朱星陽 張建華 劉文霞 邱 威 吳 旭 蔣 程
(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學) 北京 102206 2.國家電力調度控制中心 北京 100031)
風力發電作為目前技術最成熟、最具規模的一種新能源利用形式,近年來在全世界得到了迅猛的發展,風電年均新增裝機呈現快速增長。然而由于風力發電出力的隨機性和弱可控性,大規模風電場并網將對電網的電能質量和系統安全穩定運行等諸多方面產生負面影響[1-5],其中,電壓問題是最突出和最受關注的問題之一。風速的隨機變化將引起風電功率的隨機波動,甚至風電機組的頻繁啟停,而功率的變化勢必會引起電網電壓波動。目前,風電場通常采用在風場出口母線上安裝電容器組補償風電場無功需求,這對風機啟停造成的電壓波動有一定的改善作用,然而,風機持續運行時風速或系統運行方式變化引起的風電場母線和接入點電壓波動,難以通過簡單的電容器或電抗器投切平抑[6]。另一方面,隨著風機技術的發展,變速恒頻機組逐漸成為并網風機的主流機型,雖然機組采用 PWM變頻器控制實現有功無功解耦,具備動態調節無功輸出的能力,從而可降低并網運行時對系統電壓的影響,但由于種種原因,我國風電場中的變速恒頻風電機組通常以恒功率因數方式運行,其快速靈活的無功調節能力并未得到充分的利用[7]。由此可知,對風電并網運行引起的電網電壓波動進行全面準確的評價顯得非常必要。
國內外學者對此進行了初探,形成了一些初步成果。例如,文獻[8]對風電場接入電網引起電網電壓偏差和電壓波動的原理進行了分析,仿真表明風電場接入后,由于風速波動造成風電機組輸出功率的波動會引起電壓波動,其發出有功功率的大范圍變動會造成整個運行區間較大的電壓偏差。文獻[9]對一個含風電容量較大的電網進行了潮流計算,根據歷史記錄的風速和風功率進行電網潮流的連續計算,來確定一年內由于風電場出力變化導致的母線電壓和線路功率的變化,從而分析風電接入對電網電壓的影響。文獻[10]采用仿真方法研究了感應式和永磁同步兩種風力發電系統在電網瞬間短路故障時系統電壓波動情況,并對其進行了評估。文獻[11]研究了風電場所接入電網狀況對風電引起的電壓波動與閃變的影響,指出系統短路容量和線路電抗與電阻比等對風電場的電壓波動與閃變有較大的影響,通過選取合適的并網點和電壓等級、合適的線路電抗與電阻比,能夠有效抑制風電引起的電壓波動與閃變。然而,以上文獻本質上均是通過仿真的手段,研究風電接入后電網電壓波動的相關影響因素,而沒有對風電并網引起電網電壓的隨機變化進行全面評價。
基于上述分析,本文從電壓隨機分布的特征出發研究風電并網引起電網電壓的隨機波動,定義相應指標,給出評價方法。首先對風電場的靜態模型進行了研究用于含風電場電網的潮流計算。然后,從電壓波動的整體和局部兩個方面分別定義電壓分布指數、偏度指數、保持指數三個電壓波動評價指標。最后,基于所提模型和評價指標,研究了采用蒙特卡洛抽樣法對風電并網引起電壓波動進行評價的方法及流程。通過仿真結果驗證所提指標和方法的有效性、分析電壓波動影響因素,并通過實例應用進一步說明指標和方法的實用性。
風電機組出力的隨機是由于風能的隨機分布引起的,因此,研究風速的變化規律對于分析機組的出力變化及其對電網的影響十分關鍵。模擬風電場風速的方法很多,主要有時間序列分析法[12]、威布爾分布[13]和瑞利分布[14]。而對風速的大量實測數據表明,絕大多數地區的風速分布可以采用 Weibull分布函數描述:

式中,c和k分別為Weibull分布的尺度參數和形狀參數。可通過下式求解得到

式中,μ、σ分別為各風速時段的期望和標準差。
風電機組有功出力與風速之間的關系可近似用圖1所示的曲線描述。

圖1 風功率模型Fig.1 Wind power model
計算時可以采用如下分段函數表示。

式中,vci為切入風速;vco為切出風速;vr為額定風速;Pr為風機額定輸出功率。
本文以異步風力發電機和雙饋風力發電機為代表研究風機在穩態分析中的無功模型。
2.3.1 異步風力發電機無功模型
異步風力發電機的簡化電路如圖2所示。

圖2 異步風力發電機的簡化等效電路Fig2. Simplified equivalent circuit of induction generator
圖中U、P、Q分別為機端電壓、有功、無功輸出,xm為勵磁電抗,xr為定子漏抗,rs為轉子電阻,s為轉差,xs為轉子漏抗,忽略定子電阻。由圖 2電路連接關系可以推導出

式中,x=xr+xs。
將式(5)變形得

將式(7)代入式(6)得異步風力發電機Q-U特性方程為

由式(8)知異步風力發電機吸收的無功Q是機端電壓U的函數,故進行潮流計算時,將異步風力發電機母線按PQ(U)節點處理,即迭代過程中根據上一次電壓迭代值不斷更新風機的無功功率即可。
2.3.2 雙饋風力發電機無功模型
由于雙饋機組普遍采用了雙 PWM變頻器的控制,其發出的有功與無功功率能夠得以解耦控制,具有類似于同步發電機的特性,在實際運行當中,其有功與無功都是可控的,所以在潮流計算時可以將雙饋風電機組看作PQ節點,以簡化分析。故以恒功率因數cosφ運行時,雙饋機組無功模型為

大規模風電并網系統潮流分析時,若對風電場的每臺風力發電機及其內部連接都采取詳細模型描述時,不僅增加了電力系統模型的規模,而且還會帶來數據修正、模型有效性等問題,增加計算分析時間。基于此,本文將風電場進行等值處理后再參與計算。風電場等值一般包含風速分布模型等值和發電機模型等值兩方面的內容。本文暫不考慮風電場風速的分布情況,將同一風場中所有風機視為同一風速。發電機等值處理具體如下:
風場等值時,必須滿足等值前后風場出口處的輸出功率保持一致,即

異步發電機群采用容量加權法得到等效阻抗參數后再按式(8)參與潮流計算,容量加權法計算等效阻抗方法如下:

式中,ZΣ為等效發電機阻抗;n為被等值的發電機臺數;Zj為第j個發電機阻抗;αj為容量加權系數;VAj為第j個發電機的額定容量。
與風力發電機直接相連的變壓器,按阻抗并聯等值處理,網絡阻抗等值原則為等值前后網損相同,以保證潮流的等值前后一致。
本文從描述風電并網后電網電壓隨機分布的特征出發,分別定義了電壓分布指數、偏度指數、保持指數三個母線級電壓波動評價指標,在母線級指標的基礎上定義了相應的系統級評價指標。
風電接入電網后,由于其出力隨機波動,電網中母線節點電壓也隨之波動。圖3為含大規模風電場的某地區電網中兩條不同母線電壓波動實際記錄曲線。

圖3 實際電網母線電壓波動情況Fig.3 Bus voltage fluctuation in actual power system
由圖3可知,風電并網引起電網不同母線的電壓波動情況各不相同,直觀表現為各時刻風電并網引起的電壓偏移各不相同,而系統電壓偏移程度是電壓質量很重要的一個方面,系統電壓偏移過大時,會影響工農業生產產品的質量和產量,損壞設備,甚至引起風機或風電場脫網等。更嚴重的是,在系統無功功率短缺、電壓水平低下時,可能引起系統性的“電壓崩潰”,造成大面積停電。可見,風電并網后引起電網電壓波動幅度這一特征量非常重要。為此,采用電壓觀測值的標準差來表征某母線電壓整體波動幅度情況,并將其定義為母線電壓分布指數(Bus Voltage Distribution Index,BVDI):

式中,Ui為第i次電壓觀測值,本文采用抽樣計算得出;為電壓平均值;m為抽樣樣本容量。
采用標準差衡量風電并網后引起電網電壓的波動幅度,能反映波動幅度整體情況,可避免非風電波動的其他隨機因素造成電壓某一時刻瞬間波動的影響。從而使得評價具有全局性,結果更合理,更具有實際參考價值。
由母線電壓分布指數的含義可知,BVDI值越大,表示風電接入后,電網母線電壓分布越分散,波動幅度越大,對系統電壓穩定越不利,電能質量也越差,反之亦然。
電壓分布指數反映的是電壓波動幅度,但沒有反映風電接入后,母線電壓相對于風電接入前增大或減小情況。事實上,在含風電場的電網規劃或調度運行時,不僅需要預知風電并網引起母線電壓的波動程度,還需要風電并網后母線電壓提升或降低相關信息,以指導規劃與調度運行工作,例如:配置合適的無功補償器、電網運行時補償器的合理投切。然而,由于風電出力是隨機變化的,對系統中某一母線而言,風電并網后電壓升高、降低均有可能,只是可能性有所不同。鑒于此,采用母線電壓隨機分布非對稱程度來表征風電并網對母線電壓提升或降低的相對影響程度。
在統計學中,經常采用偏度系數來表征分布偏斜方向和程度的度量。偏度系數一般有使用標準差和三階中心矩兩種計量方法。其中,使用標準差計量的定義式為

使用三階中心矩計量的定義式為

SK是無量綱的量,取值通常在-3~+3之間,其絕對值越大,表明偏斜程度越大。當分布呈右偏態時,SK>0,故也稱正偏態;當分布為左偏態時,SK<0,故也稱負偏態。其幾何含義如圖4所示。

圖4 統計學中偏度系數幾何含義Fig.4 Skewness geometrical meaning in statistics
然而,使用標準差計量的定義適用于分組頻數分布數據,否則式中的眾數M0有很大的隨機性。因此定義反映風電引起電網電壓隨機分布非對稱程度的指標時,應參考三階中心矩計量的方法。故定義母線電壓偏度指數(Bus Voltage Skewness Index,BVSI)為

式中,Ui為第i次電壓觀測值;U0為在同種運行方式下風電接入前母線電壓值;m為樣本容量;σ為電壓標準差。
BVSI值為正,表示風電接入后電壓增大的情況比減少的情況嚴重,直觀表示為電壓分布概率密度曲線右側尾部較長(以風電接入前電壓值為基準),數值越大,右側尾部越長。BVSI值為負,情況相反。當BVSI值為零時,表示風電接入后電壓減少的情況與增大的情況相當,直觀表示為電壓概率分布曲線關于接入前電壓值左右對稱。
指標BVDI和BVSI反映的都是關于電壓分布的整體描述,沒有反映母線電壓維持在某數值的概率情況,事實上,這一信息可為電力系統的電壓控制相關決策工作提供重要支持。因為與常規電力系統相比,風電并網后的系統電壓隨機性更強,相關的調度控制決策不能再依賴于確定性的準則,而需要進行概率決策分析。而狀態保持概率分析是進行概率決策的重要方面,因此,定義一個表征母線電壓維持在風電接入前電壓水平的能力指標,并稱之為母線電壓保持指數(Bus Voltage Retention Index,BVRI)為

式中,C(Ω) 表示集合Ω中元素的個數,m為樣本容量;α表示對電壓波動范圍的限制閾值,可根據評價需要自行指定。
由電壓保持指數的定義可知,BVRI值實際反映的是風電并網后,母線電壓維持在并網前的電壓值附近的概率大小,指標值越大,表示對應維持概率越大,反之,概率越小。事實上,U0、α取恰當值時,BVRI也可反映出風電接入后母線電壓合格率。
以上定義的BVDI、BVSI、BVRI指標均是母線級電壓波動評價指標,下面定義幾個對應的系統級指標。
系統電壓分布指數(System Voltage Distribution Index, SVDI):

定義式(18)~式(20)中,Ψ表示除平衡節點外的系統母線集合,N表示集合Ψ中母線總數。
系統電壓偏度指數(SVSI)、系統電壓保持指數(SVRI)、系統最大(小)電壓偏度指數(MSVSI、NSVSI)、系統最大(小)電壓保持指數(MSVRI、NSVRI)均類似定義。系統級指標用于對系統電壓波動進行總體評價,以便對不同系統或同一系統不同規劃、運行方案對比分析。
需要說明的是,由于風電并網對電網電壓的影響范圍與風電滲透率、電網結構、接入方案等諸多因素相關,為避免系統級指標過小而難以比較,必要時可結合實際情況或母線級指標計算結果,選擇關鍵母線參與系統指標計算。
結合本文研究的風電場靜態模型以及所提指標,風電并網引起的系統電壓波動評價流程如下:
(1)風電場等效:根據各風場所用的不同風機型號,依次參照 2.4小節對各風場風機進行等值,并計算各風場等值處理后的有功、無功出力額定值,異步等值風機只需得出如式(8)所示的無功出力表達式。
(2)風電場出力抽樣:結合各風電場情況由式(2)、式(3)分別計算各風場風速Weibull分布的尺度參數c和形狀參數k,根據式(1)產生各風電場風速抽樣數據。
(3)潮流計算:將風速抽樣值由式(4)轉換為風電場有功出力抽樣值,根據式(8)或式(9)得出風場對應無功出力,并依次進行潮流計算。
(4)指標統計分析:根據潮流計算結果統計得出母線電壓分布指數BVDI,偏度指數BVSI,保持指數BVRI。
(5)根據BVDI、BVSI、BVRI各指標值,分析各母線電壓波動情況,并得出SVDI、SVSI、SVRI等系統級評價指標。
具體評價流程如圖5所示。

圖5 評價流程圖Fig.5 Evaluation flow chart
采用IEEE 36節點系統驗證本文所提指標和方法的正確性和有效性。測試系統原始數據見文獻[15],本文對系統節點重新編號,如圖 6所示。基準功率為100MVA,基準電壓取11kV。

圖6 IEEE 36節點系統Fig.6 IEEE 36 bus system
在節點18接入單機1MW、cosφ=-0.85雙饋風電機組 5臺;節點 33接入單機 1MW、cosφ=1雙饋風電機組3臺;兩個小型風電場參數相同,具體見表1。

表1 風電場參數Tab.1 Parameters of the wind farm
由于風電接入規模較小,為便于分析母線電壓保持指數BVRI,本算例中電壓波動范圍的限制閾值α取1%,在此條件下,各評價指標計算結果見表2。

表2 指標計算結果Tab.2 Results of index caculation

(續)
由表2可知:節點1~8、23~25的BVDI指標值相對較小,表明風電接入后其電壓波動較小,而節點15~22、30~33的BVDI指標值相對較大,表明風電接入后其電壓波動較大。這是因為節點 1~8、23~25靠近平衡節點1,由于平衡節點電壓的鉗制作用使得這些節點電壓波動較小。而節點 15~22、30~33遠離平衡節點且處于風電場接入點附近,故其電壓波動大。由此可知,BVDI指標評價結果符合電網實際。
節點5~22的BVSI指標值為負,其他節點BVSI值為正。據電壓偏度指數含義知,風電接入后,節點5~22電壓下降情況更嚴重,而其他節點情況相反。結合兩個風場的并網點位置和運行功率因數,分析可知BVSI指標計算結果符合實際。
圖 7~圖 9分別示出了節點 2、17、33電壓分布概率密度(PDF)和累積分布曲線(CDF)。

圖7 節點2電壓分布情況Fig.7 Voltage profile of Node 2

圖8 節點17電壓分布情況Fig.8 Voltage profile of Node 17

圖9 節點33電壓分布情況Fig.9 Voltage profile of Node 33
經計算風電接入前節點2電壓值為0.975 1、節點17為0.911 6、節點33為0.917 6。由圖7可知,節點2電壓概率密度曲線左右基本對稱,電壓升高(>0.975 1)與下降(<0.975 1)情況基本一致。由圖8知,節點17電壓概率密度曲線左側尾部較長,電壓下降(<0.911 6)更嚴重。而圖9中節點33電壓概率密度曲線右側尾部較長,電壓升高(>0.917 6)更嚴重。根據BVSI指標含義可知,圖7~圖9中節點電壓分布特點與表 2中BVSI指標計算結果完全吻合,故所提指標BVSI能較好地反映風電并網后,母線電壓相對于風電接入前增大或減小情況。
由表2可知,節點24~36的BVRI指標相對較小,而越靠近平衡節點的母線BVRI指標越接近于1,故在風電出力隨機波動時,節點24~36的電壓維持在風電接入前水平的概率相對較小,而其他節點維持概率相對較大,尤其是平衡節點附近的母線,由平衡節點的電壓鉗制作用可知這符合電網實際。故所提BVRI指標能準確反映風電并網后母線電壓維持在接入前電壓值附近的概率。
通過對比節點15~22和30~33的BVDI、BVRI指標,可以發現雖然這些節點的電壓分布指數值均較大,而其電壓保持指數卻不同,節點30~33的電壓保持指數較小,但節點15~22的電壓保持指數仍較大。這是因為某些節點的電壓整體波動范圍雖較大,但存在局部密集分布的情況,圖8中所示的節點 17的電壓概率密度分布可證明這一點。由此可知,電壓分布指數BVDI反映電壓波動的整體信息,而保持指數BVRI主要反映電壓波動的局部信息,兩者不可互為替代。
5.4.1 風電不同接入位置的影響
將 5臺1MW、功率因數cosφ=-0.85的雙饋風電機組依次通過IEEE 36網絡的前段(節點4)、中部(節點11)、末段(節點22)并網,各母線電壓偏度指數BVSI指標計算結果圖10所示。

圖10 不同并網點BVSI指標計算結果Fig.10 Calculation results of BVSI using different PCC
由圖10知,通過節點4或22并網時,兩種方案下各母線BVSI指標值均非常接近,但前一種并網方案各母線BVSI均大于0,后一種并網方案BVSI值均小于0,且在數值上幾乎為前一種并網方案的2倍。這表明:風電在配電網絡前段靠近電源側或在網絡末端接入,相對于并網前,各母線電壓偏離程度基本一致;在靠近電源側并網時,即使風電機組運行功率因數滯后時,仍有提升電網電壓的可能;通過配電網末端并網時引起母線電壓偏離程度較其他并網方案大,表 3中系統電壓分布指數SVDI計算結果也表明了這一點。

表3 不同并網點SVDI計算結果Tab.3 Calculation results of SVDI using different PCC
由圖10中通過節點11并網時各母線BVSI指標值可知,在網絡中部并網時,引起電網各母線電壓偏度程度各不相同,表現為接入點附近母線所受影響較其他母線大。
5.4.2 不同尺度參數c的影響
對 5.1小節所述風電場接入情況,取形狀參數k=2,依次計算尺度參數c分別為5、8、12、15和20m/s時電網各母線級及系統級電壓波動指標。表4示出了系統級指標SVDI、SVSI、SVRI計算結果。

表4 不同尺度參數系統指標計算結果Tab.4 System indexes for different scale factors
比較計算結果可知:隨著尺度參數c增大,表征電壓波動范圍的系統級指標SVDI單調增大,系統電壓保持指數SVRI先減小后增加;而系統電壓偏度指數SVSI結果表明,隨尺度參數c增大,系統電壓總體上先上升,后降低,且降低程度呈強-弱-強的變化趨勢。
不同尺度參數下風速概率密度曲線如圖 11所示。

圖11 不同尺度參數c時風速概率密度Fig.11 Probability density function of wind speed for different scale factors
由圖11知,隨著c值增大,沿橫軸方向看,風速概率密度曲線峰值對應橫坐標值逐漸增大,趨近于尺度參數,風速變化范圍也逐漸增大,故系統SVDI指標值隨尺度參數c增大而增大;沿縱軸方向看,風速概率密度曲線逐漸變平緩,且曲線峰值逐漸下降,小于切入風速vci的風速出現概率逐步減小,當c增至一定時,大于切出風速vco的風速出現概率也開始由0逐步增大,故電網保持風電接入前電壓的概率先減小后增加,即電壓保持指數SVRI先減后增。
在配電網中接入風電場對電壓的影響考慮如下:一方面,有功的注入有利于提升電壓水平,另一方面,若風場消耗無功,則會降低系統電壓水平。故在風電場出力水平較低時,系統電壓呈上升趨勢,但風電出力增加到一定程度時,無功消耗的電壓降低作用強于有功的提升作用,系統電壓水平開始下降。在不同尺度參數下有效風速(vci≤v≤vco)出現概率呈如圖12所示規律變化,故電壓降低程度也相應表現為強-弱-強的非單調變化,從而,隨風電場尺度參數c逐步增大時,SVSI指標按表4所示規律變化。
由表 4中SVDI、SVSI、SVRI指標的計算結果及對應分析可知,所提三個指標變化趨勢無必然聯系,這是因為三個電壓波動評價指標分別從不同方面刻畫風電并網引起的電網電壓隨機波動。事實上,這也體現了所提評價指標不冗余的科學性。

圖12 不同尺度參數c時有效風速概率Fig.12 Probability of effective wind speed for different scale factors c
5.4.3 不同形狀參數k的影響
對 5.1小節所述風電場接入情況,取尺度參數c=12m/s,依次計算形狀參數k分別為1.8、2.0、2.2和2.4時電網各母線級及系統級電壓波動指標。表5示出了系統級指標SVDI、SVSI、SVRI計算結果。

表5 不同形狀參數系統指標計算結果Tab.5 System indexes for different shape factors
分析結果可知,隨著形狀參數k增大,系統SVDI、SVSI、SVRI指標基本不變,略呈下降趨勢。不同形狀參數k下風速概率密度曲線如圖13所示。

圖13 不同形狀參數k時風速概率密度Fig.13 Probability density function of wind speed for different shape factors k
由圖13中曲線變化趨勢可知,表5中計算結果符合實際,驗證了指標的準確性和有效性。
將本文所提指標應用于指導某地區電網風電并網點優化。此系統電源總裝機6 946.7MW,其中火電機組 6 800MW,地方小水電機組 146.7MW,均接入35kV及以下電網。電網最高負荷967MW,最低負荷390MW,220kV電網結構薄弱,呈單輻射鏈式結構,僅依靠2回220kV線路與省主網相連。網內僅有 220kV變電站,無 500kV變電站。據規劃2012年末有550MW風電容量集中并入電網,風場位置如圖14所示,現需對距離風電場分別為20km、17km、15km的三個220kV待選并網點NY、WN、SC的優劣進行綜合比較。

圖14 系統220kV接線圖Fig.14 220kV system connecting diagram
方案評價時,在本文所提三個評價指標的基礎上,再考慮并網后系統運行網損、并網線路建設成本,從系統網損率、線路投資、SVDI、SVSI、SVRI五個方面對并網方案進行綜合評價。在電網典型運行方式下,對3個備選方案的五個考核指標分別進行計算,結果見表6。

表6 不同方案各指標計算結果Tab.6 Calculation results of indexes for different schemes
由表 6知,以上綜合評價問題實質上是關于3個方案5個屬性的多屬性決策問題。此時可采用逼近理想方案的序數偏好方法(TOPSIS)[16]得到各方案的優劣排序。各屬性取不同權重時,方案優劣排序決策結果見表7。

表7 TOPSIS決策結果Tab.7 TOPSIS decision results
分析表7知,隨著對電壓波動考察比重的逐步增大,方案WN、NY排序逐步前移,方案SC雖然投資較省,但其逐步被排為劣方案。典型運行方式下,不同并網方案時母線DF電壓分布情況如圖15所示,分析可知通過WN并網引起的電壓波動較小,優于其他兩種方案;通過 SC并網時,電壓波動最大。這與表 7中各屬性取不同權重系數的 TOPSIS決策結果吻合。

圖15 不同并網方案母線DF電壓分布情況Fig.15 Voltage profile of bus DF using different PCC
以上實例應用表明,所提指標能較好地反映風電并網引起的母線電壓波動情況,可用于實際風電并網相關評價工作。事實上,所提指標還可用于指導風電并網方案改善、含風電場的電網網源協調規劃等相關決策工作。
本文從描述電壓隨機分布的特征出發,提出了風電并網引起電網電壓隨機波動的三個評價指標,并分別定義了對應的母線級和系統級指標,基于蒙特卡洛抽樣給出了相應評價流程,方法簡單可行。所提指標和方法具有一定實用性。算例測試結果表明,所提指標:電壓分布指數、電壓偏度指數、電壓保持指數,能夠較好地反映風電并網引起的電網電壓波動情況,包括整體和局部信息。指標影響因素分析結果表明,風場并網點、風場尺度參數對電網電壓波動影響較大,而風場形狀參數影響較小。
本文所提指標僅從描述電壓隨機分布特征出發,反映風電引起電網電壓波動信息是有限的,評價指標有待進一步擴充,以形成綜合評價體系。
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