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基于直流概率潮流的风电穿透功率极限计算张文婷;范立新【摘要】风力发电已经成为清洁能源中发展最快的一种发电方式,确定风电穿透功率极限对风电并网的规划和运行有着重要作用.文中提出了基于直流概率潮流的风电穿透功率极限计算方法,计算中通过直流概率潮流计算,综合考虑风电场出力、发电机出力、节点负荷等因素的随机性,得到含有风电场的电力系统中线路有功潮流的概率分布,然后利用随机规划理论和改进的遗传算法求解风电穿透功率极限.最后以IEEE30系统为算例,验证计算方法的有效性.【期刊名称】《江苏电机工程》【年(卷),期】2014(033)004【总页数】4页(P1-4)【关键词】直流概率潮流;风电穿透功率极限;机会约束规划;改进遗传算法【作者】张文婷;范立新【作者单位】东南大学电气工程学院,江苏南京210096;江苏方天电力技术有限公司,江苏南京211102【正文语种】中文【中图分类】TM711近年来，随着国家对风能等清洁能源的高度重视，风力发电市场不断扩大，风电装机容量大幅增加。
风电的波动特性是影响电力系统对其接纳能力的最大因素[1]。
为了能在保证系统安全运行的情况下尽可能地利用风能，则必须求解出风电场能够接入某一电力系统的最大容量。
风电穿透功率极限是指系统能够接受的最大风电场装机容量占系统最大负荷的百分比[2]。
由于风电场的接入对电力系统会产生多种影响，所以风电穿透功率极限的求解没有统一的办法。
在求解风电穿透功率极限的过程中，需要获取系统中的线路潮流分布情况。
由于在系统规划设计阶段，原始数据并不很精确且规划方案众多，对于计算速度的要求比精确度更高，因此产生的直流潮流可以在合理的误差内大大提高计算速度。
概率潮流计算方法可计及电力系统运行的各种扰动和随机因素，快速得到支路潮流的概率描述。
在其几种主要的求解方法中，蒙特卡罗随机模拟法算法简单，但是运算量大，耗时较长，文献[3]指出传统的蒙特卡洛模拟忽略了系统的稳态运行。
4 风电场穿透功率极限计算4.1 简述近年来，随着我国风力发电事业的不断发展，新建风电场的规模越来越大。
大型风电场并网运行，将会对系统的稳定性和可靠性造成一定的影响，且风电场容量越大，对系统的影响也越大。
为了确保系统的正常运行，有必要对系统中风电场的容量作一定的限制。
从上一章的分析可知，随着风电在系统中的比例越来越高，风电场并网运行会带来许多问题，其中包括系统节点电压、系统频率的波动和偏差，还有系统安全稳定性受到的影响。
对于风电比率较高的电网，为了保障系统的安全运行，系统必须要有充足的备用，这必将会降低系统的经济性。
风能是一种可再生能源，为了能在保障系统经济安全运行的前提下，尽可能地利用风能，必须求解在满足一定的稳定约束条件下电力系统所能接受的风电场最大容量，风电场的穿透功率极限。
风电场穿透功率极限是指，系统在正常运行的前提下所能接受的风电场最大装机容量与系统最大负荷容量的比值[29，30]。
系统的风电场穿透功率极限计算一直是人们非常关心的课题。
以往的研究表明，影响风电场穿透功率极限的因素很多，这些因素包括系统运行的稳定性、经济性和可靠性的约束，此外还有系统的运行方式、系统的旋转备用、风能资源及风电场分布、常规机组出力限制等。
由于风电场穿透功率极限计算牵涉的因素较多，目前尚没有一个统一适用的算法和公式。
比较常用的一种方法是，应用动态仿真，检验系统在几种典型的运行方式下，在某种风电比率下，系统的安全稳定性，进而求得系统可以接受的最大风电装机容量，算出风电场穿透功率极限。
本章将采用电力系统分析综合程序（PSASP）对风电系统进行动态仿真，按照系统允许的稳定运行指标，以IEEE（NEW ENGLAND）39节点为例，计算风电场穿透功率极限。
通过选取不同的风电场接入系统节点，比较分析计算结果。
4.2 风电场穿透功率极限定义在风力发电场并网运行后，由于风电功率的注入，系统中常规发电机组的出力将会产生变化，由于风电功率是一种不断变化的量，系统中的常规发电机组必须随着风电功率的变化而不断地进行调节和补偿，使系统维持在一定的平衡状态。
风电场穿透功率极限计算方法及发展Ca lcu la ti o n M e tho d o f the W ind Pow e r Pe ne tra ti o n L im ito f W ind Fa rm and Its D e ve l o pm e n t吴 颖1 赵 岩2 蒋传文1 李伯颐1(上海交通大学电气工程系1,上海 200030;上海市电力公司电力交易中心2,上海 200122)摘 要:简要介绍了国内外风电的应用背景和使用概况以及风力发电的一些基本概念。
论述了风电入网后对系统的各种影响,同时引入了风电场穿透功率极限的概念。
以风电入网后系统安全稳定为准则,详细介绍了基于电力系统暂态稳定分析的时域仿真法、基于机会约束的智能优化算法、基于随机规划的混合智能算法等三种计算穿透功率极限的方法。
关键词:风力发电 时域仿真法 机会约束规划 随机规划 智能优化中图分类号:T M315;TK3 文献标志码:AAbstract:Both the app lication backgr ound and the usage situation of wind power generation in domestic and overseas are intr oduced concisely,foll owed by s ome elementary concep ts res pect with wind power generati on .Various influence p r oduced by wind power composing int o power grid is discussed and the concep tion of the li m it of wind penetration power is also p resented .W ith the criteria of keep ing security and stability of the grid,three methods,i .e .,the ti m e domain si mulati on based on analysis of power system transient stability;the intelligent op ti m izati on algo 2rithm based on chance 2constrained;and hybrid intelligent algorithm based on random p lanning,which are used to calculate wind power penetra 2ti on li m it are exp lained in detail .Keywords:W ind energy generati on Ti m e domain si m ulati on Chance 2constrained p lanning Random p lanning I ntelligent op ti m izati on 国家八六三高技术项目资助(编号:2007AA05Z458)。
风电场穿透功率极限计算方法研究随着可再生能源的发展，风电场日益重要，但是如何有效控制风电场穿透功率极限变得尤为重要。
为此，本文重点研究了风电场穿透功率极限的计算方法。
一、本原理1、风电场穿透功率极限的计算方法以及前提条件风电场的穿透功率极限计算方法的基本原理主要依赖于一下两个参数。
首先，风电场的风机装机容量，用来衡量风电场的风电功率，其容量计算公式为：有功功率＝风机装机容量×风速3/2。
此外，考虑到风电场穿透功率极限对系统和网络发电质量有影响，还需要考虑到系统损耗，用η表示，其容量计算公式为：η×风机容量。
2、风电场穿透功率极限计算方法基于以上两个参数，风电场穿透功率极限的计算公式可以表示为：Pth=×风机容量× [1-(Vcut-Vwind) / (Vrated-Vwind)]^2中，Pth为风电场穿透功率极限，η表示系统损耗，Vcut为过静止风速，Vwind为风机投入运行风速，Vrated为风机额定风速。
二、用当风机投入运行时，由于风速会经过不同的变化，风电场穿透功率极限也会随之发生变化。
因此，采用上述计算方法可以有效控制风电场穿透功率极限。
控制穿透功率极限的具体步骤如下：1、根据风电场风机的容量，确定风电场穿透功率极限的额定值。
2、根据实时风机风速和穿透功率极限的额定值，用风电场穿透功率极限计算方法计算穿透功率极限，并进行实时调整。
3、根据穿透功率极限，对风电场发电效率进行调整，以保证发电质量。
三、论综上所述，风电场穿透功率极限的计算方法是风电场控制发电质量的有效手段。
基于此，需要更多的研究来提高计算方法的准确性和有效性，以满足不断发展的可再生能源技术的要求。
基于机会约束规划的汇流风电场穿透功率极限计算高正平;赵宏大;王哲;戴琦;陈永祥【摘要】大规模的风力发电并网给电网的运行与稳定带来了一系列的问题,研究风力发电的穿透功率极限对于风力发电并网的规划以及运行有着重要意义.基于随机规划理论,利用拉丁超立方采样(latin hypercube sampling,LHS)处理汇流风电场的相关性风速数据,提出了汇流风电场穿透功率极限计算方法,计算中考虑了在同一汇流点不同风电场的风速随机性和相关性,计算得到含有汇流风电场发电系统的线路潮流,进一步基于机会约束规划,利用改进的粒子群算法计算得到汇流风电场的穿透功率极限.在IEEE30系统算例上验证了计算方法的有效性,并简要分析了风力发电位于不同接入点对穿透功率极限的影响.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2016(032)005【总页数】7页(P128-133,141)【关键词】汇流风电场;穿透功率极限;机会约束规划;拉丁超立方采样;改进粒子群算法【作者】高正平;赵宏大;王哲;戴琦;陈永祥【作者单位】国网江苏省电力公司电力经济技术研究院,江苏南京210009;国网江苏省电力公司电力经济技术研究院,江苏南京210009;国网江苏省电力公司电力经济技术研究院,江苏南京210009;国网江苏省电力公司电力经济技术研究院,江苏南京210009;河海大学能源与电气学院,江苏南京211100【正文语种】中文【中图分类】TM715面对日益严重的能源危机和环境恶化等问题，如何开发并利用新能源成为各国面临的新课题。
目前，风力发电技术作为最为成熟的可再生能源发电方式，正处于快速发展的时期并已经得到大范围的商业化应用，而大型风电场发电并网已经成为风电并网的主要模式[1]。
根据对江苏省沿海风电场分布情况的分析知，目前风电分布呈现出大规模汇流接入、风带内多个风电场输出功率之间存在互补效应等新特点。
另外，风能本身具有随机性与间歇性，大规模风电场接入电网之后，必然会对电力系统的运行提出新的要求。
2008年 第5期 商品储运与养护第30卷 总第167期 STORACE TRANSPORTATION & PRESERVATION OF COMMODITIES【收稿日期】2008-03-17【作者简介】廖俊龙，福建电力培训中心。
·设备与设施·风电穿透功率极限的计算与分析□ 廖俊龙（福建电力培训中心，福建 福州 350009）【摘 要】建立了异步发电机的稳态数学模型，表明风电穿透功率极限是系统的网络结构、风电并网节点位置、负荷水平、机组的最小出力限制、系统对电压水平的要求、风电场无功补偿容量等因素综合作用的结果，制约系统风电穿透功率水平的主要原因是风电功率注入引起的节点电压越限。
【关键词】风电穿透功率极限；异步发电机；潮流计算【中图分类号】 ○212 【文献标识码】 B 【文章编号】 1007-4538（2008）05-0104-02Calculation and analysis on the Wind power penetration limit□ LIAO Jun-long (Fujian electric power training center,Fuzhou 350009,China)【Abstract】This paper establish a steady-state asynchronous generators mathematical model,showed that wind power is the ultimate power through the network structure, wind power and network node location, load level, the smallest unit of output restrictions, the voltage level of system requirements , Wind farm capacity of reactive power compensation factors such as the result of restricting power system wind power penetration level of wind power is the main cause of the node into the voltage limit.【Key words】wind power penetration limit; asynchronous generator; flow calculation风电穿透功率是指系统中风电场装机容量占系统总负荷的比例。
2002年8月Power System Technology Aug. 2002 文章编号：1000-3673（2002）08-0008-04基于电力系统暂态稳定分析的风电场 穿透功率极限计算 申洪，梁军，戴慧珠(中国电力科学研究院，北京 100085)CALCULATION OF WIND FARM PENETRATION BASED ON POWER SYSTEMTRANSIENT STABILITY ANALYSISSHEN Hong, LIANG Jun, DAI Hui-Zhu(China Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China)ABSTRACT: An approach to calculate the penetration of wind farm based on transient stability analysis is presented. The mathematical model of wind turbine applied in the calculation takes account of characteristics of the blades, hub, gearbox, shaft and asynchronous generator. Using this approach, a practical power system with wind farm is analyzed, the main factors influencing the interconnection of wind farm with this power system are found and the penetration of this power system is calculated.KEY WORDS: wind farm；stability；penetration摘要：提出了基于电力系统暂态稳定性分析的风电场穿透功率极限计算方法。
第32卷第10期电网技术V ol. 32 No.10 2008年5月Power System Technology May 2008文章编号：1000-3673（2008）10-0050-04 中图分类号：TM614 文献标识码：A 学科代码：470·40风电场穿透功率极限计算方法综述廖 萍，李兴源（四川大学电气信息学院，四川省成都市 610065）A Survey on Calculation Methods of Wind Power Penetration LimitLIAO Ping，LI Xing-yuan（School of Electrical Engineering & Information，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan Province，China）ABSTRACT: In this paper, present situation of wind power generation is introduced briefly, and the significance of determining wind power penetration limit of wind farm is pointed out. The approaches to calculate wind power penetration limit such as traditional digital simulation, the optimization algorithm with constraints and frequency constraint method, are separately discoursed upon; the advantages and disadvantages of above-mentioned approaches are analyzed. It is proposed that in order to offer thinking for calculation of wind power penetration limit, researches on randomness of wind power, system frequency stability, the value of wind power and the comprehensive application of above-mentioned approaches should be carried out.KEY WORDS: wind power generation；wind power penetration limit；digital simulation；optimization algorithm摘要：简要介绍了风力发电的现状，指出了确定风电场穿透功率极限的重要性，分别论述了求取风电场穿透功率极限的传统数字仿真法、带约束的优化算法以及频率约束法，并讨论分析了上述方法的优缺点，提出今后可在风电随机性、系统频率稳定、风电价值及上述方法的综合应用等方面展开研究，以期为深入研究风电场穿透功率极限计算提供一些思路。
关键词：风力发电；风电穿透极限；数字仿真；优化算法0引言风能是一种可再生无污染的绿色能源，风力发电技术正随着人们对能源和环境问题的关注而得到迅速发展[1]。
许多国家都制定了关于可再生能源的未来发展战略，风力发电由于技术成熟和利用效率高而受到较高的重视[2-5]。
随着风力发电技术的快速发展和国家在政策上对可再生能源发电的重视，基金项目：国家自然科学基金资助项目(50577044)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC)(50577044)．我国风力发电建设也进入了一个快速发展的时期[6]。
然而，风能资源丰富的地区人口稀少，负荷量小，电网结构相对薄弱，风电场的出力又是随机变化的，无法人为控制[7]，因此风电功率的注入改变了电网的潮流分布，对局部电网的稳定运行影响很大[8]。
随着世界上风力发电项目数量的增加和规模的扩大，风电规划中的问题已明显地暴露出来[9]。
大型风电场并网运行对电力系统的影响越来越明显，大规模的风电并网运行对系统供电质量和可靠性的影响也受到更多地关注。
因此，确定一个风电场的穿透功率极限及其影响因素成为规划设计风电场时迫切需要解决的问题[10]。
由于风电场对系统的影响涉及到了许多方面，分析计算十分复杂，因此至今尚没有统一的求解风电场穿透极限功率的方法。
数值仿真方法是在计算机上对风电并网系统可能出现的多种工况进行模拟[11]，通过比较各组数据确定穿透功率极限。
带约束的优化方法则是利用优化算法对整个问题进行数学化的求解，最终得到一个确定的值，其不足在于约束条件和优化算法将影响结果的精确性。
本文通过综述国内外在风电场穿透功率极限领域的研究现况，归纳出该领域的3类主要方法，以期为深入研究风电场穿透功率极限计算提供一些思路。
1风电场穿透功率极限的基本概念关于风电场穿透功率极限的定义有多种形式。
1998年的国际大电网会上J. F. Christensen等人提出的风电场穿透功率极限指系统所能接受的风电场最大容量和系统最大负荷的比值[12]。
R. A. Schlueter 等人将风电场穿透功率极限定义为系统所能接受的风电场最大容量与系统容量的比值[12]。
考虑到我国的实际情况，将风电场穿透功率极限定义为系统第32卷第10期电网技术 51能够接受的最大风电场装机容量占系统最大负荷的百分比。
风电场并网容量的增加会使系统电压和频率产生偏差、电压发生波动和闪变、电压稳定性受到影响等，且系统为减小风电场发电间歇性对系统的影响必须增加旋转备用容量，因此会使系统可靠性和经济性下降。
综上可知，计算风电场穿透功率极限非常重要，但由于涉及的因素较多，范围较广，至今还没有统一的算法和公式[12]。
2 数字仿真法自风电问题出现以来，研究人员大多采用数字仿真的方法模拟风电场并网以后对系统电能质量和安全性的影响，综合考虑运行方式、扰动方式以及稳定判据等因素，间接地确定系统风电场准入功率的水平。
文献[11]采用数字仿真方法模拟了风电并网系统可能出现的多种工况，指出系统负荷水平、日运行计划、机组最小出力限制、系统对电压水平的要求等因素都可能限制一个系统可能接受的风电容量。
文献[13]提出一种针对中小网络的数字仿真方法，分析了风电接入电力系统造成的电压波动对有功和无功潮流的影响，指出系统所能接受的风电容量与系统负荷和网络结构密切相关。
文献[8]从电力联营体和配电公司的角度对较大比例的风电接入孤立系统和互联系统后造成的影响进行了分析，指出系统对电压水平的要求、系统的发输电和配电规划以及运行方案等都会影响到风电的准入功率水平。
考虑到我国薄弱的电网结构，由于风电场的地理位置一般远离负荷中心，在计算风电场穿透功率极限时，必须考虑到风电场的暂态稳定性。
为此文献[14]提出了一种基于电力系统暂态稳定分析的风电场穿透功率极限的计算方法。
该文采用中国电力科学研究院的电力系统分析综合程序PSASP，应用程序中的用户接口建立风力发电机组的动态数学模型，对风电场并网运行进行动态仿真。
计算中的风电场数学模型考虑了风电机组的叶片、轮毂、齿轮箱和连轴器以及异步发电机的特性。
实例计算结果表明，影响电力系统风电并网容量的主要因素是频率波动。
这种方法的不足之处在于它要受计算量的限制，无法全面考虑系统各种运行方式和风况条件。
文献[15]采用一种准稳态的计算方法，在建立风电场的等效模型的基础上，通过不断增加风电场的输出功率来进行仿真，并对影响风电场最大安装容量的各种因素进行分析，指出风电场稳态运行的功率极限取决于电网的电气结构、所选风机的类型以及无功补偿的状况。
文献[16]采用动态仿真法，从动态稳定性方面提出了计算风场最大安装容量的方法。
数字仿真法物理概念清晰，只要建立的模型正确就可考虑多种因素的影响及各种因素间的相互影响。
但这是一种验证性的计算方法，要确定一个给定系统的最大装机容量还需进行大量的仿真计算[17-18]。
3 带约束的优化方法3.1 概述21世纪后有学者利用较成熟的优化算法[19-23]对风电场穿透功率极限问题进行求解，并取得了较好的效果。
在仿真求取风电场穿透功率极限时，上述优化算法通常先假设一个风电场容量值，再利用优化方法对风电场的容量进行修正。
通过不断地仿真、分析和修正，直到求得该种运行方式下满足约束的风电场最大容量。
根据不同运行方式下求得的各自对应的风电场最大容量值，取其中最小的容量值并根据定义计算风电场穿透功率极限。
3.2数学模型如果把系统可接受的风电功率(容量)最大化作为目标，把系统可以人为改变和调节的物理量(如可调发电机组的出力、无功补偿装置的无功功率和带负荷调压变压器的变比)作为控制变量，把节点电压幅值和相角等可以经由控制变量计算出来的物理量作为状态变量，把系统的潮流方程作为等式约束，把系统对电能质量的要求、安全指标以及稳定水平作为不等式约束，则穿透功率极限在数学意义上的实质就是最优化(最大化)问题[18]，即Tmax f=c ys.t. (,,)g=0u x y(1)(,,)h≤0u x y式中：u和x分别为常规电力系统分析中的控制变量和状态变量；y为由风电场有功功率(在确定性变量形式下等同于风电场的装机容量)和无功功率组成的列向量，既不能列入控制变量，也不属于状态变量，所以单独列出；c为与y同维的系数向量，其对应于风电场有功功率位置上的元素为1，其它元素为0；上标T表示矩阵(或向量)的转置。
下面给出式(1)中需要考虑的等式及不等式约束条件的具体形式。
等式约束g(u, x, y)=0主要指电力系统的潮流方程，这是优化过程中需要保证的最基本条件。
不等式约束h(u, x, y)≤0涵盖的内容很多，主要分为3个方52 廖萍等：风电场穿透功率极限计算方法综述V ol. 32 No.10面：①控制变量的取值范围，实质上是控制设备的调节能力和控制手段可以达到的程度；②系统安全及电能质量要求；③系统稳定性要求。
根据实际问题的侧重点，一般选取其中一项或几项作为不等式约束条件，并与上述等式约束和目标函数一起形成优化模型。
3.3优化方法的应用文献[19]把风电场穿透功率极限问题归结为在系统静态安全约束下的风力发电功率最大化问题，在确定系统风电准入功率极限的同时，文献[19]还给出了电力系统内其它常规机组的最优运行调度方案，并利用内点法中的仿射尺度法来求解所提出的优化模型。
