大规模风电接入对电网稳定性影响的研究

发布时间：2016-06-19 05:28

第 1 章  绪论 

1.1  课题的研究背景与意义
能源是人类社会发展的保障，随着社会的进步，能源消耗总量在不断增加，同时能源结构也在不断变化。如今，电能已成为人类生活和生产的主要能源，80%以上依靠化石燃料提供，然而，地球上的化石燃料不仅数量有限不可再生，并且大量化石燃料燃烧后容易导致气候变暖、环境污染负面影响。因此，积极合理地开发和利用可再生能源是解决全球范围内能源危机、可持续发展等问题的重要手段。根据世界气象组织估计，在世界范围内，风能总储量约为 2.74×109MW，其中可开发量为 2×107MW[1]。风能储量丰富，并且风力发电技术发展迅速，为大力开发风能资源提供了强有力的技术保障，使得风力发电在调整能源结构、改善环境质量、促进电网发展等许多方面发挥着积极作用。随着风电技术的发展和法规政策的不断完善，风力发电进入了一个高速发展时期，正在成为新能源产业的支柱。人类利用风能已经有很悠久的历史，风力发电始于丹麦，1891 年丹麦气象学家 Paul La Cour1 制造出了世界上首台风力发电机，并且推动了风力发电在丹麦的应用，随后世界各国也相继建造了大批的风电机组，然而当时化石燃料发电机组应用广泛，特别是二十世纪五十年代中东石油的开发，提供了充足的化石燃料，使得风电产业发展进入一个相对缓慢期。 自二十世纪八十年代以来，随着世界范围内的化石燃料危机，风力发电得到了各国的重视，现代风力发电及其产业再次进入了快速发展的黄金阶段。风电机组单机容量不断增大，1987~1997 年风电机组制造技术趋于成熟，单机容量以500-1000kW 为主，风力发电进入一个稳定的商业化发展模式，1997 年至今是风力发电的高速发展时期，兆瓦级风电机组成功研究并投入使用，双馈感应发电机组和带全额变频器的直驱永磁同步发电机组成为市场上的主流机型[1]。同时，世界范围内风电装机容量也在飞速增加，从 1980 年的 160MW 到 2012 年的282430MW，1990~2012 年间风电累计装机容量增速保持在 20%以上，成为增长速度最快的发电形式。 
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1.2   国内外对风电接入电网后稳定性的研究现状 
电力系统电压稳定是指电力系统受扰大的或者小的扰动后，电网电压能够保持或恢复稳定运行的能力。对传统的电力系统电压稳定研究表明，电力系统能否保持电压稳定主要取决于无功功率是否平衡，电压失稳或者崩溃事故往往是由系统无功备用容量不足引起的[4-5]。一般，可将风电场看做电力系统中的一个无功负荷，其电压稳定性与传统电力系统的电压稳定性具有一致性，然而由于风电机组运行特性与常规同步发电机不同，其电压稳定性又与传统电力系统有着不同的特点。 国内外很多学者针对大规模风电场并网引起的电压稳定性问题已经进行了深入研究。文献[6]针对传统的恒速异步发电机并网进行了仿真分析，结果表明，恒速异步风力发电机在向电网中送出有功功率时还需要电网提供无功功率进行励磁，容易导致电网的无功不足而引起电网失稳，仿真结果还指出风电并网对系统电网稳定性的影响程度还和风电场无功补偿、送出线路参数、与电网联系紧密程度等都有关系；文献[7]利用电容器、静止无功补偿器（SVC）等无功补偿装置提高恒速异步风电机组电压稳定性，并分析了不同补偿方式对控制效果的影响；文献[8]针对主流的双馈风力发电机组并网进行了仿真分析，结果表明，由于双馈风力发电机组可以通过变频器对有功和无功功率进行解耦控制，使得其能够灵活地调节无功出力，在较大程度上改善风电接入地区电压稳定性；文献[9]利用SVC、静止同步补偿器（STATCOM）等装置，为风电场提供动态无功补偿，改善了双馈风力发电机组暂态电压稳定性；文献[10]研究了电网故障情况下变频器的控制策略，使得双馈风电机组在电网故障期间为电网提供动态无功支持，提高风电场并网的暂态电压稳定性；文献[11]通过桨距角控制和暂态电压控制策略相结合，同时调节双馈风电机组电磁功率和机械功率，减小了作用在机组上的过剩转矩，改善了风电机组在电网故障时的低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力。 
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第 2 章 双馈风力发电系统的数学模型

典型的双馈风力发电并网控制系统如图2-1所示，主要由空气动力系统模块、轴系模块、双馈感应发电机模块、变频器控制模块和桨距角控制模块构成，为弄清楚双馈风力发电系统的运行工作原理，本章分别对各个模块的数学模型和控制结构进行详细介绍。 

2.1  空气动力学模型
风力机是将流动空气的动能转换为旋转叶片的机械能的装置，是风力发电系统能量转换的首要环节，根据空气动力学理论，风力机的风能转换效率 Cp可以通过 λ 和 β 确定，典型的 Cp曲线如图 2-2 所示。双馈风力发电系统是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，如果采用传统的控制手段往往十分复杂，并且控制效果也不理想。近 20 年来发展起来的矢量控制技术可以简化风电机内部各变量之间的耦合关系，使控制简单化。 
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2.2  轴系模型 
一般的，风力发电机的轴系系统可以等效为三个质量块：风机质块、齿轮箱质块（直驱风力发电机无齿轮箱质块）、发电机质块，根据不同的研究目的，风力机的轴系有着不同的建模方法。当需要准确的反映风力机轴系的动态响应特性时可以采用三质块模型；由于齿轮箱的惯性系数相对于风机和发电机较小，一般可以忽略齿轮箱的惯性，建立两质块模型；如果不以研究风机轴系动态响应为目标，为了提高仿真速度，可以进一步忽略传动部分的阻尼系数和刚性系数，建立集中质量块模型。对于双馈风力发电机，由于变频器的作用，发电机转子转速与电网的频率解耦，在稳态运行时，其轴系动态过程对系统仿真结果影响较小，然而暂态过程中，由于发电机轴系可以储存或释放部分旋转动能，其转子转速的变化对电网的动态过程具有较大影响，因此，为了更加准确的反映双馈风电机组的动态特性，在暂态稳定仿真试验中一般采用两质量块模型，一个质块为风机质块，一个为发电机质块，两质块轴系模型如图 2-3 所示，对应的数学模型方程可表示为[28]：对双馈感应发电机建模，首先应选定参考坐标系，选择不同的参考坐标系将得到不同的数学模型和分析方法，双馈风力发电常用的参考坐标系主要有 x-y 参考坐标系，定子电压参考坐标系（stator voltage reference frame，SVRF）、定子磁链参考坐标系（stator  flux  reference  frame，SFRF）以及转子参考坐标系（rotor reference frame，RRF），各坐标系之间的如图 2-4 所示[54]。 
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第 3 章 大规模风电接入对电网电压稳定性的影响 ............ 23 
3.1  风电场集电系统介绍 ............ 23 
3.2 DFIG 无功功率运行极限分析 ....... 25
3.2.1 DFIG 定子侧无功极限计算 .......... 25
3.2.2 DFIG 网侧无功极限计算 ..... 25 
3.3  风电场无功补偿 ........... 26
3.4  双馈风电场无功电压协调控制策略 ...... 30
3.5 风电场稳态电压协调控制数学模型 ....... 31 
3.6 风电场稳态电压协调控制模型求解 ....... 33 
3.7 算例分析 ...... 34
3.8 本章小结 ...... 39 
第 4 章 大规模风电并网对电网功角稳定性影响 ...... 40 
4.1 振荡能量和系统的稳定性 ..... 40 
4.2 基于振荡能量消耗的双馈风电场稳定控制 .... 44 
4.3  双馈风电场稳定控制器设计 ......... 46
4.4  算例分析 ..... 49
4.5  本章小结 ..... 53 
第 5 章  结论与展望 ........ 54 
5.1  结论 .... 54 
5.2  展望 .... 55 

第 4  章 大规模风电并网对电网功角稳定性影响 

随着风力发电规模的不断扩大，风电场由小规模地接入配电网络不断发展为大规模地接入输电网络，呈现出了与以往不同的特点，其对电力系统功角稳定影响越来越突出。双馈风力发电机由于能够实现与电网的柔性连接和最大风能跟踪控制，目前已逐步取代恒速风电机组，成为市场上的主流机型。然而，在常规情况下，为了最大化的利用风能资源和提高风电机组运行时的功率因数，双馈风电机组一般采用最大功率点跟踪（MPPT）控制和恒功率因数（DPC）控制方式，其稳态运行时向电网输出最大有功的同时并不从电网吸取无功。然而，当电网发生故障时，双馈风电机组失去了维持电网动态稳定的能力，其对电网惯量的贡献、不平衡功率的阻尼作用和暂态电压支持能力几乎为零[35-42]。随着风电机组低电压穿越能力的实现，风电场具有为电网提供动态稳定控制的能力。因此，研究风电场和电网之间的交互作用，对风电场进行有效的调控，提高风电接入系统的安全稳定性成为一个亟待解决的问题。 一直以来，能量函数在研究电网的稳定性方面扮演着重要角色，电力系统稳定性的程度可以用暂态能量的多少表征[59-60]。然而，传统的暂态能量函数法研究电网的稳定性是建立在构造系统具体的暂态能量函数和求得系统能量函数的临界值的基础上的，在很大程度上限制了能量函数的应用和发展。系统的振荡能量和暂态能量函数法中的暂态能量是一致性的，该方法不需要构造能量函数，利用实时监测数据即可计算得出，可以避免含风电场电力系统暂态能量函数构造的困难。振荡能量反映了系统中能量的分布、传播和消耗，从振荡能量流中可以获得能量产生和消耗的信息，从而定量地评估元件的阻尼特性，研究提高系统动态稳定性的方法。  

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结论

近年来，随着风电穿透功率不断增加，加之风电机组不同的动态特性和控制技术，风力发电对电网稳定性的影响也越来越突出。因此，研究大规模风电场接入对电网稳定性的影响以及相应的改善措施，有助于进一步发现风电场运行过程中可能出现的问题，，同时也能最大限度的保障风电场并网发电，具有重要的现实意义。 本文首先介绍了近几年风力发电的发展现状和风电并网对电网稳定性影响的研究现状，进一步在前人研究工作的基础上对大规模风电接入对电网稳定性的影响进行了较为深入的研究，主要研究内容包括电压稳定性和功角稳定性两部分，完成的工作总结如下：  
（1）详细介绍了双馈风力发电机系统的数学模型，主要包括空气动力系统模型、轴系模型、双馈感应发电机模型、变频器控制模型和桨距角控制模型；推导分析了双馈风力发电机实现有功、无功解耦控制的原理，并建立相应的控制模型；最后，在 DIgsilent/PowerFactory 仿真软件中建立双馈风力发电系统的综合控制系统模型。 
（2）电压稳定性研究部分针对传统的风电场运行时的电压控制大多以稳定系统关键节点电压为控制目标，而对风电机组机端电压的均衡性考虑较少的问题提出了一种改善双馈风电场运行安全性的无功电压控制策略。在研究典型的放射式集电系统电压分布及其无功补偿的特点的基础上，对典型的放射式集电系统稳态和暂态两种运行状态设计了相应的无功电压协调控制方案。通过仿真验证可以看出，本文提出的无功电压协调控制策略在风电场稳态运行时能够均衡风电机组机端电压裕度和提高风电场动态无功储备容量，从而在电网电压扰动或电网故障期间有效地预防风电机组连锁脱网，提高风电场运行的安全性，起到预防控制的效果；风电场故障情况下的本文控制策略通过快速动态无功补偿，提高了双馈风电场的故障穿越能力。 
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参考文献(略)

本文编号：58918