應用MATLAB的風電場接入系統規劃設計

張 飛，孫曉輝，習 佳，郭子夢

(內蒙古科技大學 信息工程學院， 內蒙古 包頭 014010)

1 引言

現代工業的快速發展，傳統能源的消耗速度正在迅速增加，可再生能源尤其是風能的開發處于飛速發展的階段，截至2020年，我國已經成為全球第一個風電裝機容量超過200 GW的國家，目前我國已經規劃了多個巨型的風電基地。風電集中開發，遠距離高電壓的輸送是目前風電發展的一個趨勢。

風能具有間歇性和隨機性，這個特點導致了風電場的出力很難維持穩定，風電功率的波動性問題是影響風電基地穩定接入電網的重要原因。大型風電基地的地形復雜，面積可以達到數百甚至上千平方千米，龐大的面積和復雜的地形使得了風能的時空特性更加的明顯。風電場的規劃分為電源規劃和電網規劃兩部分，其中電源規劃是電力系統規劃設計的第一步，在風資源豐富的區域根據風能資源的時空特性確定了幾個風電場的位置后，再進行電網規劃。風電場接入電網一般采用就近接入的原則，接入點的位置相對比較單一。風電場接入后主要影響系統電壓的穩定性。

本文基于MATLAB的軟件平臺，在IEEE-57節點系統中進行試驗，選擇不同的接入點進行潮流計算，調整系統參數使得接入點電壓達到國家標準的要求。

2 電力系統潮流計算

電力系統潮流計算是研究電力系統穩定性的一種重要的計算方式，也是進行電力系統規劃和設計中不可缺少的一部分。潮流計算中需要網絡系統的具體連接結構，確定電力系統的運行狀態，并且計算出每個母線的電壓，系統的功率分布和損耗。目前國內常用的潮流仿真計算軟件有中國電科院的PSASP、美國Bonneville電力局的BPA、美國電科院的ETMSP等軟件。這些軟件功能強大同時價格昂貴，但是由于代碼不公開很難入手進行計算。基于MATLAB語言編寫的電力系統潮流計算和最優潮流計算軟件MATPOWER，其優點是代碼公開，附帶有比較成熟的算例，并且計算后每一個節點和每一點線路的參數展示的都非常的清楚。

采用MATLAB進行潮流計算的流程如圖1所示。

圖1 MATLAB潮流計算流程

首先讀取原始數據，確定節點類型和節點規模，形成導納矩陣；其次建立功率平衡方程；接下來形成并調整雅克比矩陣，最后循環迭代，求解修正方程輸出結果。

3 電力系統規劃

電力系統規劃的內容有兩部分：電源規劃、電網規劃。電源規劃是根據某一時期某一地區內電力負荷的需求大小，在滿足可靠性和穩定的前提下，進行電源的合理布局和建設。電網規劃是在電源規劃方案的前提下所進行的，根據某一時期內所預測的負荷需求大小進行電力網絡的布局，滿足地區負荷的增長需求。電源和電網的規劃需要協調進行，才能使該地區內電力系統安全穩定可靠的運行。當規劃的系統里面設計到風電場時，需要考慮到風電的隨機性和波動性的影響會對系統的運行和調度增大難度，并且風電的接入系統后會造成系統內電壓的波動。

電網規劃設計作為電網發展前期決策階段的一項重要工作，直接關系到電網的安全穩定運行水平，直接關系到電網的安全穩定運行水平，也關系到能源資源利用的經濟性和電網投資的合理性。電網規劃設計可分為長期，中期和近期3個階段。長期規劃是考慮到國家經濟布局和能源發展戰略，研究電網發展方向，側重考慮電網整體和長遠發展目標。中期規劃考慮外送風資源與負荷最優匹配。短期規劃考慮本地消納、就近接入和聯絡線波動最小。

電力系統規劃的約束條件主要有以下幾個：

(1)電力系統功率平衡約束：

(1)

式(1)中：Nt是在第t年電廠總數目，PGjt是在第t年電廠j的發電出力，PLDt是在第t年電力負荷需求。

(2) 電力系統電量平衡約束：

(2)

式(2)中：WGjt是電力系統第t年電廠j的發出的電量，WLDt是在第t年電力系統需要的負荷大小。

(3)電力系統出力約束：

PGjmin≤PGj≤PGJmax

(3)

4 接入風電場后系統的潮流計算

原始的IEEE-57節點的電力系統中裝有7臺常規能源的電力機組，帶有42個負載節點和80條輸電線路和支路(圖2)。系統最大負荷是1250 MW，整個網絡系統的總裝機容量為1975.88 MW。

圖2 原始的IEEE-57節點系統結構

有A、B兩個區域風能資源的時間序列呈現互補特性。在A、B兩地建立風電場，A風場容量為150 MW，B風場容量為100 MW,分別接入35、41節點中，接入點的選擇遠離負荷中心。風電場全部采用永磁同步風電機組，并且機組以功率因數為1 的恒功率因數狀態運行。選擇這兩個點接入系統的原因，是因為這兩個節點距離常規發電機組和用電負荷中心都比較遠，符合風電基地遠離負荷中心的情況。

對IEEE-57節點系統在MATLAB中進行潮流分析和計算得到圖3的結果圖。使用牛拉法進行計算的迭代次數為6次和迭代時間為0.04 s。在進行計算結束后也可以得到每一個母線的電壓標幺值，圖4位電壓幅值最高和最低的母線序號。對照國家規定的風電場接入后的電壓標準，修改風電場的接入位置和線路參數，便可以得到不同的風電場接入后的擴建方案。

圖3 采用牛拉法進行潮流計算結果

圖4 系統母線的電壓幅值

5 結語

采用MATPOWER軟件可以對風電場接入后的網絡進行潮流計算，在IEEE-57節點系統中接入兩個風電場后，修改系統中發電機和線路的參數，可以計算出每一條母線的電壓波動性情況。在實際進行風電場的規劃時，也可以在MATPOWER中輸入已有系統的母線數據和線路參數等，可以計算出風電場接入不同的位置時的潮流計算結果，為實際風電場規劃提供了一種計算方法。