應(yīng)用MATLAB的風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

張 飛，孫曉輝，習(xí) 佳，郭子夢(mèng)

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源的消耗速度正在迅速增加，可再生能源尤其是風(fēng)能的開發(fā)處于飛速發(fā)展的階段，截至2020年，我國(guó)已經(jīng)成為全球第一個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量超過200 GW的國(guó)家，目前我國(guó)已經(jīng)規(guī)劃了多個(gè)巨型的風(fēng)電基地。風(fēng)電集中開發(fā)，遠(yuǎn)距離高電壓的輸送是目前風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

風(fēng)能具有間歇性和隨機(jī)性，這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致了風(fēng)電場(chǎng)的出力很難維持穩(wěn)定，風(fēng)電功率的波動(dòng)性問題是影響風(fēng)電基地穩(wěn)定接入電網(wǎng)的重要原因。大型風(fēng)電基地的地形復(fù)雜，面積可以達(dá)到數(shù)百甚至上千平方千米，龐大的面積和復(fù)雜的地形使得了風(fēng)能的時(shí)空特性更加的明顯。風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃分為電源規(guī)劃和電網(wǎng)規(guī)劃兩部分，其中電源規(guī)劃是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的第一步，在風(fēng)資源豐富的區(qū)域根據(jù)風(fēng)能資源的時(shí)空特性確定了幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的位置后，再進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃。風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)一般采用就近接入的原則，接入點(diǎn)的位置相對(duì)比較單一。風(fēng)電場(chǎng)接入后主要影響系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

本文基于MATLAB的軟件平臺(tái)，在IEEE-57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)，選擇不同的接入點(diǎn)進(jìn)行潮流計(jì)算，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)使得接入點(diǎn)電壓達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 電力系統(tǒng)潮流計(jì)算

電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種重要的計(jì)算方式，也是進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分。潮流計(jì)算中需要網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的具體連接結(jié)構(gòu)，確定電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并且計(jì)算出每個(gè)母線的電壓，系統(tǒng)的功率分布和損耗。目前國(guó)內(nèi)常用的潮流仿真計(jì)算軟件有中國(guó)電科院的PSASP、美國(guó)Bonneville電力局的BPA、美國(guó)電科院的ETMSP等軟件。這些軟件功能強(qiáng)大同時(shí)價(jià)格昂貴，但是由于代碼不公開很難入手進(jìn)行計(jì)算?；贛ATLAB語言編寫的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算和最優(yōu)潮流計(jì)算軟件MATPOWER，其優(yōu)點(diǎn)是代碼公開，附帶有比較成熟的算例，并且計(jì)算后每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和每一點(diǎn)線路的參數(shù)展示的都非常的清楚。

采用MATLAB進(jìn)行潮流計(jì)算的流程如圖1所示。

圖1 MATLAB潮流計(jì)算流程

首先讀取原始數(shù)據(jù)，確定節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)規(guī)模，形成導(dǎo)納矩陣；其次建立功率平衡方程；接下來形成并調(diào)整雅克比矩陣，最后循環(huán)迭代，求解修正方程輸出結(jié)果。

3 電力系統(tǒng)規(guī)劃

電力系統(tǒng)規(guī)劃的內(nèi)容有兩部分：電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃。電源規(guī)劃是根據(jù)某一時(shí)期某一地區(qū)內(nèi)電力負(fù)荷的需求大小，在滿足可靠性和穩(wěn)定的前提下，進(jìn)行電源的合理布局和建設(shè)。電網(wǎng)規(guī)劃是在電源規(guī)劃方案的前提下所進(jìn)行的，根據(jù)某一時(shí)期內(nèi)所預(yù)測(cè)的負(fù)荷需求大小進(jìn)行電力網(wǎng)絡(luò)的布局，滿足地區(qū)負(fù)荷的增長(zhǎng)需求。電源和電網(wǎng)的規(guī)劃需要協(xié)調(diào)進(jìn)行，才能使該地區(qū)內(nèi)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。當(dāng)規(guī)劃的系統(tǒng)里面設(shè)計(jì)到風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，需要考慮到風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性的影響會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)度增大難度，并且風(fēng)電的接入系統(tǒng)后會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)電壓的波動(dòng)。

電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)作為電網(wǎng)發(fā)展前期決策階段的一項(xiàng)重要工作，直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，也關(guān)系到能源資源利用的經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)投資的合理性。電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)可分為長(zhǎng)期，中期和近期3個(gè)階段。長(zhǎng)期規(guī)劃是考慮到國(guó)家經(jīng)濟(jì)布局和能源發(fā)展戰(zhàn)略，研究電網(wǎng)發(fā)展方向，側(cè)重考慮電網(wǎng)整體和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。中期規(guī)劃考慮外送風(fēng)資源與負(fù)荷最優(yōu)匹配。短期規(guī)劃考慮本地消納、就近接入和聯(lián)絡(luò)線波動(dòng)最小。

電力系統(tǒng)規(guī)劃的約束條件主要有以下幾個(gè)：

(1)電力系統(tǒng)功率平衡約束：

(1)

式(1)中：Nt是在第t年電廠總數(shù)目，PGjt是在第t年電廠j的發(fā)電出力，PLDt是在第t年電力負(fù)荷需求。

(2) 電力系統(tǒng)電量平衡約束：

(2)

式(2)中：WGjt是電力系統(tǒng)第t年電廠j的發(fā)出的電量，WLDt是在第t年電力系統(tǒng)需要的負(fù)荷大小。

(3)電力系統(tǒng)出力約束：

PGjmin≤PGj≤PGJmax

(3)

4 接入風(fēng)電場(chǎng)后系統(tǒng)的潮流計(jì)算

原始的IEEE-57節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)中裝有7臺(tái)常規(guī)能源的電力機(jī)組，帶有42個(gè)負(fù)載節(jié)點(diǎn)和80條輸電線路和支路(圖2)。系統(tǒng)最大負(fù)荷是1250 MW，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為1975.88 MW。

圖2 原始的IEEE-57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有A、B兩個(gè)區(qū)域風(fēng)能資源的時(shí)間序列呈現(xiàn)互補(bǔ)特性。在A、B兩地建立風(fēng)電場(chǎng)，A風(fēng)場(chǎng)容量為150 MW，B風(fēng)場(chǎng)容量為100 MW,分別接入35、41節(jié)點(diǎn)中，接入點(diǎn)的選擇遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。風(fēng)電場(chǎng)全部采用永磁同步風(fēng)電機(jī)組，并且機(jī)組以功率因數(shù)為1 的恒功率因數(shù)狀態(tài)運(yùn)行。選擇這兩個(gè)點(diǎn)接入系統(tǒng)的原因，是因?yàn)檫@兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離常規(guī)發(fā)電機(jī)組和用電負(fù)荷中心都比較遠(yuǎn)，符合風(fēng)電基地遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的情況。

對(duì)IEEE-57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在MATLAB中進(jìn)行潮流分析和計(jì)算得到圖3的結(jié)果圖。使用牛拉法進(jìn)行計(jì)算的迭代次數(shù)為6次和迭代時(shí)間為0.04 s。在進(jìn)行計(jì)算結(jié)束后也可以得到每一個(gè)母線的電壓標(biāo)幺值，圖4位電壓幅值最高和最低的母線序號(hào)。對(duì)照國(guó)家規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)接入后的電壓標(biāo)準(zhǔn)，修改風(fēng)電場(chǎng)的接入位置和線路參數(shù)，便可以得到不同的風(fēng)電場(chǎng)接入后的擴(kuò)建方案。

圖3 采用牛拉法進(jìn)行潮流計(jì)算結(jié)果

圖4 系統(tǒng)母線的電壓幅值

5 結(jié)語

采用MATPOWER軟件可以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算，在IEEE-57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中接入兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)后，修改系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和線路的參數(shù)，可以計(jì)算出每一條母線的電壓波動(dòng)性情況。在實(shí)際進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃時(shí)，也可以在MATPOWER中輸入已有系統(tǒng)的母線數(shù)據(jù)和線路參數(shù)等，可以計(jì)算出風(fēng)電場(chǎng)接入不同的位置時(shí)的潮流計(jì)算結(jié)果，為實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃提供了一種計(jì)算方法。