基于ansys的風(fēng)電-水電互補網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析

基于ansys的風(fēng)電-水電互補網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析

1風(fēng)電容量與電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)系能源能源是最具潛力的綠色能源。由于風(fēng)能的隨機性和間歇性，風(fēng)電對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷擴大而增大。國內(nèi)外研究表明，為保證電能質(zhì)量，風(fēng)電穿越功率不宜過大因此電網(wǎng)中風(fēng)電容量與系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)系是目前國內(nèi)外研究的熱點。本項目以新疆布爾津電網(wǎng)為實例對風(fēng)電容量占電網(wǎng)總?cè)萘康淖罴驯壤M行了探討。2電、電、電、電補充系統(tǒng)的數(shù)學(xué)和模擬建模2.1風(fēng)力發(fā)電機組成布爾津電網(wǎng)是一個風(fēng)電-水電互補系統(tǒng)，由2臺2000kW和1臺2500kW的水力發(fā)電機及7臺150kW的風(fēng)力發(fā)電機組成。目前該電網(wǎng)風(fēng)電容量約為13.9%。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及簡化模型如圖1和圖2所示。2.2動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2中的1#～3#號水力發(fā)電機采用考慮qE′、dE′的六階同步發(fā)電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型并計及勵磁和調(diào)速系統(tǒng)的作用，4#～10#風(fēng)力發(fā)電機組采用下述數(shù)學(xué)模型（未考慮電容無功補償）。2.2.1風(fēng)角裝置的電阻滯態(tài)數(shù)學(xué)模型式中，下標(biāo)s和r分別表示發(fā)電機定子量和轉(zhuǎn)子量，下標(biāo)d和q表示發(fā)電機直軸分量和交軸分量。2.2.2風(fēng)能調(diào)機機的臨時數(shù)學(xué)模型式中，Me為電磁轉(zhuǎn)矩；ρ為空氣密度；ωm為同步電角速度；Tj為慣性時間常數(shù)；F為阻尼系統(tǒng)；MT為齒輪箱側(cè)轉(zhuǎn)矩。2.2.3風(fēng)力機機械系數(shù)cp式中，Mω為葉片側(cè)轉(zhuǎn)矩；Th輪轂慣性時間常數(shù)；CP為風(fēng)力機功率系數(shù)；R為葉片直徑；Vw為作用于風(fēng)力機風(fēng)速；λ為葉尖速率比；ΩN為風(fēng)力機額定機械角速度；PN為風(fēng)力機額定功率。2.3基于系統(tǒng)仿真模型的電網(wǎng)負荷優(yōu)化為了易于動態(tài)仿真，消去了布爾津?qū)嶋H電網(wǎng)中大部分的聯(lián)絡(luò)節(jié)點，并將消去的網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的損耗并入電網(wǎng)負荷，搭建的系統(tǒng)仿真模型包括3臺同步水力發(fā)電機組和7臺異步風(fēng)力發(fā)電機組。3系統(tǒng)運行仿真結(jié)果分析根據(jù)布爾津電網(wǎng)的實際運行情況，重點對系統(tǒng)運行時逐步投入7臺風(fēng)電機組與同時投入所有風(fēng)電機組進行了仿真，并將仿真結(jié)果與該電網(wǎng)的實測曲線進行了對比分析。3.1風(fēng)電-用電并網(wǎng)運行效果逐步投入風(fēng)電機組時同步發(fā)電機1#和3#之間的相對功角動態(tài)仿真曲線如圖3所示，在0～1.05s的動態(tài)仿真過程中，風(fēng)力發(fā)電機投入前后同步發(fā)電機相對功角變化最大值均小于180°，由動穩(wěn)判據(jù)可知逐步增大風(fēng)電容量，直到7臺風(fēng)電機組全部投入，該風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定。圖4為風(fēng)電-水電并網(wǎng)運行時的實測曲線，圖中Wz為水機有功功率，Ws為風(fēng)機有功功率，f0為系統(tǒng)頻率，Y0為水機調(diào)速器位移；Vw為風(fēng)速。實際運行曲線說明，風(fēng)電容量逐步增大，直至所有風(fēng)電機組投入運行，風(fēng)電、水電有功功率互補，系統(tǒng)頻率經(jīng)暫態(tài)波動后趨于額定頻率，由此推論風(fēng)電-水電互補系統(tǒng)穩(wěn)定，與仿真結(jié)果吻合。3.2實測結(jié)果分析風(fēng)電容量突增時系統(tǒng)頻率不能滿足實際電網(wǎng)應(yīng)用要求圖2電網(wǎng)運行時7臺風(fēng)電機組突然投入的仿真結(jié)果如圖5。由于電網(wǎng)有功功率突增，水電機組調(diào)速系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)能力有限，造成電網(wǎng)頻率不斷升高，與電網(wǎng)實測強擾動下頻率變化規(guī)律（圖6）相似。實測結(jié)果說明，風(fēng)電容量突增（7臺風(fēng)電機組同時投入），系統(tǒng)頻率在49～53Hz之間暫態(tài)波動，最后由風(fēng)機控制系統(tǒng)將7臺風(fēng)電機組全部切除，無法并網(wǎng)運行。由此可見大規(guī)模風(fēng)電機組并網(wǎng)時，頻率變化不可忽略，需要從頻率穩(wěn)定角度進行風(fēng)電穿越功率的研究。4基于遺產(chǎn)轉(zhuǎn)讓法的風(fēng)電容量優(yōu)化研究4.1求最優(yōu)解的一般過程遺傳算法在搜索過程中自動獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識，并自適應(yīng)地控制搜索過程以求得最優(yōu)解。遺傳算法從任意初始化的群體出發(fā)，通過隨機選擇（使群體中優(yōu)秀個體有機會傳給下一代）、雜交和變異等遺傳操作，使群體代代進化到搜索空間中越來越好的區(qū)域，直至抵達最優(yōu)解點。遺傳算法求解流程如圖7所示。4.2節(jié)點i水電場束條件最佳風(fēng)電容量的計算在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為有約束的非線性規(guī)劃問題，其數(shù)學(xué)模型如下：風(fēng)力發(fā)電機的總?cè)萘磕繕?biāo)函數(shù)系統(tǒng)節(jié)點功率約束條件式中，P、Q、U分別表示有功功率、無功功率及電壓。式（9）表示節(jié)點i水電機組輸入有功、風(fēng)電機組輸入有功、負荷需求功率及有功損耗之間的關(guān)系；式（10）表示節(jié)點i水電機組無功、風(fēng)電機組無功、負荷需求無功及無功損耗之間的關(guān)系。電壓約束條件頻率式約束條件優(yōu)化計算結(jié)束判據(jù)即當(dāng)同步發(fā)電機間的相對功角差δ超過了180°時，系統(tǒng)失穩(wěn)，優(yōu)化計算過程結(jié)束。4.3機組總?cè)萘康募s束式中，P、Q、U分別表示有功、無功及電壓；Sf風(fēng)電機組總?cè)萘?；w1、w2為等式約束的懲罰算子；r1、r2為不等式約束懲罰算子，w1、w2、r1、r2取值范圍為，i=1,2,…,nㄢ4.4模型的建立與仿真基于遺傳算法的風(fēng)電容量計算流程如圖8所示。具體計算步驟如下：(1）編碼產(chǎn)生初始種群：即采用風(fēng)電容量Sf、各節(jié)點電壓Ui、及系統(tǒng)頻率f作為控制變量，進行仿真產(chǎn)生N個個體構(gòu)成第一代母體。(2）利用功角判據(jù)對仿真結(jié)果進行分析：若相對功角小于180°，轉(zhuǎn)下一步，否則輸出最優(yōu)解，結(jié)束計算過程。(3）計算適值函數(shù)：根據(jù)概率選擇N個優(yōu)良個體進行下一代的操作。(4）進行雜交、變異操作：改變個體基因串，得到新的控制變量，繼續(xù)進行仿真重新產(chǎn)生新一代母體，返回第（2）步。利用遺傳算法對布爾津電網(wǎng)的風(fēng)電容量的優(yōu)化結(jié)果為：Pf=11498000，即當(dāng)風(fēng)電穿越功率為15.23%時，達到它的上限，該結(jié)果說明，電網(wǎng)的風(fēng)電容量仍有一定的上升空間。為驗證遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果，應(yīng)用布爾津風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型，在系統(tǒng)運行0.1s時，將風(fēng)電機組總?cè)萘吭黾拥?.1498MW，得到功角動態(tài)仿真曲線如圖9所示。曲線可標(biāo)明，系統(tǒng)運行到1.3s時，同步機之間的相對功角差超過了180°，風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定，與優(yōu)化結(jié)果吻合。5布爾津風(fēng)電容量運行情況及仿真分析本研究以新疆布爾津電力網(wǎng)絡(luò)為實例，建立風(fēng)電-水電互補系統(tǒng)仿真模塊，并對風(fēng)電容量漸增、突增兩種情況進行了動態(tài)仿真，應(yīng)用遺傳算法對系統(tǒng)風(fēng)電容量進行了優(yōu)化計算，得出如下結(jié)論：(1）目前布爾津風(fēng)電容量占系統(tǒng)總?cè)萘繉嶋H比例為13.9%，無論從動態(tài)仿真還是實測結(jié)果，在逐臺投入風(fēng)電機組情況下，風(fēng)電系統(tǒng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。在同時投入7臺風(fēng)電機組時，風(fēng)電系統(tǒng)頻率變化過大，風(fēng)電機組無法并網(wǎng)。在進行風(fēng)電穿越功率的研究時，需要計入頻率變化