基于malab優(yōu)化建議的風(fēng)電-水電網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化配置研究

由于風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性，隨著風(fēng)速規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)速對電網(wǎng)的穩(wěn)定性沒有影響。國內(nèi)外研究表明,風(fēng)電裝機(jī)容量占所投入電網(wǎng)的容量比例不超過10%時,風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響不大。項目選用Matlab優(yōu)化工具箱和遺傳算法對風(fēng)電容量在整個電力系統(tǒng)中所占比例上限是多少,才不會導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)崩潰這個最優(yōu)化問題進(jìn)行了研究:對風(fēng)電系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置建立了相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件,應(yīng)用Matlab7.0.4所帶的優(yōu)化工具箱(OptimizationToolbox)和遺傳算法這2種途徑實現(xiàn)了風(fēng)電系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置計算分析,旨在尋求一種確定電網(wǎng)臨界穩(wěn)定的風(fēng)電容量的分析法。1風(fēng)電容量pf和pg對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響以新疆布爾津風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)作為研究對象,在整個電力網(wǎng)絡(luò)動態(tài)穩(wěn)定的前提下,研究其中風(fēng)力發(fā)電容量占整個電力系統(tǒng)容量的比例上限。布爾津電網(wǎng)的總負(fù)荷(不計損耗)為7.55MW,其中有7臺風(fēng)力異步發(fā)電機(jī),3臺水力同步發(fā)電機(jī)。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)總?cè)萘繛樽兞?設(shè)為Pf(MW),則水力發(fā)電機(jī)總?cè)萘繛镻g=7.55-Pf(MW)。研究的目的是在保證電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定前提下,風(fēng)電容量占整個電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤畲?即Pf最大。同步發(fā)電機(jī)之間的功角差最大值不超過180°,是電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的前提,若設(shè)同步發(fā)電機(jī)之間功角差為δ,則δ是Pf和Pg的函數(shù)。其中3臺同步發(fā)電機(jī)的功角差中,由于2臺水力發(fā)電機(jī)容量相等,在出口并聯(lián)經(jīng)升壓變供電,所以這2臺發(fā)電機(jī)之間的功角差始終為零,因此第3臺同步發(fā)電機(jī)與這2臺發(fā)電機(jī)之間的功角差變化曲線即可反映該電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。隨著風(fēng)電容量Pf和水電容量Pg變化,風(fēng)電網(wǎng)有功出力、有功負(fù)荷功率、功角差δ也在變化,因此必須進(jìn)行風(fēng)電網(wǎng)潮流計算,進(jìn)而進(jìn)行電網(wǎng)的約束條件下的動穩(wěn)計算,然后根據(jù)動穩(wěn)判據(jù)決定優(yōu)化計算是否繼續(xù)。為了優(yōu)化結(jié)果更接近實際,在等式約束條件中計及網(wǎng)損,由此推得動態(tài)穩(wěn)定前提下布爾津風(fēng)電場最大風(fēng)電容量優(yōu)化問題的優(yōu)化模型為變量:風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總?cè)萘縋f目標(biāo)函數(shù):等式約束條件:不等式約束條件:優(yōu)化計算結(jié)束判據(jù):2優(yōu)化問題的提出分析上述所建的優(yōu)化模型可知:風(fēng)電系統(tǒng)的約束條件是非線性的,其風(fēng)電容量的優(yōu)化配置屬于非線性規(guī)劃問題,應(yīng)選用約束最優(yōu)化問題的工具箱函數(shù)fmincon。2.1修正約束函數(shù)由于Matlab優(yōu)化工具箱中的優(yōu)化函數(shù)都是求最小值,不等式約束的形式都是≤0,為使數(shù)學(xué)模型適于Matlab,將風(fēng)電系統(tǒng)優(yōu)化模型修改為目標(biāo)函數(shù):不等式約束條件:2.2優(yōu)化計算根據(jù)確定的Matlab優(yōu)化模型,編寫相應(yīng)的優(yōu)化程序,其主程序框圖如圖1所示。運行Matlab優(yōu)化程序,得到的仿真結(jié)果為Pf=1.050205MW。利用Matlab的優(yōu)化工具箱對布爾津電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化計算結(jié)果表明:該風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1.050205MW時(占總?cè)萘康?3.91%),已達(dá)到它的上限,系統(tǒng)失穩(wěn)。但布爾津風(fēng)電網(wǎng)的風(fēng)電容量實際運行值(7×150kW)也是13.9%,且處于穩(wěn)定狀態(tài),說明該研究結(jié)果與實際電網(wǎng)不吻合,研究方法需要進(jìn)一步改進(jìn)。3優(yōu)化算法的優(yōu)點利用優(yōu)化工具箱函數(shù)編寫優(yōu)化程序,思路簡單,程序易編,使用靈活方便,但計算結(jié)果不理想。而遺傳算法作為一種新的全局優(yōu)化搜索算法,則可彌補此缺點。遺傳算法通過對約束條件采用懲罰策略,構(gòu)造帶有懲罰項的適值函數(shù),可取得較好效果。3.1具有懲罰屬性的合適值函數(shù)其中w1為等式約束的懲罰算子,一般取值;r1、r2、r3為不等式約束懲罰算子,一般取值。3.2算法的編寫情況下面是遺傳算法優(yōu)化程序的設(shè)計步驟。a.計算適應(yīng)性值函數(shù)AimFunc,表明解的優(yōu)劣性,流程圖如圖2所示。b.編寫選擇函數(shù)Select,從當(dāng)前群體中選出適應(yīng)度好的解。c.編寫交叉函數(shù)Cross,得到新一代解,新解繼承了其父輩解的特性。d.編寫變異函數(shù)Mutation,在群體中隨機(jī)選擇一個解,對于選中的解以一定的概率隨機(jī)地改變串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中某個串的值。e.編寫遺傳函數(shù)Genetic,主要完成遺傳算法的計算,其流程圖如圖3所示。f.編寫主函數(shù)main(),其流程圖如圖4所示。利用遺傳算法對布爾津電網(wǎng)的風(fēng)電容量的優(yōu)化結(jié)果Pf=1.14760MW,即當(dāng)風(fēng)電穿越功率為15.2%時,達(dá)到上限,表明目前電網(wǎng)風(fēng)電容量尚有提高的裕度,結(jié)合目前電網(wǎng)的運行情況分析,該結(jié)果較為合理。4仿真模型的驗證對不同的實現(xiàn)途徑及結(jié)果分析得出3點結(jié)論。a.研究中采用的2種優(yōu)化算法各有特點。利用遺傳算法進(jìn)行風(fēng)電容量配置的優(yōu)化計算,編寫程序有一定的難度,但是它的計算精度高,這對于工程應(yīng)用非常重要;利用優(yōu)化工具箱函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算,編程簡單,用戶易掌握使用,但是其優(yōu)化結(jié)果有一定的局限性,對于復(fù)雜的工程系統(tǒng)不太適合。b.2種方法的研究結(jié)果不同。利用優(yōu)化工具箱函數(shù)對布爾津電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果(最大風(fēng)電穿越功率為13.91%)與布爾津電網(wǎng)多年來實際的運行情況不符,說明這種方法的準(zhǔn)確性較差,其仿真模型需要進(jìn)一步研究改進(jìn);應(yīng)用遺傳算法對布爾津電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果是風(fēng)電容量的上限為15.2%,說明該電網(wǎng)的風(fēng)電容量尚有提高的裕度,該方法的合理性及可行性可據(jù)電網(wǎng)的目前運行情況得到驗證。c.項目研究尚有不足之處,主要包括以下幾方面:為便于計算,對布爾津風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡化,消去大部分聯(lián)絡(luò)節(jié)點,使電網(wǎng)中節(jié)點數(shù)和支路數(shù)大為減少,網(wǎng)絡(luò)圖的簡化在一定程度上影響了計算的精確性;只對1臺同步發(fā)電機(jī)考慮了勵磁和調(diào)速作用,其他2臺發(fā)電機(jī)沒有考慮,如把它們考慮得更全面些,計算結(jié)果可能會更貼近實際電網(wǎng);遺傳算法是一種非常成熟和潛力非常大的優(yōu)化算法,包括多種不同的優(yōu)秀思想和分支,如果采取多種分支進(jìn)行優(yōu)化計算,得到的最佳風(fēng)電容量的準(zhǔn)確性及可行性會在很大程度上