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含风电场电力系统的潮流计算方法综述

【摘 要】含风电场电力系统的潮流计算对分析风电场并网后对电力系统稳定运行的影响具有十分重要的意义。本文在介绍在风电场潮流计算模型的基础上，分析和总结了目前含风电场电力系统的确定性潮流计算方法和不确定性潮流计算方法的研究现状和特点。

【关键词】风电场；电力系统；确定性潮流；不确定性潮流

0.引言

随着能源结构的调整，风力发电的比重日益加大，我国政府一直积极支持风力发电的发展，制定了一系列鼓励风力发电的政策，支持风力发电的快速发展，使得风力发电的成本已大幅下降，成为了可再生能源中发展速度最快和最有前途的发电方式之一[1]。但风能所具有的随机性和不可控性决定了风电机组的出力具有波动性和间歇性的特点。与传统发电方式相比，风电场容量可信度较低，随着风电场规模的不断扩大和风力发电装置容量的显著增加，风电并网后对原有电力系统的影响也加大了，因此对其的研究也更加迫切。当风电机组装机容量在电网总容量的比例较大时，风力发电将改变输电系统中的网损及其原有的潮流分布，输电网运行的安全性将受到较大的挑战，其运行的经济性也可能受到一定的影响[2-5]。因此，为了研究风电机组接入电网以后对整个电力系统的影响，就必须对风电并网前后的系统潮流分布进行计算。

目前，对风电场潮流计算的研究已经具有一定的基础，风电场潮流计算主要包括含普通异步电机的风电场潮流计算和含双馈异步电机的风电场潮流计算[6]。从上世纪80年代起，随着并网风电场的出现，人们就开始关注含风电场电力系统的潮流计算问题。在电力系统潮流计算中，传统节点主要分为PV节点、PQ节点和平衡节点。一般异步电机本身没有励磁调节装置，不能有效地调整节点电压，因此不能与常规的同步电机一样看作电压幅值恒定的PV节点。异步电机向系统注入有功功率时也要从系统吸收一定的无功功率，吸收无功大小与发电机发出的有功功率、滑差率和机端电压等有着紧密的联系，因此不能简单的处理为恒功率的PQ节点[7]。

含风电场电力系统潮流计算的关键在于如何根据风力机的特性建立一个能对风电机组的输出特性进行准确描述的风电场模型，为了研究风电并网后对系统的影响，必须建立适当的风电场模型[8-10]；但迄今为止，仍没有一个公认的风电场模型。在当前的研究中，大多是根据不同的研究目的而采取不同的风电场等值模型，比较详细的风电场模型用于研究其内部的动态特性，而简化模型则常用于风电场和电网间相互作用的研究[11]。含风电场潮流计算问题的核心是如何处理风电场节点，不同型号的风电机组的特性不同，它们的计算模型也不同，因此处理方法也不相同。在潮流计算中，处理风电场问题的本质是怎样处理不同类型的风电机组的问题[12]。

研究系统稳态潮流计算时，通常把风电机组当作PQ节点，通过给定风速和功率因数，计算风电机组的功率，这些潮流算法多属于确定性潮流算法，没有计及不确定性因素的影响；而风力发电所具有的随机性、间歇性以及难以调度的缺点给含风电场电力系统的潮流计算带来了很大的不确定性。近年来，不确定性分析已经应用在电力系统许多领域，如可靠性计算、稳定性分析、潮流计算、网络规划等；但在电力系统潮流计算中不确定性问题的处理始终还是比较困难的[13]。

目前，根据不同的应用目的以及所需解决问题的侧重点划分，含风电场电力系统的潮流计算主要有确定性潮流算法和不确定性潮流算法两大类。本文在介绍不同风电机组发电机种类和分析潮流计算中节点处理方法的基础上，归纳总结了含风电场电力系统的确定性潮流算法和不确定性潮流算法及其特点。

1.风力发电机的种类

风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程。发电机在风力发电系统转换电能的过程中起着十分重要的作用，因此对风电机组的建模是必不可少的。在风力发电系统中，常采用的风力发电机有：感应异步发电机、变速恒频双馈异步发电机和永磁直驱同步发电机。但异步电机是目前应用最为广泛的，同步电机在风力发电中也有着普遍的应用。随着风电机组装机容量不断扩大，同步电机的应用将更加广泛[14]。

在我国，应用最早和范围也最广的是异步电机，因此关于它的研究较多。现有的风电场潮流计算模型中的大多是针对异步电机建立的，异步电机输出的有功功率与风速大小有关，消耗的无功功率取决于并网电压和滑差率。因此，风电场中的节点电压和无功功率都是待求量，风电场所在节点不能简单处理为PV节点或PQ节点。根据这一特点其潮流模型可划分为RX模型和PQ模型[15]；变速恒频双馈异步电机具备较高的无功电压调节潜力，它的电能转换效率也相对较高，其有功功率主要取决于风速的大小，而其无功功率则取决于它的控制方式（恒电压控制和恒功率因数控制）[16]。在不同控制方式下，可以分别把潮流计算中的双馈异步电机组成的风电机组当作PV节点和PQ节点，但由于其功率的组成比较复杂，故不可随意处理。双馈异步电机注入系统的有功功率由定子绕组产生的有功功率与转子绕组产生的有功功率组成；其无功功率则是由变流器在发电机定子侧产生的无功功率与发电机定子侧产生的无功功率组成[17]；在众多风力发电技术中，永磁直驱风电机组具有高效率、运行可靠、维护量小、对电网的冲击小、风速适应范围广、有功和无功功率调节灵活等突出优点。随着相关技术的发展逐渐成熟，其性能不断提高的，成本也有所下降，使得直驱永磁同步风力发电系统从众多风力发电系统中脱颖而出，得到了工程界和学术界的热切关注[18]。

2.含风电场电力系统的确定性潮流算法

确定性潮流算法，是在传统电力系统潮流算法（如牛顿-拉夫逊法、高斯-赛德尔法等）的基础上，加入了风电机组迭代的过程。在确定性潮流算法中，假定风速的大小给定，通过风电机组的风速功率曲线得到风电场的出力，而不同的潮

流算法是根据潮流计算中对无功功率不同的处理方式来分类的[19]。确定性潮流算法的计算模型通俗易懂，能灵活地根据不同类型的风电机组建立相应的潮流计算模型。含风电场电力系统的确定性潮流计算可分为基于风电机组简化等值电路的PQ简化模型潮流计算、基于风电机组简化等值电路的PQ迭代模型潮流计算、基于异步电机简化等值电路的RX迭代模型潮流计算、含风电场电力系统潮流计算的联合迭代法等四种计算方法。