1、大规模风电并网电压稳定性研究Study on Voltage Stability of Large Grid-connected Wind Power,指导老师 王成山教授答辩人 赵庚,课题背景,风电是洁净的可再生能源，是我国能源发展战略的重要组成部分。我国的风力发电技术从无到有、从小到大，具备了兆瓦以下风电机组的设计和制造技术，兆瓦级风电机组也已经进入产业化阶段。预计到2015年，全国风电总装机将超过50GW，风电产业将跨入一个新的发展阶段。,大型风电并网对电力系统的影响,系统备用以及频率调节,无功功率控制,电能质量,大规模风能主要的利用方式就是风电场的并网运行。风力发电并网技术以及风力发电
2、大规模发展给电网带来的影响等已成为当前需要研究和探讨的重要问题。其中，大规模风电场并网后对电力系统电压稳定域的影响尤为重要。,电压稳定域,小扰动电压稳定域,静态电压稳定域,暂态电压稳定域,注入空间上的SVSR定义：,通过连续潮流逐点仿真拟合出来注入空间下稳定域边界 在系统临界点处用切平面来近似表示稳定域边界 借助人工神经网络，实现从输入到输出的非线性映射,静态电压稳定域的求解方法,注入空间,通过仿真得到系统的割集空间稳定域边界，再用最小二乘法拟合求得割集空间电压稳定域边界 通过线性化的潮流方程得到状态空间上某临界点附近一组 临界点，进而通过拟合这些点得到稳定域边界,割集空间,针对静态电压稳定域
3、的研究主要是基于注入空间和割集空间上,本文算法的实现,本文以风电场PQ简化模型结合聚类分析法通过连续潮流来实现对静态电压稳定域边界的近似描述具体步骤如下：,系统中风力机组有功出力按固定步长变化且假设下一时刻风速不变,从初始状态开始计算随有功出力每一步变化风力机组吸收的无功和节点电压,通过连续潮流追踪P-V曲线临界点作为初始样本聚类中心,计算出聚类中心附近一组临界点分别比较与初始聚类中心间矢量夹角是否满足给定的精度,若满足则归为一类不满足则另建一新类别,找到所有稳定域边界的切点,在聚类中心处求取切平面,用切平面近似描述静态电压稳定域边界,风力发电机计算模型,异步风机数学模型,异步风机等值电路图,
4、风力发电机计算模型,双馈风机数学模型,异步风机等值电路图,风电场潮流计算模型,根据给定的有功功率和功率因数，计算风电场所吸收无功，并将风电场作为PQ节点处理,根据初始电压计算出初始转差，再计算出风电场吸收的无功，将风电场作为PQ节点计算出机端电压U，若U小于给定的精度则计算收敛,将整个电场作为阻抗接在母线上，初始化转差计算阻抗，形成节点导纳矩阵，通过潮流计算得到母线电压，并计算有功功率，对比所在区域风速功率，相等则计算结束,PQ简化模型,RX迭代模型,PQ迭代模型,现有含风电场潮流的三种计算模型为PQ简化模型、PQ迭代模型、RX迭代模型,本文含风电场潮流计算模型,本文采用PQ简化模型方法，通过
5、所示公式消掉风机转差s，得到风机的无功方程方程：,所对应风机节点i的功率方程为：,含风电场的潮流计算步骤为：,给定风速和节点母线电压,确定该风速下风机的有功出力,计算风力机组吸收的无功功率,计算风电场总有功和总无功,由节点电压计算修正方程常数项及雅可比矩阵,求解修正方程修正节点电压,若满足收敛条件则计算结束若不满足，则返回第二步,物理参数化、局部参数化、弧长参数化,通过参数化可以确定当前解的下一个或前一个解,参数化,切线法、割线法,由已知解出发寻找下一个解的近似点,预测,局部校正、弧长校正,用修正后的解作为下一步计算的初值，直到满足终止条件,校正,连续潮流,连续潮流是电压稳定性分析的有力方法，
6、它可以克服如牛顿法、快速解耦法等在接近稳定极限运行状态时，雅可比矩阵接近奇异而无法收敛，导致潮流计算失败的问题，其基本计算过程如下：,从待分类样本中获得输入量X,聚类分析法,计算X与现有类别的欧式距离,选择出与X距离最小的类别,检验判定条件,若不满足判定创建新类，使聚类中心为X,将X归于该类别将此类成员均值作为聚类中心,聚类分析法根据同一空间中分类对象的不同属性，具有相似属性的聚为一类,回顾本文算法的实现,本文以风电场PQ简化模型结合聚类分析法通过连续潮流来实现对静态电压稳定域边界的近似描述具体步骤如下：,系统中风力机组有功出力按固定步长变化且假设下一时刻风速不变,从初始状态开始计算有功出力每
7、一步变化风力机组吸收的无功和节点电压,通过连续潮流追踪P-V曲线临界点作为初始样本聚类中心,计算出聚类中心附近一组临界点分别比较与初始聚类中心间矢量角度是否满足给定的精度,若满足则归为一类不满足则另建一新类别,找到所有稳定域边界的切点,在聚类中心处求取切平面,用切平面近似描述静态电压稳定域边界,算例分析,以IEEE57节点系统为例，如下图所示：,算例说明,设发电机G1为平衡机，G2、G6为并网运行的风机，G8、G12为系统敏感节点发电机。 G2、G6按各自的步长变化，系统初始负荷为100MW，负荷增长步长为5MW。 为简化计算，认为风速在下一时刻不发生改变，即G2、G6风机额定出力不变。 在二
8、维空间内求取静态电压稳定域近似边界，并与通过与逐点追踪的真实稳定域边界进行比较。 对比异步电机和双馈电机对电压稳定域的不同影响。,G2风速在14.0m/s，G6风速在4.0m/s时的系统电压稳定域近似边界,G2风速在14.0m/s，G6风速在6.0m/s时的系统电压稳定域近似边界,G2风速在14.0m/s，G6风速在4.0m/s时的系统电压稳定域近似边界与真实稳定域边界对比,G2风速在14.0m/s，G6风速在6.0m/s时的系统电压稳定域近似边界与真实稳定域边界对比,G2风速在14.0m/s，G6风速在4.0m/s时的系统近似边界的负荷裕度与真实负荷裕度对比,G2风速在14.0m/s，G6风
9、速在6.0m/s时的系统近似边界的负荷裕度与真实负荷裕度对比,通过计算得出的近似边界负荷裕度误差可以看出，利用PQ简化模型结合聚类分析法获得的静态电压稳定域边界与真实边界拟合度非常的高，而且算法速度快，精度高，适合于电压安全稳定监控。,接下来本文将利用Kp值来分析系统在下一时刻能保持安全稳定运行的方向以及危害稳定运行的方向。 首先，我们给出Kp值的定义：,若该值在20%以上则认为系统工作点这个方向上发展是安全的，若在20%以下则认为这个方向是危害系统电压稳定的，应及时采取调度措施，保障电网安全稳定运行。,Kp值分析,G2、G6在不同风速下所有运行方向上Kp值,下面我们将对比风电并网运行时异步风
10、机和双馈风机对静态电压稳定域的不同影响。其结果说明了在同等条件下双馈风机对电压稳定域的影响要优于异步风机。,G2风速在14.0m/s，G6风速在4.0m/s时异步风机与双馈风机构成的静态电压稳定域近似边界,G2风速在14.0m/s，G6风速在6.0m/s时异步风机与双馈风机构成的静态电压稳定域近似边界,1.电力系统的静态电压稳定域边界是一个高维非线性超曲面，经过有效降维之后， 可以在二维或者三维空间中可视化。2.含风电场的电力系统，由于风电场自身特性导致利用传统潮流实时追踪系统P-V 曲线鞍结分岔点是非常困难的，其计算量也是非常巨大，难以在电力系统在线安 全监控中得到应用。本文利用PQ简化模型结合聚类分析方法，通过连续潮流用 鞍结分岔点所在切平面来拟合静态电压稳定域边界，在保证精度的前提下，大大 地降低了计算量，提高了计算速度。3.经IEEE57节点系统等算例验证，利用拟合出来的切平面边界计算出的系统负荷 裕度与真实值相比，误差较小，是可以用于指导电力系统在线安全监控的。4.双馈风力发电机构成的风电场对系统静态电压稳定性的影响要优于普通异步发 电机的风电场。,总结,Thank You!,
