TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 8, August 2013, pp. 44 3 3 ~4 438   e-ISSN: 2087 -278X           4433      Re cei v ed Fe brua ry 11, 20 13; Re vised  Ma y 13, 20 13 ; Accepte d  May 22, 20 13   Resear ch on the Wind Power Penetration Limit in  Power System      Yang Zhang* 1 , Hongbo Z h ang 1 , Degui  Yao 2 , Qiang Li 2   1 North Chi na U n iversit y  of W a ter Resourc e s and El ec tric Po w e r, Z hengz ho u, Chin a, tel: 1393 90 455 21   2 He Nan Electric Pow e r Research Institut e, Zhen gzh ou, Chi na, tel: 137 037 103 51   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 2865 54 472 @ qq.com       A b st r a ct     An appro a ch  to calcul ate the w i nd farm p enet rati on ca p a city base d  o n  chanc e con s traine d   progr a m min g  combi n in g w i th transi ent check  w a s pr esente d . A novel  mo del for pr ogra m mi ng p e n e tra t io n   of w i nd farm  und er in deter mi nacy o per ati ng  mod e  w a s presente d . C onstrai nt cond i t ion cons isted  of  conve n tio nal  g ener ator o u tput  li mits, system  spin nin g   res e rv e, trans missi on  lin es cap a b ilit y, noda l volt ag e,  system freq ue ncy etc, and g enetic  a l gor ith m  bas ed o n  Monte Carl o s i mulati ng w a s used to solv e the   problem ,  and the actu al sample system  ver i fied the feasi b ility of  the  m odel and  m e thod. Results for th app licati on  of this a ppr oach  r e vea l ed  the  inf l ue ncin g fa ctor s of pe netrati o n  of w i nd  far m  consiste of the   para lle l n o d e  v o ltag e, the  o u tput  var i atio n r ang of w i nd   gen eratin s e t an mean  w i nd s p e ed  etc.  T h e   researc h  resu l t s have i m p o rtant practic a l s i gnific anc e, w h ich can  gui de  the actual w i nd far m s in th e   pla nni ng a nd o perati on a nalys is of reality w i n d  farm.      Ke y w ords : w i nd  pow er p e n e tration, c hanc e constr ain ed  progr a m min g mo nte c a rlo s i mu lati ng, g e n e t ic   alg o rith m, tran sient stabi lity      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  With the  prop ortion  of the  wind  po we r in  t he p o we sy stem in crea si ng, the im pa ct on the  system i s  m o re a nd m o re   promi nent [1,  2]. The bi chang e of the   wind  sp eed   may brin g g r eatly  disturban ce  o n  the voltage , frequen cy a nd po we an gle of the sy stem an d the  grid sch eduli n g   depa rtment often ma ke  wind farms out  of op eration  in case the  system lo ss  stability in  seve re   ca se s. Th ere f ore, the  cap a city of  wind  po we p enet rating   into sy stem be com e s an  i m po rtant  topic in the st udy of wind p o we r.  This pa per  studied the ca pacity of win d  pow e r  pen etrating into  system. The  dynamic  simulatio n  method wa s often use d  to de termine the  capa city [3-8].  The first ste p  is to set a value   based  on th e  experi e n c and  ch eck th e sta b ility in  t y pical  ope rati on mo de. T h e second  ste p  is  to adjust th e value until  the stability requi reme nt s are sati sfied. This m e thod is indi rect  verification  a nd the  comp u t ation is inten s ive, th e r e al so so me othe o peration condition s are  not  con s id ere d  [9]. In recent  years, opti m izati on m e thod was m a inly used in  the research. It  cal c ulate d  th e maximum  cap a city of th e win d  po we r in vario u constraint  con d ition, so th e  full  rang e of con d i tions were  co nsid ere d  [10-13].  Becau s e  of t he  wind  sp ee d is  un ce rtain  and  ra ndom   variation  amo unt, the o u tp ut of the   wind p o wer i s  un ce rtain a nd it may lea d s to the  cha nge s of the o u tput of  the convention a l u n it,  the syste m  spinnin g  re se rve,  the line p o we r, no de v o ltage s an t he sy stem freque ncy. In t h is  pape r, ch an ce con s traine d  prog rammi n g  [14] wa s u s ed to d eal  with the prob lem. It made th e   deci s io n befo r e the ra ndo m amount su ch a s  win d  speed a nd loa d  wa s ob se rved as lo ng a s  the  establi s h ed p r oba bility bro ught by the deci s ion s  ma d e  by the constraint con d itio n is highe r than  the given val ue. Du e to th e load  and  wi nd spee cha nge at  any time, som e   co nstrai nt condi tions  may  not be satisfied  i n  some  Indi vidual  ci rcumstances  even if  th e probability  of  occurrence is  low an d in this ca se the int egratin g ca pa city we  obtain ed is a small e r value, so t he win d  ene rgy  can  not be  m a ximize used. If some constraint were   not sati sfied i n  a lo w probability, the wi nd   power capa ci ty will be a larger value a n d   the wind en e r gy coul d be  made full use  of.  This p ape pre s ente d  a  step-by-ste method b a se on co mbining  th e   cha n ce   con s trai ned p r og rammi ng  and dyna mic calib ration,  the mathem atical mo del of  the wind p o w er  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4433 –  4438   4434 integratio ca pacity was e s tabli s he d. T he dev el ope d  geneti c  al go rithm is ba se d on th e Mo nte   Carl o sim u lati on and o b tain ed the de sire d results.       2. Rese arch  Metho d   There a r e th ree  step s for  solving t he  wind po we r i n tegratio cap a city. The fi rst step i s   the ca pa city optimizatio n;  the se co nd step  is  th e cutting  ma chin e optimizatio n; the  third step   is  the tra n si ent  che c k. In th e  first  step  hi g her inte g r atio n capa city va lue  coul d b e   get in  case t h e   constrai nt condition  was not satisf ied in a lower  probability. In  the second step, cutting m a chi n to satisfy all t he con s traint s on ce  co nstraint co ndition  wa s not  satisfied [10], and  the optimization   goal i s  th wi nd p o wer  wit h  a m a ximum  loadi ng  rate  after  cutting t he ma chi n e s , so  the  re se rving  wind tu rbin coul d take lo ad a s  mu ch  a s  po ssible. T he effect of th e two  step i s   the probabilit y of  wind  en ergy i n tegratio ca pacity into  sy stem  be  high er, a nd m a ximizing  the  u s e of  wind  en e r gy  in case the constraint condition were not satisfi ed. The third step is to check the stability  that  obtaine d by the se co nd st ep in a typical syst em o p e rating m ode  to ensu r e the stea dy an d   transi ent ope ration are all  stable after the  wind po we r integratin g into system.     2.1.  Mathem atical  Model of  the Wind Turbine   The active po wer  cha r a c teristics of the wind  turbin e are expre s sed i n  piecewi s e f unctio n   in the cal c ulat ion, as sho w n  in formula (1 ) belo w   R R R in in in R Ri in R R out in W v v P v v v v v v P v v v P v orv v v P 3 3 3 3 3 3 0                                                       (1)    V is the wi nd  spe ed at hu b height; V in  and V out  are   wind spe ed cut  in  and cut out;  V R  is   the rated wi n d  spe ed; P R  is the rate d po wer.   Wind  spe ed o beys the Wei bull Di stributi on, as sho w n  in formula (2 ) belo w   k C V k e C V C k V p ) ( 1 ) ( ) (                                                                                  (2)    K is the  sh a pe facto r C refle c t the  size of the  a nnual  averag e win d   spe e d . Load   distrib u tion could take the norm a l distri b u tion,  uniform  distributio n o r  other di strib u tion types.     2.2. Mathem atical Model  of the  Cap a c i t y  Optimization  The  optimiza t ion obj ective  is to  maxim i ze th e in stal led  cap a city  of win d  fa rm s. Th e   con s trai nts i n clud e p o we r f l ow  equ ation s , the  co nven tional u n it out put con s traint s, tra n smi s si on       cap a city of th e line  po we con s trai nts, n ode volt a ge constraints,   rot a ting  reserve  con s trai nts a nd  system fre q u ency con s trai nts.  Constrai nts of the flow equat ion and conventional unit c ontri bution are the probability  wa s sati sfied  with pro babili ty 1; constrai nts of  the tra n smi ssi on ca pacity of the line po wer, no de  voltage, spin ning reserve  and sy stem freque ncy a r satisfie d with  a highe r p r ob ability less th an  1. The  purpo se i s  to  exclu de the  co nditi on that o c curren ce  pro babi lity is very lo w but limitin the  integratio ca pacity of th wind  farm  in  a large r  exte nt. The  ca pa city optimization math emati c al   model is exp r essed a s  follo ws:     Ri P max   s .t. ) cos sin ( ) sin cos ( 1 1 ij ij ij ij N j j i Li Gi Wi ij ij ij ij N j j i Li Gi Wi B G V V Q Q Q B G V V P P P   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Re sea r ch on  the Wind Po wer Pe netrati on Lim i t in Po wer S ystem  (Yang Zha ng)  4435 h Gi Gi l Gi h Gi Gi l Gi Q Q Q P P P                                                                                              (3)                            2 1 h l l l l h l l l l Q Q Q p P P P p   3 h i i l i V V V p   4 ) ( S Gi h Gi P P P p   5 h l f f f p   i,j repre s e n ts any node  re spe c tively in formula  (3) l  rep r e s ent s a n y bran ch P R  is the  wind turbine  rated po wer;P an d Q W  a r e  the active and rea c tive p o we r of the wind turbine; G P , l G P , h G P , G Q , l G Q , h G Q are the  act i ve power, a c tive powe r  lo wer li mits, a c tive powe r  up per limit ,  rea c tive po wer, re active l o we r limit, re active po we uppe r limit of  conve n tional  units; L P an d L Q   are the  acti ve and rea c tive load po wer; i V  is the  voltage of n ode i; ij G , ij B , ij are t h e   con d u c tan c e,  susce p tance  and voltage pha se angl e differen c e bet wee n  node  i and j ; S P is the  spin ning rese rve of the system;  l P , l l P , h l P are the ctive powe r , active powe r  lowe r limit,  active   power u ppe limit of the lin l ; l Q , l l Q , h l Q are the  reactive p o we r, rea c tive lo wer limit, rea c tive   power u ppe limit of line  l ; f l f h f are the f r eque ncy, freq uen cy lower l i mit and the  uppe freque ncy lim it of the system.  5 1 ~ are the probability values.     2.3. Optimization Ma the m atical Mod e l of Cutting  Machine   Optimizatio n  obje c tive  is maximizin g   the  load ca rrying  rate  of the  wind po wer after   cutting ma chi ne.  The co nstrain t s includ e po wer flo w  equ ations , the co nventional un it  output constraints,   transmissio n   capa city of the line po we r con s tr aint s, node voltag e con s trai nts, rotating re se rve  con s trai nts a nd  system  freque ncy  co n s traint s. A ll  t he con s traints sho u ld be   sati sfied wit h   probability 1. The aim i s  to give full considerat ion to various  situations that limitting the wind  farm ca pa city. Optimization  mathematica l  model of  cut t ing machi ne  is expre s sed  as form ula (4 ):    Li Wi P P max                                                                                               (4)     The  con s trai n t  conditio n  is  simila r to t he  formula  (3 ) a nd the diffe re nce i s  that  5 1 ~ are the val u e  less than 1 i n  formul a (3 ), but  1 5 4 3 2 1  in the optimizatio mathemati c al  model.     2.4. Solv ing Metho d s   Take wi nd  power insta lled capacity as chrom o som e  an d test the adapt ability of each  chromo som e  usin g the Mo nte Carl o sim u lation techni que, the pro c ess is sho w as follo ws:   (1) Ente r the prima r y data;  (2) Evolution  gene ration ini t ialized to ze ro and  give the initial values of the popu lation,  the cro s sove r rate and mut a tion rate;   (3) Mo dify the network pa ra meters and start the flow calcul ation;   (4) Produ ce  chromo som e  and appli c at e the Monte Carl o simul a tion tech nolog y to test  the feasibility of chro mo so mes, sort the i ndividual, inspect the con s traint con d itio ns;   (5)Output the  best i ndivid ual in  ca se t he evolutio gene ration  a c hieve th e m a ximum  value; Otherwise start to code, sel e ct, crosso ve r, mut a tion and d e code, then sub  to step (3).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4433 –  4438   4436 3. Results a nd Analy s is  of Sample Sy stem  The sampl e   system  wa sho w n i n  Fi gure  1. No d e  1 re prese n ts wi nd farm whi c h   con n e c ted  wit h  no de s 8  through  tran smi ssi on li ne s;  T he n ode 2, 3 ,  4, 5  rep r e s e n t co nvention a thermal po we r gene rating  units and the  total inst alled  capa city is 1072.68M W,a nd the maximum   load of the  sy stem i s  682.5 M W.The foll o w ing  analy s is  is to dete r mi ne the o p tima l cap a city of the  wind farm of the   sy st em.         Figure 1. The  Geographi Diag ram of Sample Syste m       3.1. Capaci t y  Optimizatio n   The nod e 8 repre s e n ts 11 0kV bu s and  35kV bu s of the 110 kV su bstation a s  shown in  Figure 1,  whi c h i s  ta ken  a s  p a rall el poi nt. Paramete rs  are set a s  follows: wi n d  speed  Wei bull  distrib u tion  paramete r  is k=2.0 ; The cut-i n  speed o f  wind turbine i s  4m/s; 95 . 0 5 4 3 2 1 ; The p opul ation si ze  i s  10;  The  maximum  evolution  gene ration  is 100;  The   cross rate  ra nge i s  [0.5,0 .9]; The  sco pe of  the  m u tation  rate  is   [0.001,0.1]. The cal c ul ation  result s we re  sho w n in Ta b l e 1.      Table 1. The  Cal c ulation  Result s of Win d  Powe r   Node 8 voltage g r ade   C=6,   ou t v =20(m/s)  C=6,   ou t v =25(m/s)  C=8,   ou t v =20(m/s)  C=8,   ou t v =25(m/s)   110kV  98.54(MW)   91.37  94.56  86.64   35kV  79.32  72.67  78.34  68.02       It can  be  se e n  from  the  Ta ble 1  that the   wind   po we r in tegration  cap a city is g r eat er  whe n   the ra nge  of the outp u t of the wi nd tu rbi ne is sm alle r, the voltage l e vel is  highe r and th e ave r age   wind  spe ed is smalle r.     3.2. Wind Ge neratin g  Set  Cutting Op timization      Take th e pa rameters e q u a l to the valu e of the  corre s po ndin g  wh en calculatio n value i s   98.54 M W . The cal c ul ation  result s we re  sho w n in Ta b l e 2.      Table 2. The  Cal c ulation  Result s of Win d  Gene rating  Set Cutting O p timization   The Genetic  Gene ration  Number of  Optimum Value   Wind Pow e Capacit y   (MW )     Wind Pow e Active  Power(MW )   Load Rate o f   Wind Pow e r   Cutting off   Rate of Wind  Power     43 65.69   59.12   8.66%   33.34%       Table  2 sho w ed th at wi n d  po we r pe n e trati on limit  decrea s e d  by  33.34%  whe n  all the  constrai nt conditions were meet compared to  be m e et with a  certain proba bility, to explain  the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Re sea r ch on  the Wind Po wer Pe netrati on Lim i t in Po wer S ystem  (Yang Zha ng)  4437 condition wit h  minimum  occurring probability (0 .05) limitted the wind power capacity, which  made the cal c ulatio n re sul t s be co nserv a tive, lose a lot of wind.    3.3. Transien t Che c k   1. Wind spee d disturban ce  and fault mode   (1)  Wi nd sp e ed cha nge s at  the  m o st d r asti c m odel:  from  the  rat ed  wind  spee d 14 m/s  down to cutting win d  sp ee d 4m/s within  2s.   (2)  N-1fault:1 10kV lin es b e twee n nod e  3 and 4 o ccur thre e ph ase sho r t-circuit ,  cut off  fault lines after 0.12 s.   2.  Che ck  res u lt   The no rmal o peratio n with  wind p o wer 6 5 .69M (1) Wi nd  sp e ed di sturban ce s. Th e pa rt of  syste m   node  voltage  variation  cu rve was  sho w n  in  Fig u re  2. Syste m  freq uen cy  and  syste m   t y pical unit rel a tive  ang el chang e curve  wa s   sho w n in Fig u re 3. The Fi gure 2 an d F i gure 3  sho w ed the voltage of part of the system u n it  appe are d  sm all-sco pe fluct uation after th e gradi ent  wi nd startin g  at 3s, then re co verde to no rmal  level; And th e pa ralleli ng  node  freq uen cy keep  in  rated value, t he typical un it relative a n g le  fluctuated  wit h in a  na rrow ra nge,  th en  re stored  co nstant,  so  th e sy stem vol t age, fre que n c y,  angle  were st able after wi n d  spe ed di stu r ban ce.           Figure 2. Nod a l Voltage Cu rve unde r Wi nd  Speed Di stu r ban ce   Figure 3. System Freq uen cy and Power-angl Curve u nde Wind Spe ed  Distu r ba nce     (2)  Fault di st urba nce the  part of  syste m   nod e volta ge vari ation  curve  was  shown in  Figure 4. System frequ en cy and sy stem  typical uni t relative  ang el cha nge cu rve   we re sho w n in   Figure 5. Th e Figure 4 a nd Figu re 5  sho w e d  the  voltage of pa rt of the syst em we re in t h e   accepta b le ra nge (0.9p.u. ~1.1p.u.)  b e fore  sh ort- ci rcuit, but app eare d  large-scop e  agitation, the n   recovered to   norm a l level   after  cutting  o ff fault lines;  And the  pa ral l eling  node  freque ncy  ke e p  in   rated valu e, the typical u n i t relative an gle fluc tuate d  within a  wid e  ran ge d u ri ng dist urb a n c e,  then resto r ed  con s tant, th erefo r e, the  system vo ltag e, frequ en cy, angle  we re  stable  after f ault  disturban ce.           Figure 4. Nod a l Voltage Cu rve unde r Fa ult  Distu r ba nce   Figure 5.   Syst em Fre quen cy and Powe r-angle  Curve u nde Fault Distu r b ance     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4433 –  4438   4438 4. Conclusio n   This pa per e s tablish ed the optimizatio n mat hemati c al  models of wi nd power p e n e tration   and cutting m a chi ne, and g enetic al gorit hm based on  Monte Ca rlo  simulatin g  wa s used to sol v the problem.  the analy s is  of pra c tical e x ample  sh o w ed that the i n fluenci ng fa ctor of p enet rat i on  of wind fa rm  con s i s t of the  parall e l no d e  voltage, th e output vari ation ra nge  o f  wind g ene ratin g   set an d mea n  win d  spee d  etc. The  win d  po wer  ca pa city equal s to  the optimi z e d  ca pa city value  in ca se of high proba bil i ty operation  conditi o n ; otherwi se e q u a ls to the cutting machi n e   optimized  capacity value.  Thus the st ability of  the transient  process of the system  can be  guarantee d, and ma king  the best use  of wind power . Research co ncl u si o n  can direct  the   prog ram m ing  and ope ratio n  of reality wind farm.        Ackn o w l e dg ements   Found ation it em: Natu ral  sci en ce a d va nce d  proje c t pro g ram s  f unde d by ed ucatio depa rtment o f  Henan p r ovi n ce (201 0A4 7000 4).       Referen ces   [1]    Sujith M oha nd as, Ash w a n i K u mar Ch an del.  T r ans ient Stabilit y E nha nce m ent  of the P o w e r S y st e m   w i t h  Wind Generation.  T e lko m n i ka Ind o n e si an Jour nal  of Electrical E ngi ne erin g . 201 1; 9(2): 267-2 78.   [2]    DK Agra w a l, NP Patidar, RK Nema. Dema n d  Shi fting Bi dd ing in a H y b r id  S y stem  w i t h  Volati le W i n d   Po w e r Generat i on.  T e lko m nik a  Indon esi an J ourn a l of Electr ical En gin eeri n g . 2012; 1 0 (1): 33-4 2 [3]    LI Qiang, Z H A N G Yang, SO NG Xi aok ai. R e sear c hes  on  the Ca pac it y   o f  W i nd Po w e r  into P o w e r   Sy s t e m Pow e r  System Protec tion an d Co ntrol.  200 8; 36(1 6 ) : 20-24.   [4]    ZHANG Jun, CHAO Qin, DUAN  X i a o tia n  et  a l . Rese arch e o n  Ma xim u m Int egrati on  Ca pa cit y   of W i n d   F a rm Based o n  D y nam ic Co nstrains . Pow e r System Prote c tion an d Co ntrol.  201 1; 39(3):  62-66.   [5]    SHEN H o n g , L I ANG Jun, DAI  Huiz hu.  Calc ul atio n  of W i n d  F a rm Pe netratio n  Bas ed  on  Po w e r S y ste m   T r ansient Stabi lit y  An al ys is.  Power System  Technology.  200 2; 26(8): 8-11.   [6]    LIU Jian xin, N I U Yongzh i , YANG Hong. S e con d -ord er T a ylor E x p ansi o n Search Met hod for W i nd   F a rm Penetrati on Lim i t.  Journ a l of north chi n a electric p o w e r university.  20 08; 35(6): 5 2 -5 6.  [7]    W A NG Haic ha o, LU  Z o n g x ia ng, Z H OU S h u ang xi.  Res earc h  o n  th e C a p a c ity Cre d it of  W i nd E ner g y   Resources . Procee din g s of C SEE .  2005; 25( 10): 103- 10 6.  [8]    W U  Junli ng, Z H OU Shua ng xi , SUN Jianfe n g , et al. Anal ysis on Ma xim u m Po w e r Inj e c t ion of W i nd   F a rm Conn ected to Po w e r S ystem.  Pow e r System T e ch nol ogy.  200 4; 28( 20): 28-3 2 [9]    LIAO  Ping, LI Xi ng yu an.   S u rve y  on Calc ulati on M e tho d s  of W i n d  Po wer Pe netrati on  Limit.  Power   System  Technology.  200 8; 32(10): 50- 53.   [10] Z H ENG  Guoqi ang,  BAO Ha i, Chen Sh u y ong . A m en di n g  Algorit h m  for W i nd F a rm Penetratio n   Optimi z a t i o n  Based o n  Appr o x imate  Li near Progra m mi ng Method .   Proce edi ngs of the  CSEE .  2004 ;   24(1 0 ): 68-7 1 [11]  W U  Jun, LI Guojie, SU N Yua n zha ng. Ma xim u Injectio n P o w e r C a lcu l ati on of W i nd F a r m s Conn ecte d   to Po w e r S y st ems Bas e d  on  Stochastic  Pr ogrammi ng.  P o wer system  t e chnology.  2 0 07; 3 1 (1 4): 15- 19.   [12] QIAO Jiagen g, XU F e i, L U  Z o ng xi ang. Optim i zati o n  An al ysi s  Mode l of Gri d -con necte d W i nd  Cap a ci t y   Based on Dep ede nt  Ch ance Programmi ng.  Autom a tion  of electric power system s.  2 008;  32(1 0 ): 84 - 87.   [13]  Z HU Xuel ing,  Z H ANG Yang,  LI  Qiang, et al.  Researc h  on t he Optimum C apac it y   of W i nd Po w e int o   Po w e rm  S y ste m  Base on G enetic  Alg o rith m.  Pow e r System Protecti on   and  co ntrol . 2 0 10; 3 8 (9):  55- 60.   [14]  LEI Yazhou, W A NG W e is hen g, YIN Yongh u a  et al.  W i nd Pow e r Penetrati on Li mit C a lcu l ation Bas e d   on Ch anc e Co nstrain ed Pro g r amming . Proc eed ings  of the CSEE. 2002; 2 2 (5): 32-3 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.