考虑风力发电的综合负荷特性及其等效描述

第24卷第1期2012年2月电力系统及其自动化学报PROCEEDINGSOFTHECSUEPSAVO124NO1FEB2O12考虑风力发电的综合负荷特性及其等效描述毕正军，蒋子丹，李欣然，王玲，郝元钊湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082摘要大容量并网风力发电对电网影响日益明显，配网侧接人风力发电后负荷特性描述问题成为研究重点。在提出定量分析指标的基础上，以统计规律法为检验方法，分析不同运行方式风力发电对综合负荷特性的影响力，并验证异步电机并联静态负荷的广义负荷模型对含风力发电的负荷特性描述能力；指出风力发电对负荷特性的主要影响因素为接入容量与接入位置，并比较两种因素对负荷特性的影响力。关键词风力发电；负荷特性；定量分析；广义负荷模型中图分类号TM715文献标志码A文章编号1003893020120卜000806COMPOSITELOADCHARACTERISTICSANDITSEQUIVALENTDESCRIPTIONBASEDONTHEIMPACTOFWINDPOWERBIZHENGJUN，JIANGZIDAN，LIXINRAN，WANGLING，HAOYUANZHAOCOLLEGEOFELECTRICALANDINFORMATIONENGINEERING，HUNANUNIVERSITY，CHANGSHA410082，CHINAABSTRACTTHEINFLUENCEOFTHELARGESCALEWINDPOWERINTHEPOWERSYSTEMISINCREASINGLYOBVIOUSHOWTODESCRIBETHELOADCHARACTERISTICCONSIDERINGWINDPOWERBECOMESMOREIMPORTANTBASEDONTHEPROPOSEDQUANTITATIVEINDICATORSANDUSINGTHEGENERALTHEORYOFSTATISTICS，THISPAPERANALYZESTHEIMPACTOFDIFFERENTOPERATIONMODESOFWINDPOWERONTHECOMPREHENSIVELOADCHARACTERISTIC，ANDVERIFIESTHEDESCRIPTIVEABILITYOFGENERALIZEDCOMPOSITELOADMODELOFASYNCHRONOUSMACHINEINPARALLELWITHSTATICLOADONLOADCHARACTERISTICCONSIDERINGWINDPOWERGENERATIONTHATTHEMAININFLUENCEFACTORSOFLOADCHARACTERISTICARETHECAPACITYANDTHELOCATIONOFTHEWINDPOWERISPOINTEDOUT，ANDTHEIMPACTOFTHETWOFACTORSINLOADCHARACTERISTICARECOMPAREDKEYWORDSWINDPOWER；LOADCHARACTERISTIC；QUANTITATIVEANALYSIS；GENERALIZEDLOADMODELING负荷模型对于电力系统暂态稳定分析与控制的影响不容忽视，由于负荷自身的不确定性及其时变性，负荷建模问题仍然是国内、外电力系统公认的难题，建立准确的负荷模型十分困难1。文献24在模型结构完善上做了大量工作，其中配网综合负荷模型已经成为主流模型结构；文献5采用改进遗传算法做为模型辨识主算法，克服遗传算法易陷入局部收敛的缺点，增强辨识参数全局寻优能力；文献6分析反向传播BPBACKPROPAGATION神经网络算法在模型辨识存在的缺陷，采用具有内馈功能的动态ELMAN神经网络模型，其辨识模型具有较强的泛化能力；文献7，8针对模型参数辨识范围的选取及辨识策略的调整，较大地提高模型辨识效率及其描述能力。随着全球能源的枯竭及环境危机的日益严重，低碳经济与新能源开发成为重点，水能、风能等清洁能源发展迅速。大容量风电发电系统WGWINDPOWERGENERATION的并网运行，导致电网对风力发电的要求从电能质量发展到暂态稳定、调频调压等诸多问题。WG接入电网后区域负荷特性如何描述问题成为研究重点，文献ELO阐述了配网侧接人电源点后对负荷模型的影响，即当配网电源容量比例大于244后，利用感应电动机并联ZIP模型不能很好的描述其特性，并提出一种新的模型结收稿日期20110124；修回日期20110309基金项目国家自然科学基金资助项目50977023；湖南省自然科学基金重点资助项目10JJ2043第1期毕正军等考虑风力发电的综合负荷特性及其等效描述9构即异步电机并联ZIP模型，但未考虑接人电源类型的影响；文献11提出含风力发电的配电网侧综合负荷可以用异步电机并联静态负荷的广义综合负荷模型来等效描述，负荷动静比例系数K的取值应扩大为任意实数，通过三种典型的风力发电所占比例和负荷水平，验证广义综合负荷模型结构的有效性。本文基于MATLAB搭建的仿真系统和定量分析方法，提出相应的指标，分析不同运行方式下的风力发电对负荷特性的影响力，并比较两种负荷模型对含风力发电的综合负荷特性的描述能力，利用统计理论的双因素方差分析法及均值T检验法验证结论的正确性。1仿真系统仿真系统为IEEE一14节点配网系统，其结构图如图1所示。G1代表无穷大电源，网络总负荷为287J775MVA，A支路负荷为85J465MVA，B支路负荷为151J14MVA，C支路负荷为5117MVA。节点负荷为异步电动机并联静态负荷，比例为64。异步电动机采用3阶感应电动机模型_2，静态负荷采用恒阻抗模型1引。风机采用暂态稳定性最差的恒速异步风力发电机模型_】，其向系统输送有功同时吸收无功。为保证系统静态稳定性，每台风机出口并联一定容量电容器，剩下的无功缺额由系统补偿，保证每台风机在额定电压时功率因数均大于0981。节点6节点4节点13图1仿真系统FIG1SIMULATIONSYSTEM2分析方法负荷1负荷9负荷L021定量指标负荷特性即为不同时期电网等效负荷母线所呈现的电压、有功与无功变化。风力发电对负荷特性的主要影响因素为WG接入容量及位置，本文考虑不同容量、不同地理位置的影响，根据统计学相关理论原则，针对负荷特性的指标量，提出综合残差的概念。在相同电压激励下，WG接入后负荷母线有功及无功相对于未接WG时的偏差为综合残差，即一N1W1一丽PMKEZ一W是卜。ON1W1一丽QMK2N一1专W忌1一石万2N一1专0SILUI。01式中E为综合残差；【，志、P。志及Q愚分别为实测负荷母线电压、有功及无功；P忌、Q为等效负荷模型响应有功及无功；UO为零时刻实测负荷母线电压；N为有功及无功的数据点数；W忌为权重比例系数，不同时期权重比例不同，总体为1。根据综合残差的定义可知，综合残差越大，WG对负荷特性影响越明显。22负荷模型构建负荷模型采用配网集结等效的综合负荷模型结构，见图2。模型将配网用集总线路一变压器组集结等效，计及变压器有载调整分接头影响，静态负荷中考虑负荷暂态无功功率的补偿调整作用。配网综合负荷图2等效综合负荷模型FIG2MODELINGOFEQUIVALENTCOMPOSITELOAD未接WG时仿真系统分别设置1O、2O、3O、40、50的电压跌落，获取110KV等效负荷母线U、P、Q数据。基于实测数据并采用总体测辨法_2，辨识综合负荷模型独立参数向量一R。XRXRXTJABKKRXK，各参数意义与文献137保持一致，从而获得5组综合负荷模型参数，综合5组辨识模型获得未接风机下等效综合负荷模型M见图2。LO电力系统及其自动化学报第24卷3统计规律分析系统发生三相短路故障，B1节点电压降落2O左右，接入不同运行方式下WG，获110KV等效负荷母线数据U。忌、P。忌及Q志，将电压序列U。是及初始有功P。O及无功QO作为M1的输入，得各自电压激励下响应P忌、Q忌，计算不同运行方式风力发电下综合残差，见表1。表I不同运行方式风力发电下的综合残差TAB1INTEGRATEDRESIDUALOFWINDPOWERINTHEDIFFERENTOPERATIONMODESWG接人节点WG接人容量占总负荷容量比例02850880290746030468202892660306286WG的不同运行方式设置WG容量为总负荷容量的10、20、3O、4O、50、6O、7O、8O，将WG分别接到节点2、3、4、5、7。31影响因素检验根据统计学双因素方差分析法，假设H。A一A。一一A一0，A为容量增加后综合残差变化量；H。Z一一一0，为位置变化后综合残差变化量；H。Y172一一，R一0，7为容量与位置因素交互作用下综合残差量。H。成立等价于容量影响因素不明显，H。成立等价于位置影响因素不明显，H成立等价于容量与位置因素不存在交互作用或交互作用微小可忽略不计。结合表1不同运行方式下风力发电综合残差，得容量与位置双因素影响下方差分析，见表2。表2容量与位置双因素综合残差的方差分析TAB2VARIANCEANALYSISOFINTEGRATEDRESIDUALCONSIDERINGCAPACITYANDLOCATION根据显著性水平A一005下的F分布表知F。57，28一236FANB；F。4，28一2710。查均值T分布表有T。_O34一16909，而样本均值X一0205029，样本方差S一0016211，推出置信度水平为095的置信区间为。一。，02097；。存在交集为。0，02097，则假设H。成立，基于样本考虑的容量影响因素相关结论符合实际情况。33不同地理位置风力发电根据表1可知，固定容量因素比较地理位置对负荷特性的影响没有意义，某一容量下根据综合残差变化得出的地理位置影响结论，在另一容量下不一定成立。分析不同地理位置WG对负荷特性的影响，需消除容量因素的影响，本文提出容量影响因子概念，为单位容量变化时综合残差的变化，即FC一D一DC一2式中厂为容量影响因子；D、D分别为M、，Z容量比例下节点J综合残差；AC为对应容量差值。由表1可知，容量影响因子随容量增加呈非线性变化，节点所在支路无功比重越大，节点与等效负荷母线越近，影响因子越低。由于数据样本个数有限，精确求解厂C表达式十分困难，本文简化为计算平均容量影响因子。不同地理位置下综合残差见表3。8482790757355647O768466682222200OO06541885813940496407634557222220O0O08067539615971508313O9011412222O0OOO63570133652272O1479987878【III【00OO02669L4275953134984L4668781L【O0OOO3666961O75O73139284L11OO07【LII【00OO05970302846896683803398O880O1O0OOOOO第1期毕正军等考虑风力发电的综合负荷特性及其等效描述11消除容量因素影响后，考虑不同地理位置综合残差变化，WG接入节点所在支路有功负荷比重越大6支路口支路C支路，综合残差E越小，即对负荷特性影响越小；WG接入位置与等效负荷母线距离越远节点7距离节点5距离节点2距离，综合残差E越小，对负荷特性影响越小。表3容量影响因子及不同地理位置综合残差TAB3CAPACITYINFLUENCEFACTORSANDINTEGRATEDRESIDUALCONSIDERINGDIFFERENTPHYSICALLOCATIONS藿全ZSS，C00023910002523000255000025700002780E00698950063702007518700579370056060根据样本推出的不同地理位置WG对负荷特性的影响结论，对总体进行检验。现求证假设是否成立，。即为位置变化时综合残差变化量。根据位置因素对负荷特性影响的结论有。0。查均值T分布表可得T。5一20150，样本均值X一000844，样本方差S一0004258，推出置信度水平为095的置信区间为,UO一CXD，001194；存在1。交集为OEO，001194，则假设H。成立，基于样本考虑的位置因素影响结论符合实际情况。34容量影响因子均值简化检验根据不同地理位置下综合残差，可以得到不同容量影响的综合残差。理论结果应每行综合残差均相同，但由于容量影响因子采用均值简化处理及其他未考虑影响因素的影响，数据存在一定的偏差，以下统称为剩余残差量。剩余残差量的大小直接影响容量及位置影响结论的正确性，对剩余残差量的显著性进行深入分析十分必要。根据双因素方差分析法，假设剩余残差量对结论影响是可以忽略的，注意到比较对象为剩余残差因素对容量因素的影响能力，则其F值应修正为剩余残差均方值与容量因素均方值之比，计算出F一0032215。显著性水平A一005下F分布F。4，7一4120。查均值T分布表有T。39一16849，而样本均值X一02575，样本方差S一0066585，推出置信度水平为095的置信区间为。一。，02752；。存在交集为。0，02752，则假设H。成立，基于样本的负荷模型描述能力符合实际情况。5结语本文在定量分析基础上，提出相应的指标，分析不同运行方式下的风力发电对负荷特性的影响力，比较两种负荷模型对含风力发电的综合负荷特性的描述能力，并利用统计规律法验证结论的正确性。随WG接入容量增加，WG对负荷特性影响力递增；WG接人节点所在支路有功负荷比重越大、与等效负荷母线距离越远，对负荷特性影响力越小。WG接人容量比例不大于2O时，两种负荷模型均有良好的描述能力；WG接人容量比例大于2O时，广义综合负荷模型描述能力优于配网集结等效综合负荷模型，且WG接人容量比例越大优势越明显。参考文献1HERENMU，MAJIN，HILLDJCOMPOSITELOADMODELINGVIAMEASUREMENTAPPROACHJIEEETRANSONPOWERSYSTEMS，2006，212663672第1期毕正军等考虑风力发电的综合负荷特性及其等效描述13李欣然，贺仁睦，周文，等LIXINRAN，HERENMU，ZHOUWEN，舀A1综合负荷感应电动机模型的改进及其描述能力THEGENERALIZEDINDUCTIONMOTORMODELANDITSDESCRIPTIONABILITYTOSYNTHETICLOADSOFELECTRICPOWERSYSTEMEJ电力系统自动化AUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM，1999，2392327李欣然，钱军，王立德，等LIXINRAN，QIANJUN，WANGLIDE，DA1配电网集结等效的异步电动机综合负荷模型及其总体测辨建模SYNTHESISINDUCTIONMOTORMODELOFPOWERCOMPOSITELOADCONSIDERINGDISTRIBUTIONNETWORKSTRUCTUREEJ电工技术学报TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICA1SOCIETY，2009，244175一L85鞠平，何孝军，黄丽，等JUPING，HEXIAOJUN，HUANGLI，ETA1广义电力负荷的模型结构与参数确定MODELSTRUCTURESANDPARAMETERESTIMATIONOFGENERALIZEDLOADSJ电力系统自动化AUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM，2006，30231113，32金群，李欣然，刘艳阳，等JINQUN，LIXINRAN，LIUYANYANG，ETA1一种改进遗传算法及其在负荷建模中的应用ANIMPROVEDGENETICALGORITHMANDITSAPPLICATIONTOLOADMODELINGJ电力系统及其自动化学报PROCEEDINGSOFTHECSUEPSA，2006，1823540王立德，李欣然，李培强，等WANGLIDE，LIXINRAN，LIPEIQIANG，A1基于人工神经网络的综合负荷模型COMPOSITIVELOADMODELBASEDONARTIFICIALNEURALNETWORKIJ电网技术POWERSYSTEMTECHNOLOGY，2008，32165965李村晓，李欣然，陈辉华，等LICUNXIAO，LIXINRAN，CHENHUIHUA，ETA1基于单点最优辨识的综合负荷广义感应电动机模型GENERALIZEDINDUCTIONMOTORMODELOFSYNTHETICLOADBASEDONSIMPLEPOINTOPTIMUMIDENTIFICATIONEJ电力系统自动化AUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM，2007，31134246陈谦，孙建波，蔡敏，等CHENQIAN，SUNJIANBO，CAIMIN，舀A1考虑配电网络综合负荷模型的参数确定PARAMETERSDETERMINATIONOFSYNTHESISLOADMODELCONSIDERINGDISTRIBUTIONNETWORKCONNECTIONLJ中国电机工程学报PROCEEDINGOFTHECSEE，2008，281645509L,LO11E1231,131,1415雷亚洲，GORDONLIGHTBODYLEIYAZHOU，GORDONLIGHTBODY国外风力发电导则及动态模型简介ANINTRODUCTIONONWINDPOWERGRIDCODEANDDYNAMICSIMULATIONJ电网技术POWERSYSTEMTECHNOLOGY，2005，25122732王吉利，贺仁睦，马进WANGJITI，HERENMU，MAJIN配网侧接入电源对负荷建模的影响IMPACTOFCONNECTINGPOWERSOURCESONLOADMODELINGINADISTRIBUTIONNETWORKEJ电力系统自动化AUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM，2007，312O2226，40李欣然，惠金华，钱军，等LIXINRAN，HUIJINHUA，QIANJUN，ETA1风力发电对