含大型风电场的电力系统潮流优化研究-张林浩.pdf

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1、 硕士学位论文 含大型风电场的电力系统潮流优化研究 Research on Power Flow Optimization of Power System Integrated with Large-scale Wind Farms 张林浩 2014 年 3 月 国内图书分类号： TM74 学校代码： 10079 国际图书分类号： 621.3 密级： 公开 硕士学位论文 含大型风电场的电力系统潮流优化研究 硕士研究生 ： 张林浩 导 师 ： 徐玉琴 教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 电 气工程 专业 ： 电力系统及其自动化 所在学院 ： 电气与电子工程学院 答 辩 日 期 ： 2014

2、年 3 月 授予学位单位 ： 华北电力大学 Classified Index: TM74 U.D.C: 621.3 Thesis for the Master Degree Research on Power Flow Optimization of Power System Integrated with Large-scale Wind Farms Candidate： Zhang Linhao Supervisor： Prof. Xu Yuqin School： School of Electrical and Electronic Engineering Date of Defence

3、： March, 2014 Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power University 华北电力大学 硕 士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的 硕 士学位论文 含大型风电场的电力系统潮流优化研究 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读 硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学 硕 士学位

4、论文使用授权书 含大型风电场的电力系统潮流优化研究 系本人在华北电力大学攻读 硕 士学位期间在导师指导下完成的 硕 士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“”）： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学

5、位论文摘要 I 摘 要 鉴于风电的随机性与相关性等不确定性因素，如何在保证安全和可靠供电的前提下更加合理地利用风能，是一个亟待解决且十分必要的问题。电力系统的最优潮流为上述问题提供了有效的解决途径。针对有大型风电场接入的电力系 统的潮流优化问题，研究与探讨了风电场分组等值建模、具有相关性的风电场风速建模、含风电场电力系统的最优潮流模型与计算，提出了新的建模算法，为含风电场电力系统的潮流优化研究提供了新的思路。 考虑风电场内机组间尾流的相互影响，提出了一种计及尾流效应的风电场等值建模方法。该方法定义了“尾流影响因子”以表征机组间尾流影响的程度，并以此作为风电场内风电机组的分组 依据。对风电机组进

6、行分组及合并等值后，得到风电场的多机等值模型。 算例结果显示，与传统等值方法相比，该模型更加准确地体现了风电场的功率输出特性。 针对风电场间风速 具有相关性的特点，提出了基于 Copula 函数的相关性风速建模方法。 该方法利用 Copula 函数构建多风电场间风速的联合概率分布，进而生成具有相关性的风速分布样本空间，根据风电机组的出力特性可得到各风电场出力。算例表明，模型有效地描述了风电场间具有相关性的风速，得到的多元风速样本可用于含风电场集群的电力系统的潮流优化分析。 传统的最优潮流模型与算法多以确定性模型作为前提，然而风电的接入为电力系统带来了不确定性因素。考虑到这一问题，介绍了基于机会

7、约束规划的最优潮流模型，并利用基于随机模拟技术的粒子群优化算法作为求 解方法。 风电场的接入势必对电力系统的可用输电能力（ ATC）产生影响，在上述模型的基础上，建立了基于最优潮流的含风电场电力系统的 ATC 计算模型，并对模型进行了求解。 IEEE 30 节点和 IEEE 118 节点测试系统算例表明，风速的 随机性和 相关性、风电场所在的节点位置、机会约束规划的置信水平等因素都对系统的可用输电能力有一定影响，为含风电场电力系统的规划与运行提供了参考和依据。 关键词： 风电场，风速相关性，最优潮流，粒子群优化，可用输电能力 华北电力大学硕士学位论文摘要 II Abstract Conside

8、ring the uncertainties of wind power such as randomness and correlations, it is necessary and urgent to consider about how to use wind energy rationally and ensure the safety and reliability of the power supply. Optimal power flow(OPF) of power system provides an effective way to resolve this proble

9、m. In this thesis the following issues related with the OPF problem of power system containing large-scale wind farms are researched. The issues are grouping equivalent model of wind farm, modeling of correlated wind speed among wind farms, optimal power flow model and calculation of power system co

10、ntaining wind farms. This thesis provides new modeling methods and algorithm, which provides a new thought for the studies of OPF problem of power system containing wind farms. As to the influence of wake turbulence among wind turbines in a wind farm, a new equivalent modeling method considering wak

11、e effects is proposed. This method defines the wake effect factor to show how one wind turbine is affected by the others, in addition, this factor can be used as a grouping rule of wind turbines. After grouping the wind turbines and aggregating the same group, a wind farm model which is represented

12、by few turbines is obtained. Comparing with the traditional equivalence model, the simulation results show that the equivalent model based on the proposed method more accurately describes the power output of wind farms. Considering the correlations of wind speed in wind farms, a modeling method of c

13、orrelated wind speed based on Copula function is proposed. The modeling method uses Copula function to characterize the joint probability distribution of wind speed and to generate correlated wind speed samples. Each wind farms output can be obtained according to the wind turbine output characterist

14、ics. The result shows that the model effectively describes the correlated wind speed among wind farms. The multi-speed samples obtained can be used to analyze the OPF problem of power system contained wind farm group. Traditional OPF model and algorithm mostly based on certainty principle, while win

15、d power brought uncertainty to power system. Considering the above-mentioned problem, an optimal power flow model based on the theory of chance constrained programming is proposed. To solve the proposed model, a particle swarm optimization 华北电力大学硕士学位论文摘要 III algorithm(PSO) based on stochastic simula

16、tion technique is given. Wind farms access will inevitably have impact on the power system available transfer capability(ATC). Based on the above model, an ATC calculation model in wind power system based on optimal power flow is obtained. This model is solved by the proposed algorithm. Taking IEEE

17、30-bus system and IEEE 118-bus system as examples, the influence of issues on the results of ATC calculation is analyzed. The issues are wind speed randomness and correlations, the sites of wind farms and the chance constraint credit level. The analysis provides reference and basis for the planning

18、and operation of power system contained wind farms. Keywords: wind farm, wind speed correlation, optimal power flow(OPF), particle swarm optimization(PSO), available transfer capability(ATC)华北电力大学硕士学位论文目录 i 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究背景与意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 风电场等值建模研究现状 .

19、 2 1.2.2 风电场风速及出力建模研究现状 . 3 1.2.3 电力系统潮流优化问题研究现状 . 4 1.3 本文的主要研究工作 . 6 第 2 章 大型风电场等值建模 . 8 2.1 引言 . 8 2.2 风电机组分组方法 . 8 2.2.1 尾流效应二维模型 . 8 2.2.2 考虑尾流效应的风电机组分组指标 . 9 2.2.3 计算流程 . 11 2.3 风电场等值模型与等值机组参数计算 . 12 2.3.1 等值风电机组参数计算 . 12 2.3.2 等值风速计算 . 13 2.3.3 集电系统等值计算 . 14 2.4 大型风电场等值建模算例分析 . 15 2.4.1 算例一 .

20、 15 2.4.2 算例二 . 17 2.5 本章小结 . 18 第 3 章 基于 Copula 函数的风电场相关风速建模 . 19 3.1 引言 . 19 3.2 随机风速模型与风机出力模型 . 19 3.2.1 随机风速模型 . 19 3.2.2 风机出力模型 . 20 3.3 Copula 理论 . 21 3.3.1 Copula 函数的概念 . 21 3.3.2 Copula 函数的分类 . 22 3.4 多元相关风速的模型与生成 . 24 3.4.1 Copula 函数的选取 . 24 华北电力大学硕士学位论文目录 ii 3.4.2 多元风速联合概率分布 . 25 3.4.3 生成相

21、关风速及风电场出力的算法流程 . 25 3.5 算例分析 . 26 3.5.1 随机风速模型算例 . 26 3.5.2 多元相关风速模型算例 . 27 3.6 本章小结 . 29 第 4 章 含风电场电 力系统的最优潮流模型与算法 . 30 4.1 引言 . 30 4.2 计算系统区域间可用输电能力的最优潮流模型 . 30 4.2.1 机会约 束规划理论 . 31 4.2.2 目标函数 . 31 4.2.3 约束条件 . 32 4.3 基于随机模拟技术和粒子群算法的最优潮流计算 . 33 4.3.1 随机模拟技术原理 . 33 4.3.2 粒子群优化算法原理 . 34 4.3.3 基于随机模拟

22、技术的粒子群优化算法 . 35 4.4 算例分析 . 37 4.5 本章小结 . 40 第 5 章 结论与展望 . 41 5.1 结论 . 41 5.2 展望 . 42 参 考 文 献 . 43 在学期间发表的学术论文 . 46 致 谢 . 47 华 北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题 研究背景 与 意义 新能源发电具有环境友好、一次能源消耗少的特点，对于能源危机与环境污染这两大全球性问题有着至关重要的缓解和改善作用，因此 在 世界范围内 都得到了 广泛 的 重视。近年来风力发电成为了新能源发电中技术最成熟、发展速度最快、前景最为 广阔且最具商业价值的发电方式。 发展

23、风电产业 成为许多国家用以 调整能源结构、减少环境污染的重要措施。 风电是在许多因素的推动下而快速发展的，除了其几乎不消耗一次能源的优点外，还包括保障能源安全、不受燃料价格波动的影响、促进区域经济发展、减缓气候变化、减少环境污染等因素。据全球风能协会（ GWEC）的统计数据显示， 2012年全球风电市场的增幅超过 10%，新增风电容量达到 45GW，至 2012 年底全球风电总装机容量达到 282.5GW。图 1-1 显示了 2002 年至 2012 年这十年间的全球风电装机情况。从图中可见，不论是 新增装机容量还是累积装机容量都呈现出逐年递增的趋势，其中累积装机容量的年平均增长率达到了 22%。 以上数据都说明全球 范围内的风电产业得到了快速且稳步的发展。 0500001000001500002000002500003000002002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012累 积 装 机新 增 装 机装机容量（MW）图 1-1 近十年 全球 风电装机容量的发展 趋势 2012 年底我国风电装机容量达到 75324MW，占全球总装机的 26.7%，位居世界第一。风电在我国电源总装机容量的占比达到了 5.47%，成为了除火电与水电外的第三大电力来源。统计数据表明，我国风电装机容量在经历了 2006 年