据式(3)计算风电场内电网节点电压,求得风电场注入电网的有功R和无功;⑤PFP输出R和信息给PSASP。2风电场最优接入容量的计算方法本文研究的风电场最优接入容量问题,以尽可能减小风电并网对系统电压稳定性的影响为目标。即风电并网后,满足系统各节点电压均合格(在0.95p-u.至1.05p_u.范围内),且风电场升压站母线电压和并网点电压最接近额定电压(1P_u.)的条件。2.1优化计算的数学模型0bj一max∑s.t.:,一,=(Gcos+BsinS ̄j)一9,+(G ̄jsin6,j一c。s(6)≤0≤≤0QkQ…≤QoQo≤.砌其中:N为节点总数;,表示任意节点朱雪凌,等基于遗传算法的风电场最优接入容量问题研究.57.…(,J=1,2,,N);k表示并网点;和分别为风电场升压站母线电压和并网点电压;G分别为节点,,之间的电导、电纳、电压相角差:尸G、、i、QG『lm、、QLJ、、i、分别为节点处的有功出力、无功出力、无功出力下限、无功出力上限、有功负荷、无功负荷、∑电压、电压下限、电压上限;、尸、Qk、分别为风电场总的有功出力、风电场总的有功出力上限、无功补偿值、无功补偿值的上限。∑尸和的取值不同,优化计算的结果也不同。目前,欧洲一些国家通常根据短路容量来确定风电场的装机规模,一般规定风电场的额定功率和并网点短路容量的比值为4%~5%[。本文以此比值等于5%初步确定。的取值采用文献[20]中提出的计算风电场无功补偿总容量的方法确定。和的取值确定后,控制变量的约束条件在优化过程中通过编码就可以自动满足。2.2应用遗传算法求解优化问题2.2.1适应度函数f(x)㈩=max(7)2.2.2编码与解码变量统一采用十进制整数编码:ⅣX[X1X2]=[NFlc](8)式中:为表示风电机组台数的整数;Nc为表示电容器投入组数的整数。解码方式为:∑△‘Ⅳ尸。+PFf1o1‘Ⅳ=o+AQc式中:足、分别为风电场总的接入容量、电容器无功补偿值;。、Qk。分别为风电场接入容量初△值、电容器无功补偿初值;AP、分别为风电机组的单机容量、单组电容器的补偿值。2.2.3选择、交叉和变异采用基于线性排名的选择策略和自适应的交叉操作和变异操作:一6×——!,:—其中:M为群体规模;m为个体序号;为个体适应度值;是适应度值为的个体被选中的概率;a、6是常数。f查二厂>厂:{一一(12)【k3f<faIk:(fm一f),,、,={一一03)lkf<2.2.4算法流程①进化代数初始化为0,给出种群初始值;②修改网络参数,进行潮流计算;③计算个体适应度,进行个体排序;④判断进化代数是否达到最大值,若是,得到最佳个体,输出结果;否则进行编码、选择、交②叉、变异、解码等操作后转步骤进行下一代的计算。3校验系统和风电场的稳定性按照上述方法进行含风电场电力系统稳态运行的分析计算,得出风电场最优接入容量和最优无功补偿值。再以典型风速扰动和不同线路发生三相短路的故障方式进行校核:若系统和风电场均保持稳定,则计算结果是合适的;若系统或风电场失稳,∑则以单台风电机组容量为步长,逐渐减小尸。的取值,每减小一次,进行一次优化计算,再进行稳定性校验,直到系统和风电场均保持稳定为止。即得到最优的接入容量和无功补偿量。4算例分析系统接线如图2所示,节点1为规划建设的风电场,拟投运单机容量为750kW的新疆金风科技—出厂的¥50750kW型异步发电机组;节点2为系统等值机;系统中有2座110kV变电站,变电容量为103MVA,4座35kV公用变电站,变电容量为37.8MVA。以下确定该系统风电场最优接入容量。◎注:为I】0kv变电站0为35kV变电站;固为发电厂图2算例系统地理接线简图Fig.2Geographicdiagramofsamplesystem电力系统保护与控制4.1应用遗传算法求解最优接入容量首先以风电场并网于节点3所示110kV变电站的110kV母线这种情况为例进行计算。按第1、2节给出的方法,参数设置如下:M取30,最大进化代数取100,a取1.1,b取O.2,交叉率取[0.5,0.9],变异率取[0.001,0.1],。取46.5MW,取20Mvar,0取0,0取0。计算结果如表1所示。表1风电场以110kV接入系统计算结果Tab.1Calculationresultsofwindpowerintegration!遗传代数风电接风电场无功补偿升压站并网点入容量有功出值/Mvar母线电母线电型型P::些e::第20代22.521.721×O.334O95095第30代40.536.936×0334099l0.986表1给出了遗传算法计算至第20代和第30代的结果,在算至第30代即找到了最优解并保持到第100代不变。由表1可见,风电场接入容量为40.5MW(54台×750kW)、无功补偿值为12Mvar时,风电场升压站母线电压和并网点母线电压非常接近1P-u_,其他各节点电压均合格:节点2…为1P.u.、节点4为O.95PU节点5为0.972P_u.、…节点6为0.975P-u.、节点7为0.980PU节点8为0.962p.u.。再将风电场接入节点3所示变电站的35kV母线,进行同样的计算,可得表2所示结果,此结果保持到100代不变。由表2可以看出,风电场接入容量为22.5MW。表2风电场以35kV接入系统计算结果Tab.2Calculationresultsofwindpowerintegrationwith35kV遗传代数风电接风电场无功补偿升压站并网点入容量有功出值/Mvar母线电母线电::::第26代2019.1l8×O.334O96095第47代22.521.420×0.33409950.98对比表1和表2可知,风电场并网点电压水平对风电场最大接入容量有很大影响。电压等级越高,系统接纳风电能力越强,风电接入容量相应提高。4.2校验系统和风电场的稳定性4.2.1风速扰动和故障方式(1)渐变风扰动:正常方式下运行于额定风速(14m/s),渐变风2S启动,4S风速降至4m/s,之后保持8S结束。f2)故障方式①故障方式1:节点3与4之间110kV线路发生三相短路接地故障后0.12S切除故障线路。②故障方式2:节点3与6之间35kV线路发生三相短路接地故障后0.12S切除故障线路。③故障方式3:节点4与5之间35kV线路发生三相短路接地故障后0.12S切除故障线路。4.2.2校验结果按照风电场以1lOkV接入系统为例进行校验:f1)风电场接入容量40.5MW,无功补偿12Mvar时,发生渐变风扰动,风电场输出特性曲线见图3,系统稳定性曲线见图4。由图3可见渐变风2S启动后,风电场有功输出逐渐减少至0,7S后又逐渐增加至扰动前水平,风电机组的转差率在扰动前后没有明显变化,故风电场稳定。由图4可见系统频率保持在额定值,系统机组的相对功角在扰动期间有小幅波动,扰动后不变,故系统稳定。f2)风电场接入容量40.5MW,无功补偿12Mvar时,发生上述三种故障方式,风电场输出特性曲线见图5,系统稳定性曲线见图6。图5中曲线1、2、3分别对应故障方式1、2、3时,风电场有功输出;曲线4、5、6分别对应故障方式1、2、3时,风电机组转差率。由图5可见,故障方式1、2时,风电场有功输出和风电机组转差率都不断减小,不能恢复到短路前的状态或稳定在新稳态,故风电场不稳定;故障方式3时风电场稳定。图6中曲线1、2、3分别对应故障方式1、2、3时,系统机组的相对功角变化。由图6可见,故障方式1、2期间系统机组的相对功角有大幅振荡,切除故障后功角经小幅波动后达到一稳定值,系统功角稳定;故障方式3期间系统机组的相对功角有小幅振荡,切除故障后功角经小幅波动后达到一稳定值,系统功角稳定。…以单机容量750kW为步长,逐渐减小至37.5MW时,优化计算结果:为35.25MW、为10.6Mvar。进~步校验:(3)风电场接入容量为35.25Mw,无功补偿值为10.6Mvar的情况下,发生渐变风扰动,风电场输出特性曲线与图3类似,系统稳定性曲线与图4类似。(因篇幅有限不再赘述)故风电场和系统均稳定。(4)风电场接入容量为35.25Mw,无功补偿值为10.6Mvar的情况下,发生故障方式1、2、3扰动,风电场输出特性曲线见图7。图7中曲线与故障方式的对应关系同图5,由图7可见,发生三种故障瞬间风电机组有功输出均急剧减小,故障切除后,有功输出迅速回升,最后稳定在短路之前的水朱雪凌,等基于遗传算法的风电场最优接入容量问题研究。59.平;风电机组的转差率没有明显变化,故风电场稳定。系统稳定性曲线与图6相似,即三种故障期间系统机组的相对功角有较大振荡,切除故障后功角经小幅波动后达到稳定值,系统功角稳定。通过比较不同故障方式对接入容量的影响可以发现:发生三相短路故障的线路距离风电场并网点越近,对暂态稳定性的影响越大;故障方式对风电场接入容量的影响高于风速扰动带来的影响。通过稳态分析和系统经受典型风速扰动及故障方式的校验,可得算例系统风电场最优接入容量为35.25Mw,最优无功补偿值为10.6Mvar。O8鼍导0.4辜差蚕。霉o4-0.8t?s图3渐变风扰动时风电场的输出特性(风电接入40.5MW)Fig.3Outputcharacteristicofwindfarmdisturbedwithgradedwind(40.5MWwindpowerintegration)05101520t/s图4渐变风扰动时系统的稳定性(风电接入40.5Mw)Fig.4Stabilityofsystemdisturbedwithgradedwind(40.5MWwindpowerintegration)0246810t/s图5故障方式时风电场的输出特・性(风电接入40.5MW)Fig.5Outputcharacteristicofwindfarmwithfaultmode(40.5MWwindpowerintegration)图6故障方式时系统的稳定性(风电接入40.5Mw)Fig.6Stabilityofsystemwithfaultmode(40.5MWwindpowerintegration)图7故障方式时风电场的输出特性(风电接入35.25Mw)Fig.7Outputcharacteristicofwindfarmwithfaultmode(35.25MWwindpowerintegration)5结论f11本文采用基于异步发电机等值电路的方法对风电场进行处理。在风速给定的情况下,通过迭代同时求得满足感应电机转矩平衡的滑差和端电压,然后根据稳态等值电路确定感应发电机的有功和无功功率,较准确地反映了其无功和电压特性。(2)建立了求解风电场最优接入容量的数学模型并采用遗传算法求解。通过计算可知风电场并网点电压水平影响风电的接入容量:电压等级越高,系统接纳风电能力越强,风电接入容量得到相应提高。优化计算得到的风电场最优接入容量可保证系统各节点电压合格,且风电场升压站母线电压和并网点母线电压接近1P_u.,减小了风电场并网运行对系统电压稳定性的影响。(3)采用在典型风速扰动和故障方式下校验系统稳定性,以最终确定风电场接入容量的方法。通过校验可知,风电场接入容量受风速影响较小,受系统故障方式影响较大,发生故障的线路距离风电场并网点越近,对系统暂态稳定性的影响越大。因此必须通过校验才能最终确定使系统和风电场在稳0.d/韶嚣罨、生∞∞∞坫m0∞∞0O0O00OOOOO000.d,毒}:羽辞蠼区15O5152。_三^j.1l_d\嚣《.60一电力系统保护与控制态和暂态都稳定的最优风电场接入容量。参考文献[1]杨秀媛,梁贵书.风力发电的发展及其市场前景.电网—技术,2003,27(7):7879.—YANGXiu-yuan,LIANGGuishu.DevelopmentofWindpowerGenerationandItsMarketProspect[J].—PowerSystemTechnology,2003,27(7):7879.[2]王承煦,张源,朱瑞兆,等.风力发电】.北京:中国电力出版社,2003.[3]雷亚洲,GordonLightbody.国外风力发电导则及动态模型简介[J].电网技术,2005,29(12):27.32.LEIYa-zhou,GordonLighthody.AnIntroductiononWindPowerGridCodeandDynamicSimulation[J].—PowerSystemTechnology,2005,29(12):2732.[4]雷亚洲,王伟胜,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