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摘要：风电并入电网会对原系统产生重要影响，而潮流计算是对其影响进行量化分析的主要手段。在电力系统潮流计算中，根据各个节点的已知量的不同，将节点分成三类：PQ节点、PV节点、平衡节点。PQ节点为注入有功功率、无功功率已知的节点；PV节点为注入有功功率已知、电压幅值恒定的节点；平衡节点为电压幅值相位给定的节点。传统发电机节点在潮流计算中一般取为PQ节点、PV节点或平衡节点，而风电有特殊性，其节点的处理方法也与传统发电机节点有所不同。因此含风电场的电力系统潮流计算问题关键是如何正确处理风电场节点，不同类型的风力发电机组特性不同，其计算模型也理应不同。在潮流计算中处理风电场的问题其实本质是怎样处理不同类型的风电机组的问题。
关键词：异步发电机；双馈异步发电机；风电场；潮流计算；
为解决风电场节点模型不够完善的问题，在传统RX模型的基础上提出了改进RX模型。将异步风力发电机滑差修正量引入到雅克比矩阵中，使潮流计算的迭代过程仍然保持牛顿一拉夫逊法所具有的平方收敛性；同时，考虑了节点电压对异步风力发电机吸收无功功率的影响。
一、概述
风能是一种可再生的绿色能源，近年来能源结构的调整使分布式发电特别是风力发电所占的比例越来越高。由于风力所具有的间歇性和随机性的特点，使大规模风电在并网运行时给电网带来了一些不利影响，例如电压闪变、谐波污染等。因此，有必要对风电场节点模型进行深入研究。含风电场的电力系统潮流计算…的关键在于异步机模型的建立。在电力系统潮流计算中，传统节点主要分为PQ节点、Py节点及平衡节点。将风电场节点作为PQ节点，即根据给定风速和功率因数求得有功和无功功率，但是PQ节点不能从本质上反映风电的特点而限制了其应用。在计算潮流时考虑了节点电压对异步机吸收无功功率的影响，模型较为精确，但是没有考虑异步机的滑差的变化对有功输出的影响。提出了RX模型，模型考虑了风力机的输出特性，比其它模型完善，但在模型中有2个迭代过程：常规潮流迭代计算和异步机的滑差迭代计算，因此迭代次数增加，影响收敛速度。为此，提出在传统麟模型的基础上对其进行改进，以使之更为完善。改进的模型充分考虑了异步机的原动力和滑差之间的函数关系、无功一电压特性。
二、基于双馈异步发电机的风电场在电力系统潮流计算中的模型
变速恒频双馈风电机组具有高电能转换效率及快速、柔性的无功电压调节潜力，在风电场机组选型中被广泛采用。我国近几年大规模发展风电，规划和建设了许多由变速恒频双馈风电机组组成的大规模风电场。双馈异步发电机发出有功功率的大小主要取决于风速，而无功功率的大小取决于控制方式：恒功率因数控制或恒电压控制。潮流计算中，在不同的控制方式下，双馈异步发电机组成的风电场可分别视为PQ节点或PV节点，但由于其功率组成的复杂性，也不能简单处理。双馈异步发电机注入系统的有功功率由定子绕组发出的有功功率和转子绕组发出或消耗的有功功率两部分组成，其无功功率也是有两部分组成，一部分是发电机定子侧发出或吸收的无功功率，另一部分是变流器在电机定子侧整流器（逆变器）发出或吸收的无功功率。
1.恒功率因数运行方式。采用恒功率因数控制运行方式时，是通过调节转子绕组外接电源电压的幅值和相角，来控制发电机无功出力的，从而保持定子侧输出的功率因数为恒定值，这样在计算中需要对风电场节点进行相应处理才能视为PQ节点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆给出了双馈风电机组在潮流计算中的模型，在恒功率因数方式下，设定初始电压，利用单台发电机总的有功功率与定子有功功率的关系式求取定子发出的有功功率，进而由给定功率因数计算出无功功率，风电场节点作为PQ节点进行潮流计算，如此反复迭代，进行电压或功率的修正，最终完成潮流计算。该方法分两步迭代过程，迭代次数多，计算量较大。在目前常用的双馈异步发电机潮流计算模型的基础上，根据双馈电机有功特性，提出了双馈电机在恒功率因数运行方式下的两种简化潮流计算模型，其一是在计算转子侧有功时忽略定子、转子绕组损耗，另一简化模型则直接将双馈风电机组看成能处理成PQ节点的传统发电机参与潮流计算，这使得潮流计算过程大为简化。
2.恒电压运行方式。当采用恒电压运行方式时，风电场节点可当作PV节点进行潮流计算，但由于定子侧无功功率受到定子绕组、转子绕组和变流器最大电流的限制，此时需考虑到各种限制条件。双馈异步风力发电机恒电压运行方式很容易发生双馈发电机无功功率越极限。这是因为在含风电场系统中，风电场母线电压并非由风电场本身决定。如果强行要求风电场母线电压恒定，必然对双馈异步发电机无功出力（或吸收）提出过高要求，从而超出其运行极限，因此实际中双馈发电机一般以恒功率因数运行。
三、基于永磁直驱发电机的风电场在电力系统潮流计算中的模型
在众多风力发电技术中，永磁直驱风力发电机组以其较高的可靠性、功率密度等优势成为一个新的研究课题，关于永磁直驱风力发电机在电力系统潮流计算中的模型研究很少，但是对它的研究也逐步开展起来，风电场采用永磁直驱发电机组是一个必然趋势。与异步风力发电系统不同，永磁直驱同步发电系统在发出有功功率的同时并不需要从系统吸收无功功率。双馈异步风力发电系统是变速恒频风力发电系统，而永磁直驱发电系统采用的是永磁同步电机，其功率输出特性与双馈异步发电机也不同。因此，研究永磁直驱同步发电机组在潮流计算中的处理方法具有重要的现实意义。
1.恒电压控制方式。在这种运行方式下，永磁直驱同步发电机可以吸收或发出无功功率，以维持机端电压恒定。在风电机组无功调节范围之内，风电场可以视为PV节点。永磁同步发电机组的无功功率调节范围主要受变频器最大电流限制。在恒电压控制方式下，随着风电机组有功出力的增大，系统内节点电压随之降低；随着风电机组有功出力减小，风电场发出的无功功率在减小，导致系统部分节点电压下降。
2.恒功率因数控制方式。因为该类风电机组中发电机是由永磁体励磁，在发电机和整流器之间没有无功功率交换。通过控制电网侧逆变器的电流在d、q轴的分量来控制逆变器与电网之间有功功率P g和无功功率Q g来满足要求的功率因数。一般是利用机组的最大功率跟踪特性来决定有功功率参考值以保证机组在最优功率点运行。当采用恒功率因数控制时，若功率因数设定为cosΦ，则有Qg=PgtanΦ。在这种控制方式下，风电场可以视为PQ节点。在恒功率因数方式下，随着风电机组有功出力的增大，由于功率因数不变，风电场发出的无功功率随之增大，系统内各节点电压随之上升。对两种控制方式下的潮流计算结果进行分析不难发现，恒功率因数方式下的潮流计算结果更趋于合理。
为了掌握风机出力的随机变化对系统运行状况的影响，确定性潮流计算方法不仅计算量大，而且也很难反映全面的情况。而概率潮流计算能有效解决以上的问题。概率潮流方法，能反映电力系统中各种因素的随机变化对系统运行的影响，它可综合考虑电力系统网络拓扑结构、元件的参数等变量变化的不确定情况，同时也可以分析考虑由于风速的波动引起的风电出力的随机性，给出系统节点电压和支路潮流的概率统计特性。
参考文献：
[1]陈忠.浅谈电力系统潮流计算中风电场节点处理分析及研究.2017.
[2]张晓艳，探讨电力系统潮流计算中风电场节点处理分析.2017.
论文作者:张晓波
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：节点论文; 功率论文; 潮流论文; 功率因数论文; 永磁论文; 电压论文; 发电机论文; 《建筑模拟》2018年第29期论文;