应用MATLAB的风电场接入系统规划设计

张 飞，孙晓辉，习 佳，郭子梦

(内蒙古科技大学 信息工程学院， 内蒙古 包头 014010)

1 引言

现代工业的快速发展，传统能源的消耗速度正在迅速增加，可再生能源尤其是风能的开发处于飞速发展的阶段，截至2020年，我国已经成为全球第一个风电装机容量超过200 GW的国家，目前我国已经规划了多个巨型的风电基地。风电集中开发，远距离高电压的输送是目前风电发展的一个趋势。

风能具有间歇性和随机性，这个特点导致了风电场的出力很难维持稳定，风电功率的波动性问题是影响风电基地稳定接入电网的重要原因。大型风电基地的地形复杂，面积可以达到数百甚至上千平方千米，庞大的面积和复杂的地形使得了风能的时空特性更加的明显。风电场的规划分为电源规划和电网规划两部分，其中电源规划是电力系统规划设计的第一步，在风资源丰富的区域根据风能资源的时空特性确定了几个风电场的位置后，再进行电网规划。风电场接入电网一般采用就近接入的原则，接入点的位置相对比较单一。风电场接入后主要影响系统电压的稳定性。

本文基于MATLAB的软件平台，在IEEE-57节点系统中进行试验，选择不同的接入点进行潮流计算，调整系统参数使得接入点电压达到国家标准的要求。

2 电力系统潮流计算

电力系统潮流计算是研究电力系统稳定性的一种重要的计算方式，也是进行电力系统规划和设计中不可缺少的一部分。潮流计算中需要网络系统的具体连接结构，确定电力系统的运行状态，并且计算出每个母线的电压，系统的功率分布和损耗。目前国内常用的潮流仿真计算软件有中国电科院的PSASP、美国Bonneville电力局的BPA、美国电科院的ETMSP等软件。这些软件功能强大同时价格昂贵，但是由于代码不公开很难入手进行计算。基于MATLAB语言编写的电力系统潮流计算和最优潮流计算软件MATPOWER，其优点是代码公开，附带有比较成熟的算例，并且计算后每一个节点和每一点线路的参数展示的都非常的清楚。

采用MATLAB进行潮流计算的流程如图1所示。

图1 MATLAB潮流计算流程

首先读取原始数据，确定节点类型和节点规模，形成导纳矩阵；其次建立功率平衡方程；接下来形成并调整雅克比矩阵，最后循环迭代，求解修正方程输出结果。

3 电力系统规划

电力系统规划的内容有两部分：电源规划、电网规划。电源规划是根据某一时期某一地区内电力负荷的需求大小，在满足可靠性和稳定的前提下，进行电源的合理布局和建设。电网规划是在电源规划方案的前提下所进行的，根据某一时期内所预测的负荷需求大小进行电力网络的布局，满足地区负荷的增长需求。电源和电网的规划需要协调进行，才能使该地区内电力系统安全稳定可靠的运行。当规划的系统里面设计到风电场时，需要考虑到风电的随机性和波动性的影响会对系统的运行和调度增大难度，并且风电的接入系统后会造成系统内电压的波动。

电网规划设计作为电网发展前期决策阶段的一项重要工作，直接关系到电网的安全稳定运行水平，直接关系到电网的安全稳定运行水平，也关系到能源资源利用的经济性和电网投资的合理性。电网规划设计可分为长期，中期和近期3个阶段。长期规划是考虑到国家经济布局和能源发展战略，研究电网发展方向，侧重考虑电网整体和长远发展目标。中期规划考虑外送风资源与负荷最优匹配。短期规划考虑本地消纳、就近接入和联络线波动最小。

电力系统规划的约束条件主要有以下几个：

(1)电力系统功率平衡约束：

(1)

式(1)中：Nt是在第t年电厂总数目，PGjt是在第t年电厂j的发电出力，PLDt是在第t年电力负荷需求。

(2) 电力系统电量平衡约束：

(2)

式(2)中：WGjt是电力系统第t年电厂j的发出的电量，WLDt是在第t年电力系统需要的负荷大小。

(3)电力系统出力约束：

PGjmin≤PGj≤PGJmax

(3)

4 接入风电场后系统的潮流计算

原始的IEEE-57节点的电力系统中装有7台常规能源的电力机组，带有42个负载节点和80条输电线路和支路(图2)。系统最大负荷是1250 MW，整个网络系统的总装机容量为1975.88 MW。

图2 原始的IEEE-57节点系统结构

有A、B两个区域风能资源的时间序列呈现互补特性。在A、B两地建立风电场，A风场容量为150 MW，B风场容量为100 MW,分别接入35、41节点中，接入点的选择远离负荷中心。风电场全部采用永磁同步风电机组，并且机组以功率因数为1 的恒功率因数状态运行。选择这两个点接入系统的原因，是因为这两个节点距离常规发电机组和用电负荷中心都比较远，符合风电基地远离负荷中心的情况。

对IEEE-57节点系统在MATLAB中进行潮流分析和计算得到图3的结果图。使用牛拉法进行计算的迭代次数为6次和迭代时间为0.04 s。在进行计算结束后也可以得到每一个母线的电压标幺值，图4位电压幅值最高和最低的母线序号。对照国家规定的风电场接入后的电压标准，修改风电场的接入位置和线路参数，便可以得到不同的风电场接入后的扩建方案。

图3 采用牛拉法进行潮流计算结果

图4 系统母线的电压幅值

5 结语

采用MATPOWER软件可以对风电场接入后的网络进行潮流计算，在IEEE-57节点系统中接入两个风电场后，修改系统中发电机和线路的参数，可以计算出每一条母线的电压波动性情况。在实际进行风电场的规划时，也可以在MATPOWER中输入已有系统的母线数据和线路参数等，可以计算出风电场接入不同的位置时的潮流计算结果，为实际风电场规划提供了一种计算方法。