潮流发电机（精选8篇）
潮流发电机 篇1
1 引言
随着传统能源的日益减少和人们环境保护意识的, 新能源的开发与利用的工作正如火如荼的展开。我国海洋潮流能资源比较丰富, 但流速普遍不高[1,2,3,4]。为了提高潮流能的捕获效率, 国内外学者已经提出了在水轮机外围加装导流罩的解决方案[5,6]。本文设计了一种新型的全向导流罩, 可以实现低成本、有效提高捕能效率的目的。
2 导流罩设计方案
导流罩是罩在潮流发电机水轮机外部的导流装置, 根据流体动力学原理, 一般为流线型壳体, 能引导潮流流进水轮机, 通过提高潮流速度来提高潮流发电装置的发电效率。现有技术中的导流罩大多固定对着某个方向。如果要调整方向, 需要安装复杂的调向装置。因此, 为了解决现有技术所存在的问题, 需要设计一种能够对各个方向的来流均能进行导流的导流罩。
为了克服现有技术领域存在的问题, 本文设计了全向导流罩, 解决了结构复杂、安装复杂等问题。全向由导流罩框架、上盖板、下盖板和四个导流片拼接组成。
全向导流罩框架由等长度的角铁焊接而成, 构成正方体的框架, 并在表面涂防锈漆。四个导流片的形状相同且为圆弧状周向对称分布, 并在表面涂有防锈漆。四个导流片的根部平行固定安装在导流罩框架的四根竖梁上。上盖板、下盖板形状相同且上下对称安装, 可由不锈钢板板冲压而成, 并在表面涂有防锈漆。上盖板、下盖板的四周边分别和导流罩框架的上、下四根横梁固定在一起。全向导流罩框架、上盖板、下盖板和四个导流片之间的联接方式采用铆接或者焊接固定。
全向导流罩的设计方案如图1~图7所示。图中标注:1-全向导流罩框架;2-导流片;3-上盖板;4-下盖板。全向导流罩框架采用等长度的角铁焊接而成, 构成正方体的框架, 并在表面涂有防锈漆。四个导流片的形状相同且为圆弧状周向对称分布, 可以采用不锈钢板冲压而成, 并在表面涂防锈漆, 也可以采用工程塑料或者有机玻璃。四个导流片的根部平行固定安装在导流罩框架的四根竖梁上。上盖板、下盖板形状相同且上下对称安装, 可由不锈钢板冲压而成, 并在表面涂有防锈漆, 也可以采用工程塑料或者有机玻璃。上盖板、下盖板的四周边分别和导流罩框架的上、下四根横梁焊接或者铆接固定在一起。导流罩框架、上盖板、下盖板和四个导流片之间的联接方式采用焊接或者铆接固定。由于海水腐蚀性较大, 在实际工作环境中, 每一个部位都应该涂上防锈漆, 同时也能够防止海洋生物的附着。
3 结论
本文设计的全向导流罩, 设计合理、结构简单, 全方位导流, 导流面积大, 可以采用角铁和不锈钢板制作完成, 极大地降低了制造成本、安装成本和维护成本, 便于市场化推广。
参考文献
[1]陈金瑞.胶州湾潮流发电高分辨率模拟数值研究[J].中国海洋大学学报, 2011 (2) :153-156.
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[5]荆丰梅, 张亮, 张鹏远, 等.潮流能发电增速导流罩研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2012, 33 (4) :409-413.
[6]刘羽, 陈正寿, 赵陈, 等.潮流能水轮机导流罩的水动力性能研究[J].浙江海洋学院学报 (自然科学版) , 2014, 33 (3) :199-208.
科技潮流 时尚潮流 篇2
会飞的“鲨鱼”概念车
在奥迪和意大利多莫斯设计学院联合举办的汽车设计大赛中，土耳其人卡齐姆•多库(Kazim Doku)设计的奥迪“鲨鱼”概念车获奖。
多库的“鲨鱼”概念车受到了飞机及摩托车的启发，采用流线型的车身设计，并且会飞行。尽管“鲨鱼”上面刻着四个环的奥迪标志，但它其实更像气垫船而非汽车，因为“鲨鱼”概念车不需要贴地而行。你还能从“鲨鱼”设计上看到奥迪设计总监沃尔特-德-席尔瓦的典型风格，多库称这是他在设计“鲨鱼”时刻意仿效的。
用咖啡渣提炼生物柴油
美国内华达大学一项研究用咖啡渣提炼生物柴油。
咖啡渣中生物油含量大约达到了15%，虽比不上大豆、油菜籽和棕榈油，但咖啡油更加稳定，因为它含有更多的抗氧化成分。用咖啡渣制作柴油并不困难，用化学溶剂就能提取。
室内滑梯式楼梯下楼飞快
英国设计师最近建造了一款别致的室内滑梯式旋转楼梯，人们可以在一个透明的管道里很容易地滑行到楼下，从三楼下来只需要7秒钟。
“朋克教母”设计两面T恤
著名艳星帕米拉-安德森在3月6日举办的巴黎时装周薇薇恩-韦斯特伍德秋冬时装秀上展示了一款前后颠倒穿的T恤。被誉为“朋克时尚教母”的著名英国设计师薇薇恩-韦斯特伍德借这种两面穿的T恤设计，号召人们对抗经济危机。
在发布结束后的后台，一头橙色头发的韦斯特伍德与媒体分享驱散经济危机阴云的一些诀窍：“少买点，精选一点，把衣服混搭着穿。把你的T恤掉过来穿，你就可以有两种方法穿它了。”
随着金融泡沫破灭，生活变得简单，心境重归质朴。今年春夏季节，女人的裙子再次变长，她们想以此做为对自己的保护
苹果推出全球最小iPod
苹果公司3月19日推出了最新的iPod shuflle，这是目前全世界最小的 iPod，也是第一款会说话的 iPod - 两大特点令新款 iPod shuffle 唱念俱佳，声色兼备。它仅高 45.2 毫米，厚 7.8 毫米。控制按键从 iPod shuffle 的机身处移到了耳机线上的耳塞下方，iPod shuffle 因此变得更小，但功能却完全不受影响。
国内最贵住宅记录刷新
国内最贵住宅记录近期被上海的楼盘再次刷新。位于上海松江区佘山地区楼盘世茂佘山庄园最近成交两单，接连刷新住宅楼盘单个单位的最高成交价纪录。两个单位成交具体时间都在今年年初。两套别墅中，其中一个占地约40亩的别墅，签约成交价格达到2.05亿元。另外成交的一处别墅总价为1.55亿元。两个单位的销售价格全部刷新了国内住宅新盘的价格记录。
路易威登状告Google
帮假货做宣传
拥有经营路易威登和其他奢侈品牌的奢侈品集团LVMH，对Google将搜索引擎中的关键字“Vuitton”高价卖给他人的行为表示不满。
潮流能发电装置现状分析 篇3
随着海洋能战略地位的日益突出,全世界各国都在争取占据海洋能开发利用的技术高地。我国是最大的发展中国家,CO2的排放量居世界前列,中国已然成为世界第二大能源消费国,面临巨大的节能减排压力,为海洋能开发利用提出了迫切的要求。近些年来,世界各国都把目光投向了可再生新能源的开发,将其作为可持续发展的基本举措。可以说,探索和开发利用清洁高效的可再生能源,将是21世纪能源发展的必然趋势。潮流能是海洋可再生能源的一种,指潮流做水平运动所含有的动能[1]。
我国海岸线长达18 000km余,在海湾湾口、岛屿之间的水道存在着强潮流运动,具有广阔的潮流能开发前景。潮流能开发利用之前,首先必须了解其潜在量、可开发量以及时空分布特点等,摸清潮流能资源的基本情况。截至目前,美国、加拿大、英国等发达国家都对其潮流能资源做了评估,我国也进行了3次较大规模的潮流能资源调查,分别是:1986年开展的沿海农村海洋能资源区划;2004年启动的“我国近海海洋综合调查与评价”专项,即“908专项”,对我国沿海海洋可再生能源潜在量和可开发利用量进行了调查与评估工作;2010年财政部“海洋可再生能源专项资金”项目。其中,“908专项”海洋能调查评估研究结果显示:我国近海主要水道(99条水道)的潮流能资源潜在量为832.51万kW,技术可开发装机容量166.49万kW,技术可开发年发电量145.86亿kW·h。在随后开展的海洋可再生能源专项资金项目中又在前期的基础上选择了潮流能资源丰富的我国渤海海峡、成山头外、胶州湾、斋堂水道、长江口、杭州湾、舟山海域、三沙湾、金门水道、琼州海峡10个重点海域的潮流能资源的时空分布特征进行了分析,利用FLUX等方法计算了10个区域75条水道(断面)的潮流能资源总量,结果表明,75 条水道截面的潮流能资源理论潜在量约为556.25 万kW,理论年发电量为487.28亿kW·h,技术可开发量为81.88万kW,年发电量为71.73万kW·h[2]。
随着世界各国对海洋能开发利用重视程度的不断加深,潮流能转换技术已成为成熟度较高(仅次于潮汐能技术)、最具开发利用前景的可再生能源之一。 然而,由于潮流能转换技术还未最终定型,其开发利用形式、安装布放方式、叶轮尺度、转换效率等方面存在着较大的差异,而上述因素不仅直接影响着潮流能水轮机阵列布局、年发电量、功率预测等潮流能资源的精确评估,也将对未来我国大规模开发利用海洋能涉及的海洋功能区划修订产生影响。
为此,本文按照潮流能水轮机发电原理的不同分别介绍了国内外潮流能装置的利用特点及应用情况,并总结了一批适合我国海洋特点的潮流能转换装置,可为我国潮流能开发利用提供重要参考。
2 潮流能发电装置调研
潮流能发电装置是将潮流动能转换为电能的装置或系统,由海上支撑载体、发电机、电能变换与控制系统、获能装置(水轮机)、负载系统与电力传输等5个子系统组成。潮流能发电装置可以按照工作原理、外部结构特征、安装布放方式的不同进行分类[3]。
按照工作原理分类,主要包括水轮机类型和其他类型,其中水轮机又可分为水平轴和垂直轴水轮机,其他类型包括振荡水翼式、螺旋叶片式、Savonius发电形式、文丘里式等多种类型。
2.1 水平轴式水轮机
水平轴水轮机主要由桨叶、轮毂、机舱、制动舱、制动器、传动机构、密封、发电机、整流励变控制器、对水机构和塔架等组成,其中两片或三片桨叶安装在轮毂上构成叶轮,制动器、发电机、传动机构、整流励变控制器和对水机构都密封于机舱内,机舱与叶轮浸没在海水中,叶轮的旋转方向由对水机构调节始终保持正面迎着水流(图1),塔架对机舱起固定作用[4]。该类型涡轮机代表类型较多,主要包括英国MCT(Marine Current Turbines)公司联合多家机构研制的SEAGEN、爱尔兰的OPEN-HYDRO、挪威Hammerfest Strom公司发展的Blue Concept、美国的Verdant,加拿大的Clean currents等,还包括我国哈尔滨工程大学、中国海洋大学等高校研制的类似设备。
2.1.1 SEAGEN
2003年英国MCT(Marine Current Turbine)公司于英国Bristol海峡成功安装了300kW “Sea-flow”水平轴潮流发电装置SEAGEN,该装置特点是:采用置入海底的钢质桩柱式结构固定发电机组,机组可升降至海面以上进行维护和检修,叶轮直径11 m。之后,MCT公司又开发了1 200kW(2×600kW)的 “SeaGenS”潮流水轮机,该装置的特点是:钢质三腿单桩柱,叶轮直径16m,额定流速2.4m/s,180°变桨距叶片适应双向潮流,于2008年在北爱尔兰Strangford成功并网运行,是世界上首台兆瓦级潮流能发电装置[5]。
2.1.2 Free Flow System
Free Flow System装置由美国Verdant Power公司制造,是3叶片固定倾角水平轴水轮机,座底式安装,叶轮机直径4.68m,额定流速2.2m/s,额定功率35.9kW,在纽约East河安装了6台全尺寸的样机,装置历经9 000h的连续测试,共计发电量8 000kW·h。该公司于2012 年获得了联邦能源监管会(FERC)的商业许可,正在进入更大规模的潮流能开发阶段[6]。
2.1.3 Blue Concept
挪威HSAS(Hammerfest Strom AS)公司研制了坐底式三叶片水平轴潮流能水轮机称为 “Blue Concept”。水轮机具有自动对流功能,工程样机于2003年在挪威Kvalsundet水道安装,经4年运行测试,已正式并网发电。2009 年安装了改进型的300kW机组HS300,叶片长10 m,座底式结构重200t。2011 年开始研制1MW全尺寸样机HS1000,在Orkney群岛的欧洲海洋能研究中心(EMEC)进行测试[7]。
2.1.4 TidEL
TidEL水轮机是由英国SMD Hydrovision公司设计,属于悬浮式水平轴,整套装置结构简单,适用于超过30 m水深,双转子水轮机完全浸没水下运行,单点固定,减小了波浪冲击,叶轮直径18.5m,额定流速2.3 m/s,总功率1 000kW。在Blyth对1∶10的水轮机模型通过了测试,2006年全尺度模型在Orkney进行了测试[8]。
2.1.5 Open Centre
爱尔兰OpenHydro公司开发的Open Centre水轮机最大的特点是结构比较简单,中央式固定桨叶轮,直径6m,导流罩与发电机定子为一体,启动流速低,250kW试验样机于2006年在EMEC进行测试,整个样机由双桩柱式结构支撑,2008年5 月发出的电力并入英国电网[9]。2009 年为加拿大Nova Scotia Power公司设计建造了1台1 000kW商业型示范样机,直径10m,重400t,同年11月成功安装于加拿大Fundy Ocean Research Centre for Energy试验场[10]。
2.1.6 Clean Current
CC100B水轮机是由加拿大Clean Current Power Systems公司设计的,单转子双向带导流罩的水平轴水轮机,于2006年建成,额定功率500kW,叶片直径10m,安装水深大于13m,设计寿命25年。2007年在BC Race Rocks进行了测试。2008年10月,对水轮机进行了修复和清理,同时优化了导流罩[11]。
2.1.7 海明I
哈尔滨工程大学的10kW水平轴水轮机发电装置“海明I”号于2011年9月投放于浙江省岱山县小门头水道,带导流罩的叶轮直径2m,在2.0m/s流速下发电功率10kW,系统效率78%,非导流罩的叶轮直径2.5m,在2.3m/s流速下发电功率10kW,系统效率34.5%。装置外形尺寸9.0m×7.5m×6.5m,采用重力坐底式固定,支撑结构重20t;发电机组有自适应180°换向尾翼[12],发出的电力为水道附近的仙舟桥“海上生明月”灯塔照明和供热。
2.1.8 东北师范大学
东北师范大学于2006年研发了直驱式水平轴海流发电装置,装机容量0.5kW,启动流速低于0.25m/s,可在水下30 m以浅深度运行。通过海上实验初步形成了水下发电机密封技术、直驱式低流速发电装置整体结构。在国家科技支撑计划支持下,该校研制了20kW水平轴自变距潮流能发电装置,4 叶片定桨叶轮叶片直径5 m,启动流速0.7m/s,设计流速2.1m/s,额定转速40r/min[13]。该装置的研制重点在于具有较强的环境适应性和运行的可靠性,即能够适应我国海域潮流高流速时间短、平均流速较低(0.5~2m/s)等特点。
2.1.9 浙江大学
浙江大学于2006年研制了5kW固定式水平轴螺旋桨式潮流能水轮机[14],转子旋转直径2 m,在2m/s流速下,转速50r/min,并于2006年4月26日在浙江省舟山市岱山县进行了海上试验。2009年,浙江大学继续发展了25kW的半直驱水平轴潮流发电装置样机,设计额定功率25kW,额定流速2m/s,叶片长2.2m,转速45r/min[15]。2009年5月,在浙江省小门头水道进行了海试。2010年海洋能专项资金支持该校研制了60kW半直驱水平轴潮流能发电装置工程样机,2014年5月在摘箬山岛海域进行了海试,海试发电最大功率达31.5kW,转换效率0.371[16]。
2.1.10 海洋能专项示范工程
2010年财政部海洋可再生能源专项资金项目启动,哈尔滨工程大学参与500kW海洋能独立电力系统示范工程项目,负责桩基立轴式潮流能发电装置1座“海能Ⅱ”,2台100kW机组总装机容量200kW,叶轮直径12m,启动流速0.6m/s,极限流速2.0m/s,额定流速1.7m/s,能量利用率大于25%。该方案是根据电站安装海域(青岛市斋堂岛水道)环境条件而设计。发电机组由单桩(基础)、水轮机(叶轮、轴系)、增速器、发电机及其支撑结构等组成,是一种适应低流速的较大功率潮流能发电装置。
2.2 垂直轴式水轮机
与水平轴水轮机相比,一般情况下,垂直轴水轮机没有对水机构,其他结构基本相似。机组利用叶轮获取潮流能,海水经叶片产生垂直于海流方向的上升力,使叶片转动,利用机械传动,变速机驱动发电机工作,发出电能。机组的输出功率为能量机组效率、潮流能能量大小与利用系数的乘积。此类装置的转轴方向与流向垂直(图2)。该类型装置主要包括意大利阿基米德桥公司(PdA,Ponte di Archimede S.p.A.)研制的ENERMAR系统、哈尔滨工程大学研制的万向I和万向II等。
2.2.1 Blue Energy
加拿大Blue Energy公司是较早开展潮流能垂直轴水轮机研究的单位。其中著名的Davis Hydro Turbines就是以该公司工程师Davis命名的,水轮机采用的是4个固定偏角叶片,额定功率250kW,整个转子安装于一个固定在海底的沉体中。另外,耦合器、发电机及电力控制系统处于一个干燥的环境中,沉体的特殊构造可以加速水流,提高水轮机的效率[17]。
2.2.2 Kobold水轮机
Kobold水轮机由意大利PdA (Ponte di Archimede S.p.A)公司设计,于2002 年在墨西拿海峡(Strait of Messina)成功建成装机容量120kW的漂浮式电站,漂浮式载体直径10 m,水轮机采用的是变偏角式,三叶片叶轮直径6 m,叶片弦长0.4m,长5m。电站第二期建设中,加载了太阳能发电,功率6kW,实现互补发电,测得该水轮机能量利用率在0.23左右,通过海底电缆将发出的电力并入当地电网,这是世界上第一个接入电网的垂直轴能水轮机[18]。
2.2.3 万向系列
2002年4月,由哈尔滨工程大学研制的我国首座70kW漂浮式潮流实验电站“万向I”在浙江省岱山县龟山水道建成,装置的载体为双鸭艏式船型,搭载水轮机、发电装置和控制系统;锚泊系统由4套重力锚块、锚链和浮筒组成;水轮机采用立轴可调角直叶片摆线式双转子机型,直径2.5m,水轮机主轴输出端安装液压及控制系统进行调速,将机械能转换为稳定的压力能和稳定的输出转动,带动发电机工作,具有蓄电池充电控制、并网控制和相关的保护功能。在流速2~2.5 m/s时,平均发电功率5 ~25kW[19]。
2005年12月,“万向II”40kW坐海底式潮流能发电实验电站在岱山建成。装置建于岱山县高亭镇与对港山之间的潮流水道中,是一个独立供电系统,采用弹簧控制叶片偏角H型双转子水轮机,直径2.5m。载体呈双导流箱形,由机舱、浮箱、导流罩、沉箱和支腿构成,机械增速系统与发电机组密封于机舱中。电站沉没于水下,坐在海底上运行发电,避免了潮流发动机组受强台风袭击的问题。电力通过海底电缆输送到岸上,经电能变换与控制等系统稳频稳压和储能供岸上灯塔照明。电站具有下潜和上浮功能便于安装维护[20]。
2.2.4 海能I
2010年,在科技部“支撑计划”支持下,哈尔滨工程大学在龟山航门研建150kW潮流能电站“海能I”。电站载体平台为双体船漂浮式结构,由弹性系泊系统定位,立轴自调角直叶水轮机作为潮流能转换装置,叶轮直径4m。水轮发电机组、电能变换及保护设备安装于海上电站载体平台上,发出的电力通过350m海底电缆上岸接入官山岛岸上独立电力系统,控制设备及演示系统置于海岛上的变配电控制室内,设置电站远程监测系统,能够在官山岛(偏远海岛)和岱山县高亭镇(城市)进行电站的运行监控,2012年测得系统效率大于30%。
2.3 其他形式
其他形式潮流能转换装置主要包括振荡水翼式、螺旋叶片式、Savonius发电形式、文丘里式等。
振荡水翼系统的潮流能发电装置是借鉴了“游鱼”的尾部运动特征,通过潮流作用使发电系统尾翼上下摆动而产生动能,进而转换为电能。主要由翼板、摇臂和支撑结构组成,摇臂底部与垂直结构相接,顶部与水平翼板相接。在垂直结构和摇臂之间有液压油缸,上下振荡的摇臂压缩活塞运动,将机械能转换为高压能量,再通过液压马达将压力能转变为旋转机械能,带动发电机发电。这种装置的特点是用往复运动的水翼代替了旋转叶片[21]。2002年8月,第一架150kW Stingray原型示范机组在英国设得兰群岛附近的Yell Sound进行了测试。
GHT水轮机由美国Gorlov Helical Turbine(GCK)公司设计,叶片设计成了有一定的扭曲角度的垂直轴螺旋叶片。另外,OCGen水轮机由美国Ocean Renewable Power(ORPC)公司设计,同时也采用了螺旋叶片方案,额定功率60kW,采用横轴布置方式,并且发电机两侧采用了旋向相反的两个叶轮,这样又可以抵消螺旋叶轮旋转产生的轴向力。该水轮机已进行了多次海上试验。
EXIM水轮机由瑞典Seapower公司设计,是在Savonius风力机的基础上的一种阻力型潮流能水轮机,获能效率相对较低,但能产生较大的转矩,Savonius风力机叶片与转轴平行,即为直叶片,叶片处于一定位置区域时,难以自启动。印度理工学院对有一定螺旋角的Savonius水轮机进行了实验研究,结果表明水轮机在任意角度都能自启动,最大获能系数接近0.2。
文丘里(Venturi)系统基于Bernoulli效应,通过潮流流经狭窄节流口产生的压力差驱动发电机工作。这类装置相当于在横轴或纵轴叶轮的外部增加一个文丘里管,这可使通过水轮的水流能量更加集中,驱动转换效率更高。代表公司为英国的月能公司(Lunar Energy)的RTT(the Rotech Tidal Turbine)技术,海王星可再生能源公司(Neptune Renewable Energy)的NP(The Neptune Proteus)技术。
Tidel Sail系统由挪威TSAS(Tidal Sails AS)公司设计,主要由金属导线、齿轮和帆叶等构件组成。工作原理是水流推动帆叶,帆叶拉动金属导线,驱动齿轮转动,最终带动发电机工作。
Nereus潮流能装置由英国ARC(Atlantis Re-sources Corporation)公司设计,专门为近岸浅水环境设计,叶片有倾斜角度的安装在链形式的装置上,水轮机获取流体动能驱动链条转动。该装置于2008年7月进行了400kW的拖拽试验。
潮流能转换装置bioSTREAM系统由澳大利亚BPSP(BioPower Systems Pty)公司设计,原理是基于浮游生物的前进方式,流过装置水流的能量驱动推进器克服发电机的扭矩从而发生摆动。当海洋流速度过大,BPSP系统将自动沿着潮流方向改变,以避免潮流的侵袭,目前250kW的试验系统正在研制中。
VIVACE系统概念由美国VHE (Vortex Hydro Energy)公司于2005 年11 月提出。2011年,该系统进行了原型测试,工作原理主要是将水流引起的涡激振动转换为电能,能源密度更高,对于周围的居民和鱼类毫无影响。目前,VIVACE系统已经投入商业运行。
Eel系统由美国OPTI(Ocean Power Technol-ogies Inc)公司开发,是一种新型装置,使用高分子压电材料转化流体机械能为电能。Eel系统既可以用于海洋中,也可使用于河流中,启动流速仅0.4m/s。Eel发电系统利用直壁体后的尾涡拉伸压电单元。而内部的电池储存Eel系统产生的多余能量,以供水下无人机器人或传感器工作时使用。
2008年中国海洋大学在国家 “863”计划项目资助下,制作了5kW柔性叶片潮流能发电水轮机进行海上样机试验,该水轮机在结构性能上具有独到优势:在结构上,叶片采用高分子薄膜材料、帆布等柔性材料直接剪裁制作成形,易于维护、保养和更换,特别是当作较大装机容量水轮机时柔性叶片在加工、运输、维护上体现出较大的优势,同时柔性叶片具有重量轻、造价低廉、耐腐蚀的独特优点;在性能上,柔性叶片潮流能水轮机具有单向旋转特性,其转向与来流方向无关,仅与叶片安装方向有关;具有不同于纯升力型或阻力型水轮机的独特水动力学特性,在旋转过程的绝大多数位置产生同向力矩,具有较高效率;水轮机起转流速低,在水槽实验中0.3m/s流速下转子便可很好起转,海上样机实验中,0.5 m/s流速下已开始较为稳定的发出电能,具有良好的推广应用前景[22]。
2.4 主要工程及其技术参数
本文按照潮流能水轮机的发电原理的不同分别介绍了国内外潮流能装置的利用特点及应用情况,总结归纳了各形式特点及装置参数。 目前主流的潮流能一级转换装置仍与同属流体能源的风电设备类似,属于水平轴类型,占总设备类型的50%,其次是垂直轴类型,约占设备类型23%,其他非主流装置总和约为27%;其中多数装置(算整机装机容量)属于百千瓦级,兆瓦级装置还较少,仅有MCT、Hammerfest Strom、Lunar Energy、SMD Hydrovision、OpenHydro 5类,显然,功率大的装备其尺寸也较大,因此对水深的要求也较为苛刻;各类装置启动流速较高,均超过0.7 m/s,额定功率流速一般均超过2m/s,还不太适合向流速较低的普通海域推广,就其安装布放形式来看,仍以座底式居多,由于潮流能资源富集区多位于海湾口、海峡或水道等航道资源稀缺处海域,此类也较漂浮式装置更有利于未来的应用推广。
3 结论与讨论
通过对目前主要潮流能转换装置进行调研分析,详细介绍了水平轴、垂直轴和其他形式潮流能发电装置的构造以及主流装置的设计参数和试验示范情况,重点对比分析了不同类型潮流能发电装置的特点和技术参数,并简要总结了我国潮流能示范电站安装运行情况,为我国潮流能资源的开发利用和潮流能装置测试区建设提供重要的科学参考。
总体上看,现阶段由于缺少潮流能量发电系统海上长期运行的性能和成本数据,因此很难对不同形式的潮流能量转换装置的性能进行精确的评定。目前还没有一种形式的潮流能量转换装置具有明显的技术优势而被广为认可。但现有的在建、已建项目和概念设计项目统计中,水平轴式装置仍是主导。当然,涉及特定项目中对潮流能装置形式选取时,应根据具体的安装位置和设备特点分析获得。
另外,水平轴式的导流罩的作用也是一把双刃剑,一方面能够起到聚流的作用,使潮流能发电装置适应低流速;另一方面可以起到导流的作用,使装置适应潮流的双向流动特性。但是导流罩装置一方面会增加设计制造成本;另一方面减小了转子的尺度,即减小了叶轮有效能量获取截面积。文献中统计水平轴式水轮机潮流发电项目中使用导流罩的比例为33%;垂直轴式水轮机潮流发电项目中使用导流罩的比例是48%。应综合考虑各方面因素对导流罩装置及其结构形式进行选取。
再者,潮流能发电装置的布放形式选取也是其开发利用的一项重要技术环节,决定了潮流能发电装置的安装位置,潮流能资源丰富区域多位于海峡、水道、湾口等航运十分频繁区域,虽然漂浮式布放的安装结构和维护更为简单,但却与通航等重要海洋经济产生冲突,因此从长远的角度说,坐底式布放将更具潜力。
摘要：潮流能是海洋新能源中相对稳定且可提前预报的一类,较传统的拦坝式潮汐能开发具有环境影响小、开发规模灵活等优点,其大力发展可为海岛经济发展和海洋观测设备提供能源。文章对潮流能发电技术的研究现状进行了总结分析,详细介绍了水平轴、垂直轴和其他形式潮流能发电装置的构造以及国际上主流装置的设计参数和试验示范情况,重点对比分析了不同类型潮流能发电装置的特点和技术参数,简要总结了我国潮流能示范电站安装运行情况,并对其装置类型、导流罩作用以及布放形式等内容进行了讨论,可为我国潮流能资源的开发利用和潮流能装置测试区建设提供科学参考和设计依据。
潮流发电机 篇4
无刷双馈异步电机(BDFM)可用于变速驱动[1,2]或风力发电[3,4]。风力机捕捉风能经传动系统送至BDFM转子,转化为电能注入电网。BDFM可视为两个同轴相连的异步电机[5,6]。变流器VSCg维持直流电容电压、发出无功。变流器VSCc用于调节控制绕组CW[7,8],使得BDFM转速、功率因数可调,因而比笼型异步电机更灵活。由于只有部分功率流过变流器,经济成本低于直驱式风电机组。由于变流器连接定子而非转子,不需要滑环和电刷, 因而比普通双馈异步电机(DFIG)可靠性更高。
BDFM的运行,可采用直接转矩控制[9],或者基于定子/转子磁链定向的矢量控制[10,11]。对应背靠背变流器,可建立双坐标系,也可将其归算为单坐标系,即功率绕组的同步坐标系[12,13]。基于单坐标系dq表达形式,可以得到各绕组在xy坐标系下的稳态电压、电流和功率关系。例如,若电网接口电压和VSCc交流侧电压已知,由等效电路[14,15,16],可估计功率绕组(PW)、控制绕组(CW)、转子绕组功率,以及能量转换效率[17,18,19,20]。但对于并网BDFM,接口电压由电网潮流决定,VSCc交流电压幅值和相角由无功出力和两侧有功平衡决定,同样取决于电网潮流。因此将VSCc当作恒定电压源来求解BDFM稳态参数,应用价值有限,需要建立其并网潮流求解算法。
现有国内、国外文献中尚未发现BDFM潮流算法。其建模难点,不仅在于电机结构复杂。首先,最大功率跟踪(MPPT)方式下,BDFM有功出力不仅仅取决于风速。由于容量小而电阻大,内部损耗不能忽略。而损耗与绕组电流有关,后者又取决于无功和电压,因此BDFM有功出力与电网潮流有关,在求解潮流之前未知。其次,随着并网容量增加,BDFM需接受电网调度,以降低风电随机波动、减少快速备用容量[21,22,23]。与传统火电/水电机组不同,在低风速时BDFM调度出力未必可实现,此时潮流无解。第三,BDFM约束方程比其他风电机组多,在超同步/次同步间转换时,待求解变量可能振荡,导致潮流收敛性很差。
基于BDFM等效电路,研究了其潮流建模及收敛性问题。提出MPPT方式下BDFM潮流方程。此时由于有功出力未知,电机与电网方程须联立求解,接口节点有一个有功约束和两个无功约束。对于受电网调度BDFM,提出两阶段潮流模型。第一阶段按MPPT方式,计算最大有功出力,判断调度值能否满足。如果满足,将BDFM视为PQ节点。计算电网潮流,得到接口电压后,计算BDFM内部参数。鉴于平电压启动条件下BDFM收敛性较差,提出根据转差率或支路有功设置初值以改善收敛性。计算结果验证了算法正确性。
1 MPPT方式下BDFM潮流模型
对图1 所示BDFM风电机组,基于PW同步坐标系,建立等效电路(图2),其中下标p表示接口节点和PW,c表示CW和VSCc,g表示VSCg,r表示转子,T表示变压器,BDFM表示BDFM总体参数。BDFM铁损相对较大,但远比铜损较小,将其忽略后,励磁支路简化为对地电抗Xrp和Xrc。
忽略变流器损耗,BDFM输出功率与绕组电流有关式(1),而电流又取决于节点电压和绕组无功,最终依赖于电网潮流分布。MPPT方式下,即使风速、风力机转速 ωwt及捕捉功率Pwt都不变,在电网潮流求解之前BDFM有功出力未知,因此需要联立求解电机和电网的潮流约束。
对节点p,从电网侧看功率约束方程如式(2)和式(3),其中下标sys表示电网,set表示设定参考值。
从电机侧看,节点p只有无功功率约束:
节点rp有功和无功潮流约束为
节点rc有功和无功潮流约束为
节点g有功和无功潮流约束为
定、转子有功平衡见式(11)。其等值形式为式(12),其中PM是输出机械功率。由此得到电磁功率和机械功率平衡式(13)。
忽略传动损耗,PM= –Pwt,其中风力机捕捉功率Pwt由功率系数Cp决定式(14),其中:ρ 是空气密度(kg/m3);υw是风速(m/s);A=πR2是扫风面积(m2);R是风力机半径(m);PN是BDFM额定容量(MW)。
Cp是叶尖速比 λ 和桨距角 β 的函数式(15)[3],其中c1~c5是系数项。对于给定风速,通过Cp函数搜索对应风力机最大出力Pwtmax的最优转速 ωwtopt。
PW转差率sp和风力机转速 ωwt的转换关系如式(16),其中 η 是增速比,ωs是同步角速度(rad/s)。
在MPPT方式下,联立BDFM功率约束和电网潮流方程如式(17),其中J是雅可比矩阵。对于接口节点,有1 个有功方程(对外),2 个无功约束(对内、对外)。每增加一台BDFM,新增8 个约束方程。
2 功率调度方式BDFM潮流模型
当风电机组出力完全由随机风速时,需要大量的备用容量。如果象欧洲部分国家风电比例达到10%甚至20%多,若不调度风电,仅凭储能容量远远不够,而完全依赖火电/火电机组提供备用,经济性和可靠性将很难接受。目前我国电网风电调度,是停运部分风电机组以降低风电场出力。其实对于变速风电机组,通过设置转速低于最优转速,可以将其出力控制在设定值。这样可以避免风电机组反复起停,平抑风电功率波动,降低快速旋转备用机组容量[24],提高风电系统运行经济性和可靠性。
如果BDFM可发有功出力大于调度出力,则调度有效。此时BDFM可视为一个PQ节点,代入现有潮流模型,得到接口节点电压幅值和相角为
利用接口节点出力和电压,计算BDFM内部参数。由于BDFM出口有功已知,增加约束式(19),共有9 个约束式(20),独立求解。若采用桨距角控制,将 Δs替换为 Δβ,约束个数不变。
一般实际调度目标相对固定,而风速一直变化。当风速较低时,BDFM最大出力可能达不到调度目标,导致上式无实际解。因此对于给定风速,需要预先判断BDFM功率调度是否有效。
对接受电网调度的BDFM,提出两阶段潮流模型(图3)。首先按照MPPT方式,计算BDFM最大出力,将其与调度目标比较。如果前者小于后者,说明调度无效,该机组仍处于MPPT方式。否则调度有效,依次计算电网潮流和BDFM内部参数。
3 改善收敛性的BDFM初值方法
按平电压启动设置BDFM内部节点电压初值,潮流收敛性较差,因此需要改善其初值,主要是节点rc和c电压相角。研究发现,在MPPT方式下,可根据支路功率或转差率设置初值;在有效功率调度方式下算BDFM参数时,可以沿用MPPT方式下结果作为其初值。
3.1 根据转差率设定初值
设PW极对数为pp,磁场旋转频率和角速度分别为fp和np;CW相应参数分别为pc、fc和nc。两个定子绕组磁场可能同向或反向,以+和–表示。转子等效极对数pr= pp+pc,转速nr为
定子绕组和转子绕组间的转差率定义见式(22)、式(23)。定子绕组之间的转差率见式(24)。
将式(22)和式(23)代入式(24),得式(25)。由此可见,对于s、sp和sc,知道其中一个即可推出另外两个。
如果忽略风力机,采用的恒kopt模型计算结果与其初始假设相互矛盾。若计及风力机模型,BDFM潮流收敛性极差,原因在于部分电压和电阻与转差有关。对于电机等效电路内部节点,一般按照平电压启动,即1∠0。当转差率从正变负(或由负变正),哪怕只是变化一点点,潮流解也将大幅振荡,很容易发散。
因此提出改进平电压启动算法,不要求电压初始幅值为1,初始相角为0,而是根据转速初值设置电压初值。
这样,节点电压和不满足平电压启动,但是等效电压满足平电压启动。
从而有可能改善收敛性。根据转差率设置电压幅值/相角初值,实现非常简单。缺点是当调度出力与最大出力差距较多时,转差率初值和最终解差异较大。特别是如果两者穿越同步转速时,潮流解仍有可能振荡甚至不收敛。
3.2 根据支路功率设定初值
定义PW和CW提供的电磁功率PEMp和PEmc为
由式(12)-式(11)×s得式(31)。将式(29)代入得式(32)。
由式(12)-式(11)得式(33)。将式(30)代入,得式(34)。
联立式(32)和式(34),消去PM,得
忽略转子电阻,得PEMp和PEMc比值式(36)。忽略Rp、RT、Rc,即为Ppg和Pp,rp的比值。由Pp,rp和Ppg之和为–PBDFM,可估计Pp,rp和Ppg。
若任一支路ij有功潮流Pij见式(37),假设其端电压为额定值,则有式(38)。两边取平方,求解该一元二次方程,得sin θij。若θi初值已知,则由θij可大致设定θj初值。
根据支路有功,可以设置电压相角初值,但不能给出幅值初值。当绕组电阻较大时,误差较大。
4 算例分析
算例采用IEEE RTS节点测试系统(图4)[25]。在节点3 和19,通过降压变压器,连接两个风电场(节点25 和26,记为1#和2#风电场),分别拥有50 和60 台BDFM。风力机叶片半径10.4 m,Cp函数系数为c1=25, c2=9.411 8, c3=1, c4=20, c5=0.2[3]。增速比 η=16,极对数pp=3,pc=1。BDFM单机容量为4 k W。以此为基准,绕组阻抗为Rp=0.082 7 pu,Xp=0.020 2 pu,Xrp=1.632 4 pu,Rr=0.061 5 pu,Xr=0.167 5 pu,Rc=0.138 1 pu,Xc=0.049 4 pu,Xrc=1.718 3pu,RT=0.03 pu,XT=0.05 pu[1]。电机转速允许范围为-40%~40%。将同一风电场BDFM聚合成一台,按电网基准容量100 MVA,折算阻抗和容量等参数。
4.1 MPPT方式下BDFM潮流解
取两个风电场风速分别为10 m/s和4.5 m/s,计算MPPT方式下风力机最大出力和最优转速,以及并网后BDFM参数,结果见表1。作为对比,若两个风电场不并网,节点25 和节点26 电压分别为0.955 9 pu ∠-0.248 1 rad和0.991 6 pu∠-0.025 7rad。显然BDFM注入功率越大,对电网潮流影响越明显。
4.2 有功调度下BDFM潮流解
以其自身容量为基准,设定1#风电场参考出力PBDFMset=0.4 pu, QBDFMset=0.2 pu,Qgset=0.1 pu。对2#风电场,设定PBDFMset=0.6 pu,QBDFMset=0.2 pu,Qgset=0.1 pu。按电网基准100 MVA折算,分别为0.000 8 pu、0.000 4 pu、0.000 2 pu和0.001 44 pu、0.000 48 pu、0.000 24 pu。由表1 知,1#风电场可发出力为0.001 7 pu,大于参考值,调度有效;2#风电场可发出力0.000 6 pu,小于参考值,调度无效。
按参考值设定1#风电场出力,视其为PQ节点;2#风电场仍与电网方程联立,求解电网潮流分布。节点25、26 电压分别为0.956 0 pu∠-0.248 0 rad和0.991 6 pu∠-0.025 7 rad。
按照调度参考值,以及接口节点电压,分别按转速控制和桨距角调节方式,计算1#风电场参数,结果见表2。在调度控制方式下,由于有功出力受限,导致BDFM内部参数与MPPT方式下不同。采用转速控制或桨距角调节,都可以实现BDFM降额运行,从电网角度,两者效果相同。但是从电机来看,两者调节效果不同。桨距角调节只影响风力机出力;转速调节不仅影响风力机出力,还影响电机转速和绕组阻抗。
为了进一步验证算法正确性,逐渐降低有功参考出力,计算相应转速或桨距角,以及BDFM电机能量转换效率见表3、表4。结果表明:
(1) 通过适当降低转速或者桨距角,都可以满足电网调度对BDFM出力要求。
(2) 显然,BDFM参考出力越低,电机效率越低。桨距角控制时,电机效率高于转速调节。
4.3 BDFM潮流收敛性
按平电压启动条件,设置电网和BDFM各节点电压幅值和相角,BDFM按MPPT方式运行,求解电网潮流,迭代误差(最大偏差量,指数表示)见图5,迭代100 次后误差仍然很大,不能满足收敛条件。
表1~表4 采用了改进初值算法。鉴于算例选择的BDFM电阻较大,根据MPPT方式下风力机转差率,设定节点rc和c电压初值。图6 给出迭代误差。结果表明,引入BDFM并未显著降低电网潮流收敛速度。无论MPPT方式下,还是电网调度方式下,经过4~5 次迭代,最大偏差均降至10-10pu以下,证实所提初值算法对改善潮流收敛性的效果。
5 结论
提出了无刷双馈电机在最大功率点跟踪和有功调度方式下潮流模型;为提高收敛性,提出了改进平电压启动算法,证实以下结论:
(1) BDFM有功出力不仅取决于风速和风力机转速,还取决于BDFM内部损耗,后者与电网运行条件有关,因此MPPT方式下,需要联立求解BDFM和电网潮流约束。
(2) 考虑可发有功出力与调度参考出力大小,不能将受调度BDFM简单设置为PQ节点,而应先判断有功调度是否有效,然后选择联立或独立求解算法。
(3) 含BDFM风电系统潮流收敛性,与BDFM参数初值极为密切。根据转差率修正相角初值以满足平电压启动条件,可显著改善潮流收敛性。
摘要：针对并网无刷双馈异步电机(BDFM)风电机组潮流计算问题,发现在最大功率点跟踪(MPPT)方式下,BDFM有功出力与电网运行条件有关;提出BDFM与电网联立求解潮流模型。对于受功率调度的BDFM,发现有功参考值在低风速下可能得不到满足,将导致潮流发散;提出两阶段潮流模型:首先判断功率调度是否有效,然后选择BDFM潮流约束和求解方法。为改善潮流收敛性,提出基于转差率或支路功率的BDFM初值算法。给出IEEE RTS系统中BDFM参数计算结果,以验证所提BDFM潮流算法的可行性和正确性。
潮流发电机 篇5
电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。电力系统需要稳定运行才能保证电网的正常, 但是由于外界的干扰或者负荷的变化都会影响电力系统的稳定, 从而影响电能的质量。
本文应用电力系统综合分析软件对wscc-40节点含风力发电的电力系统进行了潮流和稳定分析计算, 讨论了风力发电机组接入电力系统后对系统潮流和稳定的影响, 得出分析结果, 为系统运行和规划改造提出参考意见, 提高电网运行效率。
二、仿真软件
电力系统综合程序 (Power System Analysis Software Package, PSASP) 有三层结构, 第一层是公用数据和模型的资源库, 其中包括电网基础数据库、用户自定义模型库、固定模型库、用户程序库, 用于进行数据和模型建立;第二层是基于资源库的应用程序包, 其中包括:故障分析、稳态分析、机电暂态分析, 用于各种计算分析;第三层是计算结果和分析工具, 分析计算后生成结果数据库。
节点的电压和相角, 以及支路的功率损耗、网络损耗等都可以通过该程序的潮流计算得到, 并通过结果来分析电压越线及过负荷等问题;暂态稳定计算则用于分析系统在受到干扰后恢复稳定的情况, 分析影响系统稳定的因素, 从而进一步找出提高稳定性的措施。
三、WSCC-40节点电力系统简介
WSCC-40节点含风力发电机组电力系统是在39节点电力系统基础上并入2MW风力发电机组, 并根据并入的风力发电机组的特点, 观察其对原电力系统的电压及潮流的影响, 通过增加无功补偿和调节母线电压来维持整个电网的稳定。该系统整个网络的电压等级为110Kv, 各发电机的电压等级为6.5Kv和10.5 Kv。为了研究的方便, 本系统设置了一个平衡节点, 即发电机3, 该平衡节点的作用是在进行电力系统潮流计算时满足整个电网的功率平衡和稳定。该电力系统具体构成元件及其连接方式参见图1。
四、潮流分析
PSASP在两种编辑方式下的使用步骤如下:一是输入电网数据, 二是方案定义, 三是数据检查, 四是作业定义, 五是执行计算, 六是报表输出结果。
(一) 基础数据。基础数据包括母线数据, 交流线数据, 发电机数据, 两绕组变压器数据, 负荷数据等, 部分数据如表1所示。
(二) 潮流计算。将基础数据输入到电力系统综合分析软件中, 检查数据无误后即可进行潮流计算。将电力系统中负荷数据的100%、75%、50%分别进行潮流计算, 得到该电力系统的大、中、小负荷潮流计算。
(三) 计算结果。大负荷方式潮流分析计算结果包括潮流计算摘要信息报表、结果综述报表、全网母线 (发电) 结果报表、全网母线 (负荷) 结果报表、全网交流线结果报表、全网两绕组变压器结果报表等, 其中结果综述报表及其潮流分布图如图1。
将负荷分别降低到75%和50%完成中负荷方式潮流分析计算以及小负荷方式潮流分析计算 (计算结果略) 。由上述潮流计算分析可知, 该电力系统在符合变动时电压会有波动但是还在维持系统稳定的范围内。如果电力系统负荷变动较大影响整个电力系统的稳定时, 就需要对母线电压进行调整, 如提高起始点母线电压, 增加无功补偿装置等。
五、暂态稳定分析计算
(一) 单相短路。选择支路25为短路线对该系统进行稳态分析, 做单相短路结果如下:
直接方式输出
由图2可知各发电机功角在系统遇到单相短路后有一些偏离, 但经过一段时间后功角重新恢复到新的平衡, 整个电力系统恢复稳定状态。
(二) 三相短路。同样选择支路25为短路线进行三相短路稳态分析, 做三相短路结果如下:
直接方式输出
由图3结果可知该系统对于三相短路故障同样具有稳定性, 但三相短路故障比单相短路故障对电力系统产生的影响较大, 发电机功角波动幅度较大。
提高电力系统稳定性的措施有:采用自动励磁装置, 减小元件电抗即采用分裂导线或串联电容器;提高电压等级;采用并联补偿或改变网络结构等。据了解, 在实际运行中, 对于一些大的电力系统干扰, 采用切除发电机、快速切除故障、切除负荷等控制措施, 功角曲线变化不同能使系统暂态稳定性得到提高。
六、结语
本文以39节点电力系统为基础加入风力发电机组, 建立了简单的电力系统网络, 讨论了整个电网的功率平衡、电压稳定及暂态稳定。从该电力系统的稳态结果分析来看, 该系统具有一定稳定性, 对于单相和三相短路故障能较快恢复到平衡。
本文给出了一些提高电力系统电压稳定性的方法和措施。电源规划的原则是尽可能地保证功率的平衡, 同时考虑到经济性, 不可避免长距离的输电, 因此静止无功补偿是一个重要考量, 使系统实现可控的电压支撑。同时在研究中制约仿真结果正确性的主要因素是负荷模型和实际情况相差较远, 因此下一步的研究方向则是如何建立贴近实际情况的负荷模型, 建立完善的事故预案准备, 进而提高系统的电压稳定性。
摘要：风电并网给电力系统的安全稳定运行带来挑战, 对电网的潮流分布和暂态稳定性都会产生重要影响, 因此研究探讨含风电机组的电力系统具有重要意义。本文运用电力系统仿真软件电力系统综合程序针对WSCC-40节点含风力发电机组的电力系统进行潮流分析计算, 通过暂态稳定分析计算结果来考察电力系统的稳定性, 为实现电网的安全稳定运行提供依据, 并对电网运行和规划改造提出建议。
关键词：风电并网,潮流分布,暂态稳定性,电力系统仿真
参考文献
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[7]电力系统分析综合程序潮流计算用户手册[R].北京:中国电力科学研究院, 2001
潮流发电机 篇6
关键词：电力系统,运行可靠性,潮流计算,发电再调度,直流潮流
0引言
电力系统运行可靠性评估主要是相对于传统离线可靠性评估而言的。传统的离线可靠性评估是基于离线网络参数来进行的。尽管这些参数一般是近期系统的真实运行数据, 能够在一定程度上反映出系统网络运行的安全性和可靠性状况, 但随着大规模电力网络运行分析的兴起, 靠这种离线方式所进行的可靠性评估对于许多应用来说显得不切实际。与之不同的是, 运行可靠性评估则利用了现代信息自动化技术实现了准实时数据的采集和利用, 从而能够及时准确地反映出真实实时系统的可靠性状况。
运行可靠性评估通常由状态选择、状态分析和可靠性指标计算3个过程组成, 其中状态分析是运行可靠性评估算法的重点。而所谓状态分析是指在通过蒙特卡罗法抽样获得特定待校验系统状态后, 进行潮流计算分析, 根据预先设置好的故障判据来判断系统是否发生故障以及能否通过发电再调度等措施来缓解或消除故障。值得注意的是状态分析过程中的潮流计算模型和发电再调度模型[1]是紧密相关的, 需要一起研究。本文针对这一点提出了一种组合模型以提高运行可靠性评估的速度, 从而为运行可靠性评估的工程应用提供有效的模型[2,3]。
1交流潮流算法与发电再调度模型
交流潮流计算是一种比较完善的潮流计算方法, 它可以在给定网络的拓扑结构、负荷大小、发电机注入功率等条件下通过采用适当的算法计算获得母线电压的幅值大小和相角, 进而可以计算出平衡节点功率、线路有功与无功潮流、网损等。目前, 解交流潮流问题比较好的算法主要有牛顿-拉夫逊法和快速解耦法等。
牛顿-拉夫逊法之所以能够成为解交流潮流问题的重要基础性算法主要原因在于其具备较快的收敛速度, 与网络规模大致无关的迭代次数以及能求解大部分有病态条件的问题等。另外稀疏性保持技术的成功应用也从根本上增加了其实用性。
针对牛顿-拉夫逊法由于内存占用、计算速度等方面的原因无法满足许多工程应用的性能缺陷, 参考文献[4]提出了PQ分解法, 又称快速解耦法, 较好地提高了交流潮流计算的性能。
PQ分解法的优势表现在编程简单、计算速度快、节省内存且有可靠的收敛性, 被大量地使用于在线计算应用, 已成为目前国内外交流潮流计算领域最优先选用的算法。其主要不足表现在当线路重载两端母线间相角差或者线路R/X比值过大时, 收敛性存在变差甚至不收敛的问题。
如果在运行可靠性分析中选用交流潮流算法, 那么相应的发电再调度模型可选用规划类算法[5,6]与灵敏度算法[7,8]。对于规划类算法, 通常分为线性规划算法 (LP法) 和非线性规划算法[9], 而相对交流潮流则主要选用非线性规划算法。
2直流潮流算法与发电再调度模型
直流潮流模型是一种简化的潮流模型, 其主要简化假定:线路的电导gij远小于电纳bij, 线路两端相角差θij很小, 线路两端电压模值差很小, 线路电阻、无功潮流及所有对地支路略去不计。
直流潮流算法与发电再调度模型采用基尔霍夫定律表述如下:
式中:N表示所有节点;PGi、PDi分别为节点i的发电机注入功率和负荷大小;Aik为网络矩阵元素;Pij为支路i-j潮流; (θi-θj) 为端点i、j间的相角差;Xij为支路电抗。
将式 (2) 代入式 (1) , 得到直流潮流模型的紧凑表达形式如下:
式中:B为网络导纳矩阵, 其非对角元素为Bij=-1/Xij, 对角元素为undefined。
如果给定PG、PD, 由式 (3) 可以求出θ和支路潮流Pij。
通过模型的推导可以看出, 直流潮流模型是一种线性化模型。交流潮流中那些引起非线性的电压模值、无功功率等变量在直流潮流算法中是不存在的, 也就避免了要用非线性规划的方法进行发电再调度。通常采用线性规划算法就可以了。
3运行可靠性状态分析模型的选择
选择运行可靠性状态分析模型主要可从以下2个方面进行考虑:一是运行可靠性评估的精度能否满足工程应用的需求, 二是计算速度能否支持在线应用。本文据此研究并分别选择可用于运行可靠性评估的潮流模型和发电再调度模型。
交流潮流算法的优点是计算结果比较全面, 不足之处主要是计算时间较长, 并且存在不收敛算例。在运行可靠性评估计算中, 需要处理的系统运行方式多, 元件采用随机故障建模, 这些都使计算量成比例增加, 采用交流潮流算法必然导致运算时间长, 难以胜任在线应用, 因此, 考虑采用直流潮流算法。直流潮流虽然不能计算节点电压的幅值且计算有功潮流时也存在一定误差, 但与交流潮流算法相比较, 有功潮流误差并不大 (高压电网的误差约为3%～5%左右) , 能够满足工程需要。而且直流潮流算法没有迭代过程, 内存占用少, 计算时间大为降低, 其收敛性也好于交流潮流。因此, 本文潮流算法采用直流潮流模型。
发电再调度是指在运行可靠性计算中, 先进行各种故障模式下的快速潮流计算 (本文为直流潮流算法) , 接着实施安全校验, 如果出现安全越限, 则按照设定的再调度方案对系统运行方式进行再调整的过程。在发电再调度过程中, 首先采用调整发电机组出力, 即调节注入功率分布来实现改变潮流分布进而使电网恢复正常运行;其次, 如果上述措施没能使电网恢复, 最后将采用切负荷这种最严厉的调整措施。发电再调度过程本质上是一种带约束条件的潮流计算过程, 即在数学上可表述为在满足多种约束条件下的目标函数最优, 因此, 选择适当的优化算法是关键。目前, 非线性优化算法尚不够成熟, 算法复杂, 计算量很大, 而更为严重的是其收敛性存在较为严重的问题, 这对于有在线计算需求的运行可靠性评估这样的应用来说尚不具备实用性。当然, 在采用直流潮流模型的情况下, 也没有必要使用非线性优化算法。因此, 本文采用了一种线性规划算法, 即单纯形法[10]进行发电再调度过程计算。在存在可行域的条件下, 单纯形法的有限次迭代特性能够较好地满足运行可靠性分析对计算速度的要求。
本文主要研究了基于运行可靠性的潮流计算与发电再调度组合模型, 在潮流计算中采用了直流潮流算法, 计算流程如图1所示;在发电再调度中采用了单纯形法求解, 具体计算流程如图2所示;最终通过编制的程序获得了系统的可靠性指标。
4运行可靠性评估实例验证
本文分别采用了大型系统如某省级电网的真实运行数据[11]和小型系统如IEEE RTS-24系统[12,13]对模型分别进行了测试与分析 (本次测试运行在普通家用台式电脑上) 。
某省级电网系统中各种元件的可靠性建模主要采用了220 kV以上高压电网参数, 而低压电网参数则采用归算为高压参数的方式。为了满足运行可靠性评估的特殊性要求, 对于线路、负荷、母线、发电机的建模方式没有采用通常的合并模式, 如对于母线则采用了更为仔细的母线分段模型, 母线不合并且带有小支路, 获得了更为详实的电网可靠性评估结果, 因此, 更加适用于在线应用。不过, 采用这种建模方式使得运算节点数和支路数翻了近一倍。该省级电网通过这种建模后, 共计包括190条线路、207个高压节点、176台变压器、61台发电机、31个断面约束 (稳定约束) 。基于这一系统的运行可靠性评估结果如表1所示, 计算时间为1 153 s对于这样一个省级电网的运行可靠性评估来说已经具有相当的实用性了, 而传统算法计算时间上往往需要以天或小时为单位。
IEEE RTS-24系统属于可靠性标准测试系统, 其建模参数:总装机容量为3 405 MW, 年最大负荷为2 850 MW, 共包含24个节点 (其中17个负荷节点) , 共有33条线路, 32台发电机组, 5台变压器。每类元件抽样故障设定不得大于两重, 总抽样故障数设定不得大于三重[14]。基于这一系统的运行可靠性评估结果如表2所示, 其计算时间只有109 s。
5结语
潮流发电机 篇7
海洋潮流能作为一种新型可再生绿色能源,由于安全清洁、能量稳定、储量丰富、可再生可持续性好、有规律、可预测性强等特点,成为海洋能能源开发技术领域中迅速发展的研究分支之一[1]。电力变换系统是潮流能发电系统的重要组成部分。目前,海洋潮流能发电仍是一个开放性研究领域,研制适用于潮流能发电能量转换特点的高效率、高可靠、易升级的电力变换系统是支持潮流能发电研究的重要工作[2]。
SOPC技术是一种新型的嵌入式系统设计方式,基于NIOSⅡ软核处理器和可重用IP核进行系统开发,可灵活实现系统软硬件协同设计,支持系统软件、硬件的同时可编程,支持多NIOSⅡ处理器系统设计[3]。双NIOSⅡ处理器结构是目前复杂SOPC系统中常用的系统组成方式,在车载视频点播系统[4]、驾驶疲劳检测系统[5]、多核远程重构控制器[6]等方面获得了良好应用。该文针对潮流能发电电力变换系统的控制需求和数据特点,提出了一种基于双NIOSⅡ软核处理器的潮流能发电电力变换控制系统的设计方法,其中一个NIOSⅡ处理器负责系统任务调度和能量管理,一个NIOSⅡ处理器负责电力变换控制和异常诊断,提出了基于RAM、FIFO、GPIO的双NIOSⅡ处理器握手机制,并给出了系统的具体设计实现。
论文结构为:首先介绍潮流能发电电力变换系统的整体结构;然后给出了双NIOSⅡ软核处理器系统架构和具体设计实现;最后是结论。
2 电力变换系统的整体架构
电力变换系统的系统组成如图1所示,水下发电机组通过同步永磁发电机将潮流能转换成频率和幅值均不稳定的电能,电力变换系统将电能经过EMI滤波、整流、BOOST升压、DC/DC变换等处理,输出直流电至母线。该文主要介绍主控板中基于双NIOSⅡ软核的主控系统设计。
整流逆变模块在主控系统控制下具有两种工作模式,分别是助力启动模式、发电模式。助力启动模式,整流逆变模块工作在逆变方式,对同步永磁发电机进行软启动,克服机械摩擦,以最大限度地利用潮流能。发电模式,整流逆变模块工作在整流方式, 将三相交流电转变为直流电输送给BOOST升压模块。
BOOST升压模块在主控系统控制下进行最大功率点跟踪,以最大限度地利用海流能。
DC/DC模块由DC/DC控制板直接控制,主控系统通过CAN总线与DC/DC控制板交互命令和信息。
水下系统负责对水下发电机组的转子角度、转速、浆矩角、电能等参数的监测,主控系统通过CAN总线与水下系统交互命令和信息。
Dump负载由独立控制板直接控制,当系统输出能量过大时,Dump负载投入消耗能量,保证电力变换系统能够稳定安全地运行为系统的控制提供响应时间。主控系统通过CAN总线与Dump负载控制器交互命令和信息。
此外,主控系统还通过CAN总线、UART、MODBUS等实现与其他电力变换系统、监控PLC、岸站管理系统的命令和信息交互。
针对主控系统的控制需求,该文以SOPC技术为核心,搭建了基于NIOSⅡ软核处理器的本文潮流能发电电力变换系统的主控系统,系统拓扑如图2所示。
3 双NIOSⅡ系统结构及设计实现
本文设计的电力变换系统主控系统的双NIOSⅡ处理器的系统结构如图3所示。选用两个快速型NIOSⅡ处理器软核CPU1和CPU2,,每个处理器具有独立的数据存储器,两个处理器的程序存储器共享。
CPU1负责系统电力变换控制算法、异常诊断和应急快速响应。电力变换控制算法包括最大功率跟踪算法(MPPT)、功率因素校正算法(PFC)、电能计算控制算法等。控制算法需要实时周期性的处理,要求响应速度高。采用一个CPU专门处理控制算法,保证了系统的性能。
CPU2主要负责任务的调度管理、系统间的数据信息交互、能量管理等。电力变换系统的工况主要包括空闲工况、停车工况、启动工况、发电工况、异常故障工况等,主控系统对工况流程进行调度管理,同时通过CAN总线通知其他系统等,进行相应的动作处理。该类事件处理不需要高速度但流程复杂,采用一个CPU专门处理保证了高可靠性、灵活性和安全性。
3.1 双NIOSⅡ握手机制
双NIOS II处理器的握手机制解决两个NIOS II处理器的通信和资源共享问题,保证CPU1和CPU2能够协调工作,是双NIOSII处理器设计的关键,图4为双NIOSII系统的系统连接实物图。针对潮流能发电电力变换系统应用中两个NIOSII处理器的交互数据信息的类型,该文设计的双NIOSII处理器的握手机制包括三种共享机制:RAM、FIFO和GPIO。
RAM共享机制基于片内RAM搭建,用于传输实时参数和进程信号,以实现处理器之间的状态和参数共享,潮流能发电的该类数据信息见表1。
RAM共享机制需要Mutex核配合,Mutex核提供一个基于硬件的原子测试和置位操作,多个处理器环境下决定哪一个处理器拥有Mutex核,保证了共享资源的所有权互斥,基于Mutex核的程序流程图如图5所示。
FIFO共享机制采用两个FIFO内核作为双核的通信缓冲区,进行全双工数据传输,并基于中断对FIFO内核进行读写操作,读写流程如图6所示。
FIFO机制适合顺序数据的突发传输,本设计中将两个NIOSII处理器之间交互的CAN帧数据存入FIFO缓冲区,见表2。保证了CAN帧结构的完整性和双NIOSII通信响应的快速性。
GPIO共享机制采用PIO作为双NIOSII处理的通信通道。PIO配置成中断方式,通过PIO中断使处理器能够快速响应另一处理器的事件,以应对电力变换系统中的紧急异常事件。
3.2 双NIOSII系统的系统配置
本文提出的双NIOSII系统的系统配置包括复位异常地址配置和编程配置。
1)复位异常地址配置,NIOS II处理器的复位地址决定了程序存储的地方,异常地址决定了程序运行的地方。本设计在SOPCBuilder中将CPU1的Reset Vector设置为CFI_FLASH Controller,Offset为0x00,Exception Vector设置为SDRAM1 Controller。CPU2的Reset Vector设置为CFI_FLASH Controller,Offset为0x100000,Exception Vector设置为SDRAM2 Controller。
2)编程配置,在NIOS IDE的Flash programme工具中,硬件配置选择EPCS Controller,程序配置选择CFI_FLASH Controller。系统上电后FPGA利用EPCS配置芯片中的硬件配置文件完成双NIOSII系统的硬件搭建,然后在在内部复位逻辑的作用下,各个NIO-SII处理器将分别从复位地址开始执行程序,利用bootload自动将各自的程序复制到各自的SDRAM中运行。
4 结论
本文设计的基于双NIOSII处理器的潮流能发电电力变换主控系统已成功应用于国家海洋可再生能源专项项目,工程应用表明,利用FPGA的并行高速、高集成度、易升级的特点能够很好的满足潮流能电力变换系统的控制需求。双NIOSII软核系统良好地实现了系统并行处理和协同工作,保证了系统的可靠性和高效性,能够快速发现异常并及时响应,保证了系统的安全性。
摘要：开发海洋潮流能对缓解能源危机具有重要意义,电力变换系统是潮流能发电系统的关键技术之一。提出了一种利用SOPC技术实现潮流能发电电力变换控制系统的设计方法,采用单片高性能FPGA芯片构建双NIOSⅡ软核系统,其中一个NIOSⅡ处理器负责系统任务调度和能量管理,一个NIOSⅡ处理器负责电力变换控制和异常诊断。针对电力变换系统的信息数据特点,提出了基于RAM、FIFO、GPIO的双NIOSⅡ处理器握手机制,并给出了系统的具体设计实现。该双NIOSⅡ处理器系统提高了系统的任务调度灵活性、控制算法处理速度和应急处理能力。
潮流发电机 篇8
近些年, 很多文献对分布式发电系统的优势进行了探讨, 包括减少功率损耗, 提高可靠性, 提高分布电压等[1]。然而, 存在的缺陷也有, 如导致保护系统的选择性缺失、短路电流增加等[2]。准确寻找问题点并及时解决, 是一件有实际应用价值的工作。
目前, 相关性输入随机变量概率潮流分析方法研究已较为成熟, 方向主要有两类:一是线性相关情况, 如卷积法[3]和一次二阶矩法[4]等;二是输入随机变量相关性研究, 如点估计法[5]、半不变量法[6]和蒙特卡洛法[7]等。当然, 第2种方法更贴近实际情况。
三点估计法是结构概率分析常用方法, 该方法多利用Rosenblatt变换, 对相关随机变量问题进行处理, 优点有[8]: (1) 无需对输入随机变量结构性求导; (2) 无需借助搜索技术, 因此, 采用Rosenblatt变换算法相对简单。但存在的问题是:采用Rosenblatt变换需要事先获取随机输入的联合概率密度, 这就需要完备的统计信息, 这个条件现实应用中很难满足。
对此, 文献[9]基于Rosenblatt变换, 设计实现了利用相关系数矩阵和边缘概率密度的非正态到正态的随机变量变换方法, 但算法极其复杂。文献[10]综合文献[11]提出的三阶多项式正态变换 (TPNT) 方法和文献[12]给出的最大熵值三点估计法, 来解决相关性随机变量的概率潮流问题。考虑到TPNT算法的前提条件是:变量正态化过程中变量的相关性不变, 这在复杂多干扰的实际应用中很难满足, 而Nataf变换不仅考虑概率密度和累积分布函数, 还允许变换中变量相关性的改变, 因而Nataf变换相对于TPNT具有更好的适应性和扩展性。
因此, 本文在研究分布式发电系统配电网络模型基础上, 基于Nataf变换法对三点估计算法进行改进, 使算法能够处理不完整的多变量信息, 并利用随机变量相关性提高输出变量估计的准确性。
1 问题描述
1.1 发电机模型
1) 同步发电机
确定旋转机械的数学模型是非常困难的, 因为其阻抗是由电感耦合而成, 并且随着电磁结构的不同而变化。在潮流计算模型中, 采用一种简化的数学模型近似表示, 其基于零序阻抗X0、正序阻抗X1以及负序阻抗X2建立, 这些参数被广泛用于不平衡电力系统分析。同步发电机的电路模型如图1 (a) 所示[8]。
在图1 (a) 中, ZGD为同步发电机的相阻抗矩阵, 其通过对称分量变换矩阵进行计算, 如式 (1) 所示。绕组电阻元件为典型的低R/X的关系, 式 (1) 中a为单一幅值的操作算子, 其相位角为120°。
2) 异步发电机
异步电机模型如图1 (b) 上图所示, 图中s为滑移算子, Rs和Xs分别为电阻和电抗的等效磁场绕组, Xm为磁化电抗, Rr和Xr分别为电阻和电抗的转子相对于定子的磁场绕组[8]。
图1 (b) 上图适于平衡操作条件下, 但实际发配电系统多为不平衡的, 必须增加负序电路, 如图1 (b) 下图所示。特别之处是, 在异步发电机内部不包含接地线路, 避免了不必要的零序阻抗分析。
由上述分析可知, 异步发电机的运转模型依赖于滑移算子s, 通过假定一个连续的滑动控制来实现对异步发电机的模拟操作, 有助于控制有源功率在允许范围之内。异步发电机模型的计算步骤如下。
步骤1:对k次迭代潮流计算, 变压等级在发电机端子处的对称分量为
式中:Va, Vb, Vc为发电机端子处三相电压。
步骤2:利用正序电路中的电压幅值V1m, 可对滑移算子s进行计算, 其注入功率Psh<0, 得到
步骤3:正序电流计算公式为
步骤4:结合步骤2中的滑移算子值, 确定负序电流为
步骤5:对步骤3和步骤4获得的序列电流进行变换, 在零序电流设置为空的前提下, 进行变换
步骤6:采用文献[10]提出的分布式电源与电压源控制器模型, 假设发电机具有功率存储系统, 能够控制电力能源的交流。参数公式计算如下:
式中:Rf和Xf分别为变压器和滤波耦合系统的等效阻抗。
1.2 潮流计算
采用文献[13]提出的基于补偿径向功率流来确定系统的操作点, 算法步骤有:分支电流计算和电压更新、断点电流估计。
1) 分支电流计算
在算法的每步迭代中执行向后扫描操作, 目的是通过使用基尔霍夫第一定律来预测系统的分支电流, 该过程从离变电站最远的节点开始, 并利用下列公式确定系统中每个分支电流分布:
式中:m∈M;Jk, ij (j取a, b, c) 为连接总线i的三相电流;Jk, mj为m分支的三相电流, 此种情况下, 分支m要比总线i更接近变电站, 并且M包含所有与总线i的联络线;Ik, ij为与总线i相连的分布式发电机的注入三相电流。
2) 电压更新
应用基尔霍夫第二定律确定配电系统母线电压分布, 整个电压更新过程开始于变压器, 并利用以下公式获取总线i上的电压水平:
式中:Vk, ij和Vk, mj分别为连接总线i和m的三相电压;Zaa, Zbb, Zcc为相阻抗;Zab, Zac, Zba, Zbc, Zca, Zcb为相间阻抗。
式 (9) 中总线m比总线i要更接近于变电站。
3) 断点电流估计
引入补偿策略用在网状电路中, 比如由发电机、截面环或短路故障产生。为实现径向功率流算法, 网状电路须由径向拓扑等效电路表示。为简化, 只考虑一个GD (GD表示接地) 和一个回路, 如图2所示。
电流回路和电压控制电路可分别由电流源Jq和Jg取代, 这些电流源可称为断点注入电流。对于算法的第k次迭代, 由下式计算断点注入三相电流:
式中:ΔJk, g, q为断点电流递增向量;Zg为通过增加连接变电站和总线g的串联阻抗构建矩阵块;Zq为通过增加总线q和q′的连线阻抗构建的子阵;Ek, g为发电机或电子接口内部电压;Eg为内部电压的参考向量;Vk, q为q处电压。
式 (11) 可简化为:
式中:Z为断点灵敏度矩阵, 对三相系统, 该矩阵为3×3阶。
Ek, g计算公式如下:
式中:Vk, ng为发电机接地阻抗的电压差;Jk, g和Vk, g分别为三相电流和发电机接地处电压。
此外, Eg计算公式为:
式中:V1, g为向量Vk, g的正序分量;Pesp, g和Qk, g分别为与总线g相连发电机的有功和无功功率。
每个电压控制发电机的无功功率递增向量ΔQg可计算为[14]:
式中:Vesp, g为通过无功功率控制获得的指定电压;X为子阵Zg的正序阻抗的灵敏度矩阵。
对每个电压控制发电机的注入无功功率值可计算如下:
1.3 算法步骤
在确定上述计算公式后, 潮流计算步骤如下。
步骤1:初始化并读取总线i的三相注入电流Ik, ij、分支电路三相电流Jk, ij, 以及电压V、发电机参数等信息。
步骤2:利用1.1节步骤1至步骤6计算异步发电机模型电流, 利用式 (8) 求解分支电流。
步骤3:利用式 (9) 进行电压更新。
步骤4:根据式 (11) 计算断点三相电流增量, 然后根据式 (13) 和式 (14) 计算内部操作电压和参考电压。
步骤5:利用式 (10) 进行断点电流更新操作。
步骤6:判断算法是否收敛, 是则退出迭代, 并输出结果, 否则转步骤2继续进行迭代。
2 Nataf变换三点估计概率分析
2.1 Nataf变换
令X=[x1, x2, …, xn]为n维向量, 假设随机变量xi的概率密度函数和累积分布函数分别为fi (xi) 和Fi (xi) 。标准正态分布向量Y=[y1, y2, …, yn]可由下式转换[15]:
假设Y和X的线性相关系数矩阵分别为ρ0和ρ, 根据Nataf变换, ρ0和ρ的非对角元素关系为:
式中:ρij为xi和xj的相关系数;ρ0ij为yi和yj的相关系数;fij (xi, xj) 为xi和xj的联合概率密度函数;φ2 (yi, yj, ρ0ij) 为二维标准正态分布, 均值为0, 方差为1, 相关系数为ρ0ij, 半经验公式ρ0ij=hρij, h≥1;μi为期望值;σi为方差值。
ρ为正定对称矩阵, 可通过Cholesky分解为下三角矩阵B:
非相关的标准正态向量L可进行正交变换:
上述将随机向量X转换为独立的标准正态向量的过程称为Nataf变换。而原始空间变量X可以简单的通过式 (17) 和式 (20) 的逆向过程获得, X=N-1 (Z) 。
2.2 三点估计算法
点估计算法的主要目标是在n个输入向量[x1, x2, …, xn]情况下输出向量R的采样值:
式中:R为由rj, j=1, 2, …, m组成的m维输出向量;G为由gj, j=1, 2, …, m组成的m维函数向量。
由三点估计准则, 输入xi的定位点xi, k及权重为:
式中:分别为xi的标准位置、均值和方差;分别为变量xi的偏度和峰值。
由式 (22) 和式 (24) 可看出, 三点估计法中, 前4个采样时刻的输入变量是必须的, 式 (21) 可改写如下:
式中:i=1, 2, …, n;k=1, 2, 3。
根据式 (22) 和式 (24) 可以看出, 当k=3时, , 可以看出对于三点估计算法需要涉及2n+1个点估计。输出变量rj的第l阶矩, 即R的第j个元素可由式 (26) 估计:
式中:E (·) 为均值。
以二阶矩为例, 则期望的估计为:
2.3 算法步骤
假定输入向量X相互独立, X之间存在相关性, 则上述算法便不再适合, 特别是相关性变化时。然而实际潮流分析中, 输入向量不可能是理想的独立状态, 为此结合Nataf变换对三点估计算法改进。基本思想是在独立标准正态空间中计算权重因子和位置, 然后采用Nataf变换将预测位置映射到实际空间中。通过上述操作可推导出估计点位置和权重如下:
式中:Z和ω各有2n+1个个体。
则式 (26) 可变为:
基于Nataf变换三点估计法的具体步骤如下。
步骤1:实际空间中输入变量的相关系数矩阵ρ, 根据半经验公式ρ0ij=hρij计算相关系数矩阵ρ0。
步骤2:利用式 (19) Cholesky分解计算下三角矩阵B。
步骤3:利用式 (22) 至式 (28) Nataf变换过程计算2n+1个估计点采样位置和权重, 并构建采样和权重矩阵Z和ω, 标准正态变量的偏度和峰度分别选取为0和3, 因此, 标准位置分别为和0, 权重系数分别为1/6, 1/6和n-1/3。
步骤4:通过Nataf逆变换将步骤3中的标准正态空间下的采样矩阵Z转换到原始空间采样矩阵X。
步骤5:对原空间的采样矩阵X的每一列进行决策评价获得输出向量的采样值R (i, k) 。
步骤6:利用式 (27) 估计输出随机变量矩阵R的均值和方差。
基于上述分析, Nataf变换三点估计的概率潮流分析算法流程如图3所示。
3 仿真结果与分析
3.1 标准算例
为验证Nataf变换三点估计法的有效性, 可用方法有理论分析法和仿真实验法, 这里使用后一种方法, 算例采用如下响应函数统计矩估计问题[15]:
输入向量的联合概率密度为:
由此可得x1的边缘概率密度为:
式 (32) 说明, 随机变量x1为指数分布, 参数为1。同理分析可知x2也为指数分布, 且参数也为1。根据式 (30) 可获得相关系数P12=-0.412。式 (30) 和式 (31) 分别给出了响应函数和概率密度函数, 因此可通过数值积分获得响应函数均值:
同理可得各阶矩响应函数均值:μ2G=2.855 9, μ3G=-1.516 1, μ4G=7.483 5, 可作为各阶矩伪真实值。在无法获得真实解情况下, 以此作为伪真实解。这里给出2个假定: (1) 假定联合概率密度函数形式 (式 (31) ) 未知, 边缘概率密度和相关系数已知, 形式如前所述; (2) 相关系数P12不确定, 而干扰为
则取ζ=0.1时, 响应函数的4阶矩估计值对比情况如表1所示。
表1为2种算法各运行20次求取的平均收敛值, 从仿真对比数据可看出, 在与伪真实解的逼近程度上, 本文Nataf的三点估计法要明显好于文献[10]的TPNT的三点估计法。为更清晰地对比2种算法随相关系数变动, 而对四阶矩估计值的影响情况, 令ζ取值从0至0.2变化, 仿真对比曲线设置y轴为偏离伪真实解的绝对值 (以μG为例) , 对比结果如图4所示。
图4给出输入变量相关性参数变化对μG估计值偏差的对比曲线, 可看出随相关参数ζ增大, Nataf和TPNT的三点估计法的偏差都增大, 但Nataf变换三点估计法偏差受到的影响远小于TPNT三点估计法, 说明了Nataf变换对输入变量相关性影响有抑制作用, 这正是Nataf变换相对于TPNT优点所在, 这种优势带来了三点估计法性能的提升。
3.2 概率潮流分析
仿真采用文献[16]IEEE 57节点系统为例进行测试, 并将分布式发电系统接入该IEEE 57节点系统对其进行修改, 使其具有分布式发电网络特点, 如图5所示。
在加入分布式发电机后的IEEE 57节点系统上测试所提概率潮流分析算法性能。发电机控制参数如表2所示。其中, PV控制类型电压控制值为4.16kV。假设IEEE 57节点系统负载的变化服从随机正态分布, 期望值为原始数据, 方差为原始数据的5%。
当满足下面2个约束条件时, 发电机转换为PQ控制类型[17]:
对Emin, g和Emax, g计算可使用式 (14) , 当Pesp, g=Pmin, g, Qg=Qmin, g时, 可求得Emin, g;当Pesp, g=Pmax, g, Qg=Qmax, g时, 可求得Emax, g。
假设系统中节点6, 18~20的负载线性相关系数矩阵如式 (36) 所示, 而节点30~33的负载线性相关系数矩阵如式 (37) 所示。
图5中暂不考虑系统中电压调节器和变压器的最初安装位置, 为更直观地进行分析, 上述设备被可关闭开关取代。不确定参数的随机变量X进入潮流算法, 分有功功率和无功功率分别由分布式发电系统提供, 由负载负责消耗。为证明所提方法可扩展到可再生能源, 使用6个分布式发电系统连接到修改后的IEEE 57总线测试系统中, 如表1所示。第1种类型发电机包括电压和有功功率控制器的同步发电机;第2种类型为包含风力源有功功率控制的异步发电机;第3种类型为含有电子接口功率因数控制器的光伏电源。
仿真对比算法选取三点估计算法, 真实值采用蒙特卡洛算法近似, 则51母线处的电压幅值仿真结果如图6所示。
图6给出考虑分布式发电系统的配电系统电压均值曲线, 通过概率分析算法获得。在上述结果中, Nataf变换三点估计算法得到的结果与蒙特卡洛算法的上不匹配度为0.032%, 而三点估计算法得到的结果与蒙特卡洛算法的上不匹配度为0.158%。由图6仿真对比曲线也可清晰看出, Nataf变换三点估计算法更接近于蒙特卡洛伪原始曲线。在运行时间上, Nataf变换三点估计算法运行时间比蒙特卡洛算法降低48倍, 与三点估计算法相当。上述结果反映出Nataf变换三点估计潮流分析算法的有效性。
其他指标采用相对误差进行衡量, 定义如下[18]:
式中:下标γ为不同的输出随机变量种类, 如电压相角θ、幅值电压V、有功功率P和无功功率Q;下标s为均值和方差标识, 包括μ和σ;Xγ, sf和Xγ, sr分别为Nataf变换三点估计潮流分析算法、三点估计潮流分析算法和采样点数为62 359次的蒙特卡洛算法得到的近似输出随机变量真实值。
仿真对比结果如表3所示。
表3给出了30次运行次数下的平均相对误差对比结果, 可看出在平均期望值和方差上, Nataf三点估计的仿真结果要优于三点估计对比算法, 4个指标的仿真结果中, Nataf三点估计算法的平均期望相对误差最大值为3.4%, 而三点估计算法的平均期望相对误差最大值为8.7%, Nataf三点估计算法的平均标准差相对误差最大值为32.8%, 而三点估计算法的平均标准差相对误差最大值为55.6%。由此可看出, Nataf三点估计算法的准确度要高于单纯的三点估计算法。
4 结语