含雙饋風電機組的配電網潮流分析

孫銀鋒，李國慶，顧黎明，韓 悅

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012;2.浙江省臺州電業局，浙江臺州317000)

靠近負荷中心的分布式發電系統對配電網有著多方面影響。鑒于分布式電源在電力系統中所占比例的不斷擴大，研究分布式發電對系統穩態運行的影響勢在必行。近年來，作為一種清潔的可再生能源，風力發電日益受到重視。上世紀80年代以來，風力發電機制造水平不斷提高，單機容量不斷增大，風力發電機控制系統日趨完善，對風力發電并網技術的研究也逐漸深入。本文將通過潮流計算，針對靠近負荷中心的風力發電系統對放射狀鏈式配電網絡影響進行探討。

含風機的配電網潮流計算可以用來評估風機并網后對系統的影響，配電網的規劃以及配電網的網絡重構、故障處理、無功優化和狀態估計等都需要用到配電網潮流數據。同時，它也是分析分布式發電對電網穩定性的影響等其他理論研究工作的基礎［1］。

在風力發電中，由于風速變幻莫測，所以對風能的利用存在一定的困難。因此改善風力發電技術，提高風力發電機組的效率，最充分地利用風能資源，有著十分重要的意義。本文將采用雙饋電機，來解決風力機轉速不可調、機組效率低等問題。另外，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調，對電網可起到穩壓、穩頻的作用，提高發電質量［2］。

本文將雙饋風電機組按一定方式接入典型配電系統，通過改進牛頓法進行潮流計算，進而分析風機的不同接入點對系統的影響。

1 風速模型及雙饋風電機組

1.1 風速概率分布曲線

風速分布曲線是風能資源計算的基礎。風具有隨機性很大的性質，能夠反映風的統計特點的重要形式是風速的概率分布曲線。在判斷一個地方的風況時，需要通過足夠多和足夠長時間的氣象資料，以獲取各種風速出現的頻率。風速分布一般為正偏態分布，用于擬合風速分布特性的線型很多，如:瑞利分布、威布爾分布、對數正態和耿貝分布等，而其中威布爾(Weibull)單峰雙參數分布曲線，被普遍認為是適用于風速統計特性的概率密度函數。

風速的威布爾概率密度函數可表示為:

式中，Vw是風速，c和k為威布爾分布的尺度參數和形狀參數。c反映的是平均風速的大小;k對應著威布爾分布的形狀，取值范圍一般為1.8-2.3之間，k=2時，又稱為瑞利(Rayleigh)分布，很多地區的風速分布可以采用瑞利分布，k=3.5時，威布爾分布已很接近正態分布。

風力機感受到的風速是輪毅高度H處的風速，在風速數據處理和分析過程中要對測風高度H0處的風速Vwo進行修正，修正公式為:

式中α為高度修正系數，通常在0.1-0.4范圍內。

用于計算風速分布參數的方法有多種，如最小誤差逼近法、均值與方差估算法、極大似然法等。通過這些方法計算威布爾分布的尺度參數c和形狀參數k，這樣，風速的分布形式便確定了，還可以計算出能直接體現風能資源狀況的風能特征指標，進而就可以通過風力機組的輸出功率與風速之間近似關系得到輸出功率的隨機分布。

1.2 風電機組輸出功率模型

風電機組的輸出功率與風速的關系曲線稱為風電機組功率特性曲線，風力發電機輸出功率主要取決于風輪機輪轂高度處的風速，可以用分段函數表示:

圖1 風電機組輸出功率特性曲線

風電機組功率特性曲線，見圖1。

若將圖中a，b改為直線，則分段函數變為如下形式

1.3 雙饋感應式風力發電機組

雙饋感應式風力發電機組以其變流器容量小，有功和無功功率可獨立解耦控制的特點，隨著技術的成熟，現已成為目前變速恒頻風力發電機組的主流機型。變槳距雙饋風力發電機組是一種采用脈寬調制技術的風力發電機組，是目前風力發電分析與控制的研究重點之一，其結構如圖2。

圖2 雙饋感應式風力發電機

這種發電機除定子繞組與電網有電氣連接外，其轉子繞組也通過變頻器與電網相聯。通過在轉子繞組中施加變頻電流，在定子繞組中感應出恒頻電勢，從而實現了風力發電機組的變速恒頻運行。變頻器的容量取決于發電機變速運行時的最大滑差功率，一般僅為發電機額定容量的1/4～1/3。變速恒頻雙饋風電機組能控制發電機的滑差在恰當的數值范圍內變動，因此可優化風力機葉片的槳距調節，減少風力機葉片槳距的調節次數。由于風力機變速運行，其運行速度能夠在一個較寬的范圍內調節，使風力機達到最優功率系數，從而提高發電機組的效率。

2 配電網潮流計算

2.1 配網潮流特點及算法

配電網絡具有許多不同于高壓輸電網的特征，例如:環網設計，開環運行，正常運行時是輻射型樹狀;支路參數r/x的比值較大;三相支路參數不對稱和三相負荷不平衡問題比較突出等。因而也就對配電網的潮流計算方法提出了特殊的要求。回路阻抗潮流算法以及其改進算法的特點是較好的收斂性，處理網孔能力較強，通過適當的編號技術，可減少存儲需求和提高計算速度。但該方法占用較多的內存，處理時間較長。相應的改進算法則解決了存儲和運算時間問題。前推回推法(Backward/forward Sweep Algorithm)在配電網絡的潮流計算中應用也較廣泛。當用來進行輻射狀配電網的潮流計算時，該算法的效率是所有算法中最高的，占用內存也很少，但當應用于環狀網絡時則需要進行特殊的處理，當網絡中含有PV節點時也需要進行特殊的處理，這在一定程度上限制了此方法的應用。

本文將采用改進牛頓法進行配網潮流計算。傳統牛頓法潮流算法的實質是逐次線性化，求解過程的核心是反復形成并求解修正方程。此方法對于輻射型配電網從理論上來講是收斂的，但在具有運算量大的缺點。而改進牛頓算法可化簡原雅可比矩陣，從而有效降低計算量。

2.2 改進牛頓法原理

在傳統的牛頓法中，潮流問題可以化成如下形式:

改進牛頓法生成一個UDUT形式的近似雅可比陣，在此基礎上線性化潮流方程，進行前推回推可求得系統狀態變量的增量。該法對傳統牛頓法的雅可比陣進行了簡化，簡化之前要針對配電網的特點做一些假設

(1)首先，配電網中的線路長度都不長，并且線路上的功率都不高，因此可以假設相鄰兩條母線的電壓近似相等。(2)配電網是放射形網絡，網絡中沒有環路，則

其中，DB和DG均為對角矩陣，DB=ViVjBijcosθij，DG=ViVjGijcosθij。DB中對角線位置上的第k個元素DBk對應于第k條支路，該支路的源母線為母線i，目標母線為母線j，是個p×p矩陣，p是線路k的相數(1≤p≤3)。DG與DB相似。An-1為母線對支路的關聯矩陣。可以將修正方程寫為:

將上式寫成復數矩陣的形式如下:

可將上式改寫為如下迭代形式:

式(12)為前代過程，式(11)為回代過程。

3 仿 真

本文采用圖3所示的IEEE33節點配電系統進行分析。本文將雙饋風力發電機組節點設為PV節點;33節點默認與電網相連，仿真計算中視為平衡節點;基準功率取為100 MVA，電壓等級為12.66 kV，計算精度為0.00001。下面將對風機的不同接入地點進行潮流仿真，進而分析風機的接入對此配電系統運行的影響。

首先，根據前面介紹的風速模型模擬出風速曲線，見圖4，進而得到風力發電機的有功功率曲線，見圖5。

圖3 IEEE 33節點配電系統

潮流計算結果表明，不同的風電機組接入位置對潮流的收斂情況影響不大，如圖6所示，潮流基本在四次迭代后收斂，得出潮流仿真數據。

3.1 風機接入位置對系統網損的影響

下面來看雙饋風力發電機組的不同接入位置對系統網損的影響。從表1中可以看出，在同一條配電饋線上，風電機組的接入越靠近電網則網損越大，如節點1，節點18，有時往往帶來比未加風機時大很多的網絡損耗。相反，越是遠離電網側的接入點，越能控制網損在理想的范圍內，如接入點分別為節點21，32，17時，有時甚至會比未加入風機時網損更小，如從節點11或節點7接入。當然，這只是定性的分析，而不能單純根據距離遠近來定量的分析網損情況，因為系統的饋線連接方式不同，負荷變化和分布都將會對結果產生影響。

圖6 潮流收斂曲線

表1 風機接入點對網損的影響

3.2 風電機組接入對負荷節點電壓的影響

表2為未計及風力發電機時，在恒定負荷下的部分母線電壓情況，而圖7和圖8分別模擬常規異步風力發電機和本文引入的雙饋感應風力發電機接入節點24后，各個節點電壓情況。顯然，風力發電機的接入，使得配電網中母線電壓受到一定影響，即當風速較高或者風速波動劇烈時，會使母線電壓降低，這是由于，隨著風速的提高風電機組會從系統吸收更多的無功功率，使部分母線電壓，尤其是距離風電場電氣距離較近的電壓水平有所下降。

另一方面，觀察圖7和圖8可以發現。雙饋風力發電機與常規異步風力發電機相比，并不會改善電壓的水平，然而卻可以顯著的改善由于風力發電的隨機性，間歇性所導致節點電壓波動，提高電能質量。

表2 風機接入前各母線電壓

4 結 論

本文首先分析了風速模型以及風電機組功率輸出模型，并介紹了變槳距雙饋風力發電機組的特點以及其控制方式。在仿真計算中，將雙潰風電機組按一定方式接入典型配電系統，并在潮流結算中將其視為PV節點。通過對仿真結果的分析可知，不同的接入位置對潮流的收斂情況影響不大，卻對網損有一定影響，大體上隨接入點距離電網側的距離增大而有減小趨勢，理論的推廣尚需深入研究。雙饋風機電源接入配電網，相對于常規異步風力發電機對饋線的電壓分布的改善作用明顯，即可有效平復風力發電的隨機性，間歇性所導致節點電壓波動，以滿足用戶對電能質量的要求。

［1］王守相，江興月，王成山.含風力發電機組的配電網潮流計算［J］.電網技術，2006，30(21):42-45.

［2］雷亞洲.與風電并網相關的研究課題［J］.電力系統自動化，2003，27(8):84-89.

［3］劉威，趙淵，周家啟，等.計及風電場的發輸配電系統可靠性評估［J］.電網技術，2008，32(13):69-74.

［4］丁明，吳義純，張立軍.風電場風速概率分布參數計算方法的研究［J］.中國電機工程學報，2005，25(10):107-110.

［5］Y Zhu，K.Tomsovic.Adaptive Power Flow Method for Distribution Systems with Dispersed Generation［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2002，17(3):822 -827.

［6］Fang Zhang，Carol S.Cheng.A Modified Newton Method for Radial Distribution System Fower Flow Analysis［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1997，12(1):389 -397.

［7］代江，王韶，祝金鋒.含分布式電源的弱環配電網絡潮流計算［J］.電力系統保護與控制，2011，39(10):28-31.

［8］張國新.風力發電并網技術及電能質量控制策略［J］.電力自動化設備，2009，29(6):29-33.

［9］李新，彭怡，趙晶晶，等.分布式電源并網的潮流計算［J］.電力系統保護與控制，2009，37(17):78-81.