包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态建模(毕业论文).doc

毕业设计（论文）考核评议书系 （ 所 ） 系 (所) 主任 批 准 日 期 毕业设计(论文)任务书 电气工程学 院 电力工程 系 911 班 学生 吴少博 毕业设计(论文)课题 包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态建模 毕业设计(论文)工作自 2011 年 2 月 28 日起至 2011 年 6 月 28 日止毕业设计(论文)进行地点： 电气学院电力工程系 课题的背景、意义及培养目标 近年来随着我国可再生能源发电的快速发展，包含多类型新能源的电力系统规划、分析、运行、控制和保护等方面的研究在国内越来越受到重视，并成为智能电网研究领域的关键问题。海南省在“十二五”末的新能源规划容量将超过580MW，接入方式以分散接入为主，其间歇性和随机性对于与南方电网弱联系的海南电网保护与控制带来影响，包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态建模是研究新能源接入后海南电网故障特征、保护动作性能的基础工作。该课题在新能源发电原理、电磁暂态建模及等值技术的基础上，建立包含多类型电源模型、考虑系统运行方式的海南区域模型，仿真分析故障特征。课题研究涉及新能源发电技术、电磁暂态建模、电力系统故障分析等知识，完成该课题可以提高学生创新水平及理论分析能力，同时论文工作开展对进一步研究新能源电源接入后的电网故障特征及继电保护性能具有重要意义。 设计(论文)的原始数据与资料 1.风力发电场参数。 2. EMTDC软件。 3.电网参数及典型运行方式 课题的主要任务 1.掌握风力发电及并网控制原理 2.学习电力系统各元件电磁暂态仿真模型，研究风电场、电力网等值建模方法。 3.建立包含多类型新能源海南区域电网仿真模型。 4仿真分析包含多类型新能源的海南电网运行特性。 5 英文文献翻译。 课题的基本要求(工程设计类题应有技术经济分析要求) 1.仿真模型正确 2.论文撰写满足毕业设计要求 完成任务后提交的书面材料要求(图纸规格、数量，论文字数，外文翻译字数等) 1.毕业设计论文2万字。 2.英文翻译5000字。 3.包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态仿真模型。 主要参考文献 1. Tabesh A, Iravani R. Small-signal model and dynamic analysis of variable speed induction machine wind farmsJ. IET Renewable Power Generation, 2008, 2 (4): 215-227. 2. 贾旭东, 李庚银, 赵成勇等. 基于RTDS/CBuilder的电磁机电暂态混合实时仿真方法J. 电网技术, 2009, 33 (11): 33-38. 3.杨晓波, 岳程燕, 谢海莲. 用于电磁暂态仿真分析的永磁同步发电机风电场模型聚合方法J. 电网技术, 2011, 35 (02): 115-120. 4. Ekanayake JB, Holdsworth L, Jenkins N. Comparison of 5th order and 3rd order machine models for doubly fed induction generator (DFIG) wind turbinesJ. Electric Power Systems Research, 2003, 67 (3): 207-215 指导教师 接受设计(论文)任务日期 （注：由指导教师填写） 学生签名： 西 安 交 通 大 学毕业设计(论文)考核评议书 电气工程学 院 电力工程 系(专业) 电气911 班级 指导教师对学生 吴少博 所完成的课题为 包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态仿真建模 的毕业设计(论文)进行的情况，完成的质量及评分的意见： 指导教师 年 月 日 毕业设计(论文)评审意见书 评审意见： 评阅人 职称 年 月 日 毕业设计(论文)答辩结果 电气工程学 院 电力工程 系(专业) 毕业设计(论文)答辩组对学生 吴少博 所完成的课题为 包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态仿真建模 的毕业设计(论文)经过答辩,其意见为 并确定成绩为 毕业设计(论文)答辩组负责人 答辩组成员 年 月 日III摘 要论文题目：包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态仿真建模学生姓名：吴少博指导教师：郝治国摘 要随着经济的进一步发展，传统非可再生能源的日益减少，风能、太阳能等可再生新能源发电越来越受到关注。近年来我国可再生能源发电发展迅速，并且越来越呈现出类型增多，容量增大的趋势。作为智能电网研究领域的关键问题之一，包含多类型新能源的电力系统规划、分析、运行、控制等研究已势在必行。针对海南省在“十二五”末的新能源发电规划容量将超过580MW，接入方式以分散接入为主的特点，本文建立了包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态的仿真模型，旨在研究新能源发电的间歇性和随机性对海南电网保护和控制的影响，从而为进一步研究新能源接入后海南电网故障特征、保护动作性能打好基础。在研究了风力发电及并网控制的原理的基础上，建立不同类型风力发电机的多机等值方案。研究海南电网的总体分布特点，提出了海南区域电网电磁暂态建模的原则。分析风电厂的装机及分布情况，将整个网络划分为三个建模子网络。分析风电厂提供的暂态电流对不同线路的影响程度，对线路进行合适的取舍，确定出考察线路与非考察线路。对非考察线路进行电源和负荷等值计算，最终形成三个分块模型并进行仿真，分析仿真结果验证模型的正确性。关 键 词：风力发电；海南电网；建模；模型等值；模型仿真VIIABSTRACTTitle: Simulation Modeling of the Electromagnetic Transient of Hainan Power Grid Containing Kinds of New Sources Power GenerationName: Shaobo WuSupervisor: Zhiguo HaoABSTRACTWith the further development of economy and the shrinking of tranditional non-renewable sources, more and more attention has been paid to wind, solar and other renewable sources power generation. In recent years, renewable source power generation in China has developed rapidly, and its types become more and its capacity becomes larger. As one of the key issues in the field of smart grid research, the research on planning, analysis, operation and control of power system containing kinds of new sources is imperative.In the light of the specialty that at the end of the 12th five-year plan new source power generation planning capacity of Hainan province will be more than 580MW which is mainly dispersively connected to the system, the electromagnetic transient simulation model of Hainan power grid containing kinds of new sources is established in this arcticle. The model is aimed at the research on how the stochastic and intermittendt of new source power generation influences Hainan power grid.Different kinds of wind farm multi-machine equivalent scheme is proposed on the base of the principle of wind power generation and interconnection control. Hainan power grid is divided into three parts according to the capacity and the distribution of wind farms of Hainan power grid. In every part, lines are classified into two groups. The group of lines that are mainly influenced by the wind farm will be selected to form the model, and the group of lines that are less influenced by the wind farm will be equivalented into power sources or load. After calculating the value of the equivalented power sources and load, the final model can be established on PSCAD platform and the simulation result verifies whether the model is correct.KEY WORDS: wind power generation; Hainan power grid; modeling; model equivalence; model simulation目 录绪论目 录1 绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 风力发电技术及暂态建模的研究现状11.3 本文主要工作22 海南电网新能源概况及建模思路32.1 海南电网新能源分布情况32.1.1 海南电网风电分布情况32.1.2 海南电网风电厂基本信息42.2 海南电网建模思路42.2.1 等值模型的建模原则52.2.2 风电对保护可能影响的网域分析52.2.3 等值模型的一次接线图62.3 本章小结73 海南电网风电厂建模83.1 风力发电机原理及模型83.1.1 DFIG的原理及模型83.1.2 PMSG的原理及模型133.2 风电机组暂态等值建模方法163.2.1 风电机组等值思路163.2.2 风电机组机群划分173.2.3 同群机组参数聚合183.3 PSCAD仿真平台下海南风电场建模223.4 本章小结254 海南电网风电厂以外的系统网架建模264.1 分区等值电源及负荷参数264.2 模型中线路参数274.3 系统网架在PSCAD中的模型图284.4 本章小结305 模型仿真运行结果分析315.1 模型的稳态验证315.2 模型故障暂态特征分析355.2.1 峨蔓风电厂附近区域模型故障暂态波形355.2.2 文昌风电厂附近区域模型故障暂态波形365.3 本章小结376 结论与展望386.1 结论386.2 展望38参考文献40附 录41附录1 地理接线图41附录2 英文翻译45致 谢641 绪论1 绪论1.1 课题背景及研究意义近年来随着我国可再生能源发电的快速发展，包含多类型新能源的电力系统规划、分析、运行、控制和保护等方面的研究在国内越来越受到重视，并成为智能电网研究领域的关键问题。海南省在“十二五”末的新能源规划容量将超过580MW，接入方式以分散接入为主，其间歇性和随机性对于与南方电网弱联系的海南电网保护与控制带来影响，包含多类型新能源的海南区域电网电磁暂态建模是研究新能源接入后海南电网故障特征、保护动作性能的基础工作。该课题在新能源发电原理、电磁暂态建模及等值技术的基础上，建立包含多类型电源模型、考虑系统运行方式的海南区域模型，仿真分析故障特征。课题研究涉及新能源发电技术、电磁暂态建模、电力系统故障分析等知识，完成该课题可以提高学生创新水平及理论分析能力，同时论文工作开展对进一步研究新能源电源接入后的电网故障特征及继电保护性能具有重要意义。 1.2 风力发电技术及暂态建模的研究现状风能利用技术的快速发展使风能发电成为目前技术最成熟、最具发展前景的可再生能源利用方式。根据全球风能理事会发布的最新数据，截止到2011年底，全球风电装机容量已达到238GW，预计到2030年，全球风电装机将达到2300GW，可供应世界电力需求的22%。由于单台风机的容量较同步机要小很多，一个风电厂包含的机组数目很多，仿真其快速动态的电磁暂态过程需要的时域数值积分运算量相当巨大，因此计算多个大型风电场的详细电磁暂态数值仿真遇到了前所未有的难题。其一是风电场数量多，分散分布，且场内风机台数巨大，如果没有等值的办法，直接建立模型相当繁锁；其二是采用离线PSCAD/EMTDC等软件仿真包含机组数目巨大的风电场的电力系统的电磁暂态过程须耗费大量的时间，几乎是不可能完成的任务。针对这样的建模难题，人们已经做了相当多的努力。大规模的风力发电的投入不仅对于电网的稳态潮流分布和机电暂态稳定性产生影响，还会对依据电压、电流波形特征的继电保护和控制装置的动作产生不可忽视的影响。但是比较成熟的等值方法是针对稳态潮流计算和机电暂态分析的多机等值模型。而对于电磁暂态情况下的等值研究较少。本文在整合前人的研究成果的基础之上，根据风力发电机的不同机型，选取合理的影响其电磁暂态特性的因素，得到有效的电磁暂态等值方案。针对实际的电网建模，不单单是有风电厂的等值方案就能解决所有问题的。等值方案的验证是在人造的网络环境下进行的，而实际的网络构架远比这复杂。尤其像海南电网这样的网络环境，风电厂分散分布，线路交错相连，且风电厂接入方式多样。这样就需要在研究网络整体特点的基础之上，选取合理的线路作为我们仿真的考察线路，其它非考察线路可进一步经过等值来并入模型。1.3 本文主要工作海南电网的新能源发电以风电为主，而风电厂的出口都接入到110kV变电站，因此与风电厂直接相连的110kV线路及变电站是建模的重点对象，同时有些风电厂的220kV网架比较分散，负荷较多，这样的220kV线路的暂态过程也会受到风电厂较大的影响。基于这样的实际情况，本文围绕建模作了如下的工作：1）整理并总结风力发电及并网控制原理。2）应用风力发电机组等值方案对各风电厂的参数进行了等值计算。3）分析海南电网中风电的分布情况，提出了模型分块的方法。4）作出详细的分块模型电气接线图，并对等值后的电源和负荷进行了计算。5）在PSCAD中搭建包含多类型新能源的海南区域电网仿真模型，仿真其运行特性，得到故障波形，验证了模型的正确性。652 海南电网新能源概况及建模思路2 海南电网新能源概况及建模思路海南省区域电网以220kV为主网架，风电场出口电压为110kV，风电的接入对继电保护特性的影响以对与其直接相连的110kV网络的影响为主，对与其间接相连的近端220kV网络的影响为辅，对远端的220kV网络影响更小。考虑到电气距离，以及整个网络的电源分布，容量比等等因素，只要做适合的取舍，突出受风电影响的主要线路，就能在很大程度上减少工作量和增大模型稳态潮流数据与实际潮流数据的符合度，因此了解海南电网风电场的装机情况和分布情况以及接入网络的方式对于开展下一步的工作尤为重要。2.1 海南电网新能源分布情况海南省新能源发电类型有风力发电，小水电和太阳能光伏发电。海南省在“十二五”末的新能源规划容量将超过580MW，接入方式以分散接入为主。其中小水电和光伏发电的容量较小，主要以风力发电为主。小水电和光伏发电的暂态模型比较简单，文章主要建立了风电厂接入系统的暂态模型，因此分析海南电网新能源分布情况的主要任务是分析其风电分布情况。2.1.1 海南电网风电分布情况从海南电网地理接线图上看，如附录1 a)，海南电网中的五个风电厂分布不均，总体呈现出“一一三”的布局。“一一”指的是峨蔓风电厂和文昌风电厂分别距离其它风电厂的电气距离较远，可单独作为两个局域网来建模；“三”指的是其它三个风电厂，即四更、感城、高排风电厂，它们的电气距离比较近，互相影响，作为一个整体的局域网来建模比较合适。风场送出线以及与送出线直接相连的系统侧变电站（我们在这里简称为送出变电站）是建模的主要研究对象，表2-1是各个风电厂送出线附近系统侧变电站以及送出线路的信息。表 21 海南各风电厂并网信息风电厂送出线路送出线电压等级送出变电站文昌风电厂潮东I线110 kV东坡变电站四更风电厂四新昌II线110 kV新北变电站高排风电厂高龙线110 kV高排变电站感城风电厂感城风电I线110 kV板桥变电站峨蔓风电厂三峨I、II线110 kV峨蔓变电站2.1.2 海南电网风电厂基本信息截止2012年底，海南电网中投入运行的风电场共有五个，分别是文昌风电厂、四更风电厂、高排风电厂、感城风电厂和峨蔓风电厂。这五个风电厂的基本信息如表4-1所示。表 22 海南各风电厂基本信息风电厂机组组成容量（MW）额定风速(m/s)文昌风电厂66*1.5 双馈机9912四更风电厂33*1.5 双馈机 1*2 永磁机51.5双馈机12永磁机13高排风电厂24*2 双馈机4814感城风电厂24*2 双馈机4812峨蔓风电厂33*1.5 双馈机49.512其中机组组成是风机台数单台风机的容量，如峨蔓风电厂的机组组成是66*1.5 双馈机，表示峨蔓风电厂共有66台单机容量为1.5MW的双馈式风机。2.2 海南电网建模思路文章完成了风电影响下的整个海南区域电网的模型的建立，整个建模过程分为以下以下几个步骤：1）建立双馈式风机和永磁直驱式风机的单机模型。2）应用风电厂等值方案建立风电厂的整体模型。3）建立电网系统等值模型。4）将风电厂模型和系统模型合并，形成海南区域电网暂态分析的最终模型。其中单台风机的模型以及风电厂的等值模型按照风机原理和风厂等值方案来建立，这在第3章作详细介绍。针对除风电厂以外的系统部分，由于海南省网络结构复杂，建立详细的模型工作量极大，同时考虑到本课题主要是针对含新能源的系统研究其继电保护特性，建立全网的详细模型没有太大必要，因此采取分区等值建模的方法。2.2.1 等值模型的建模原则风电系统中含有大量的电子电力器件，其电磁暂态特性表现出了与同步系统很大的差异。尤其是在其容量较大的时候，其电磁暂态过程不容忽视。海南电网中，风电作为系统的一部分和同步系统联网，同步电源，风电厂以及线路之间的电气连接关系直接决定了风电的电磁暂态过程对不同线路的影响程度。与风电厂联系紧密而与同步系统联系薄弱的线路在电磁暂态时受风电厂的影响就大，是建模的重点线路；与同步系统联系紧密而与风电厂联系薄弱的线路在电磁暂态时受风电厂的影响较小，是建模的次要线路。在以上的分析中，不难看出简化网络，突出建模重点的可行性。结合海南电网的整体特点，总结得到以下几个方面的具体的建模原则：1）以风电厂分布为依据，将整个网络分成不同的局域网建模；2）以与风电厂直接相连的变电站及线路为主要建模对象，同时兼顾220kV主网架；3）在同一个母线电压下，对于非考察线路，有电源相连的线路端（提供短路电流）等效为一个等值电源；与负荷相连的线路端等效为一个等值负荷；4）绘制等值模型的一次接线图；5）在PSCAD中搭建模型；6）调试模型。2.2.2 风电对保护可能影响的网域分析2.1.1中分析指出，将海南电网按以风电厂为核心分为三个局域网，分别建模，分析其对继电保护特性的影响。为方便标记，将以峨蔓风电厂为核心的局域网称为峨蔓部分，以文昌风电厂为核心的局域网称为文昌部分，以其它三个风电厂为核心的局域网称为四高感部分。下面分别确定每个局域网模型中要保留的线路。一、峨蔓部分建模线路的选取如附录1 b)所示，峨蔓风电厂在峨蔓110kV变电站上网，经110kV三峨I、II线到三都220kV变电站的110kV母线上，三都变电站除特钢、木棠两条近距离110kV负荷外，220kV母线上接有许多电源和大容量220kV变电站。考虑到三都以外的部分的短路电流主要由220kV网架提供，峨蔓风电厂提供短路电流的线路以三峨I、II线为主，故该部分的模型应保留三峨I、II线和三都变电站110kV母线，其余与三都相连的线路等效为负荷和电源，至此，峨蔓部分局域网见其雏形。一、 文昌部分建模线路的选取如附录1 c)所示，文昌风电厂经110kV潮东I线与东坡110kV变电站相连。东坡变电站经双回110kV线路与东路220kV变电站相连。东路站经220kV线路连接玉洲和迈号两个主要的220kV变电站，东路站110kV母线经110kV线路连接其它几个110kV变电站，还带有一些负荷。考虑到东路站所连两条220kV主要线路没有峨蔓处的220kV网架坚强，有可能要接受来自文昌风电厂提供的短路电流，故文昌部分的模型应从文昌风电厂起，直到玉洲、迈号处止。玉洲和迈号以后的线路等值为电源，东路站应有等值的110kV电源和负荷，至此，文昌部分局域网见其雏形。二、 四高感部分建模线路的选取如附录1 d)所示，四高感部分的线路比较复杂。由于四更、高排、感城三个风电厂电气距离较近，与之相连的线路之间可能会相互提供短路电流，因此这部分的线路选取不能简单的较峨蔓文昌部分那样，只考虑与风电厂直接相连的线路。为确保模型的准确性，应选取较大范围内的线路，保证线路之间的贯通。具体的做法是，以龙北、罗带这两个大容量220kV变电站为主体构架，尽可能详细的在模型中展现这两个变电站与其它三个风电厂之间的电气连接关系，同时兼顾只与风电厂相连的110kV线路，这样形成一个多向辐射型的网络。2.2.3 等值模型的一次接线图按照以上的分析，结合海南电网的地理接线图和BPA中的潮流数据，整合出考察线路以及线路末端不同电压等级下的等值电源与负荷，在Visio软件平台上分别搭建出峨蔓部分、文昌部分、四高感部分局域网的详细等值电气接线图。a) 峨蔓部分等值电气接线图b) 文昌部分等值电气接线图c) 四高感部分等值电气接线图图 21 等值电气接线图2.3 本章小结本章分析了海南电网的新能源布局，给出了风电场的详细信息。根据海南省风电分布情况，提出了建立模型的总体思路，并在此基础上绘制了等值模型的一次接线图。这是建模的第一步工作，关系到整个模型最终形式，为下一步的具体建模打下了基础。3 海南电网风电厂建模3 海南电网风电厂建模和传统的同步发电机组比起来，风力发电机的单机容量是相对很小的。风力发电机的单机平均容量的变化范围是从800kW到3MW,而一个风电厂的容量规模一般是从1到200MW。海南电网的五个风电厂由大量的风力发电机单机组成，风力发电机单机数量从24台到66台不等。要建立所有单台风机的详细模型是不可能完成的工作。因为我们考虑先建立单台风力发电机的模型，再按照一定的风机组等值方案进行等值，得到整个风电厂的等值模型。3.1 风力发电机原理及模型作为新能源发电主要方式之一的风力发电实质是将风的动能转换为电能。在风力发电机组中，同时存在着两种物质流：一种是能量流，另一种是信息流；两者相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机的种类很多，但作为交流发电机，不外乎感应式电机和同步电机两种大类。目前我国的风力发电装机多为鼠笼型感应发电机（SCIG）、永磁直驱式同步发电机（PMSG）和双馈式发电机（DFIG）三种风力发电机。海南电网现有的装机中有多数的双馈式发电机（DFIG）和少数的永磁直驱式同步发电机（PMSG）。3.1.1 DFIG的原理及模型1) DFIG数学模型DFIG转子运动方程 式中为DFIG转动惯量；为DFIG转子转速；电磁转矩；为机械转矩。三相静止坐标系中，DFIG发电机定、转子电压方程 式中、为定、转子电压向量；、为定、转子电流向量；、为定、转子电阻对角阵；、为定、转子磁链向量；为微分算子。定、转子磁链方程 式中：； 其中为转子角度；为定、转子互感；为定子漏感；为转子漏感。公式（3-2），（3-3）表明，三相静止坐标系统中，交流电机为时变非线性耦合系统。按磁场等效及功率守恒原则选择三相静止坐标系至两相静止坐标系变换与其逆变换，及坐标系至两相旋转坐标系变换与其逆变换。， ， 式中为轴与轴间夹角。对公式（2-6），（2-7）依次进行及变换（旋转变换转速取为同步速），、两相同步旋转坐标系下交流电机定、转子电压方程 式中、为定、转子电压向量；、为定、转子电流向量；、为定转子磁链向量；转差。定、转子磁链方程 式中定、转子等效互感；定子、转子等效自感，。忽略定子电磁暂态过程，即，得DFIG动态等值电路为 式中暂态时间常数；暂态电势；定子自抗、；暂态电抗；定转子互抗；转子自抗。可得到如图3-1 (a)所示的DFIG动态等值电路。进一步，忽略转子绕组电磁暂态过程，即，有 式中相对转差。由式（3-9），DFIG稳态方程为 式中定子漏抗；转子漏抗。由式（3-10），得到如图3-1 (b)所示的DFIG稳态等值电路。式（3-1）、（3-8）与式（3-1）、（3-10）分别构成了DFIG三阶及一阶动态模型。 (a) DFIG动态等值电路 (b) DFIG稳态等值电路图 31 DFIG等值电路2) 双馈式风机变流器控制模型I.转子侧变流器控制模型众所周知，交流电机产生电磁转矩是定、转子磁场交互作用的结果，只要交流电机定、转子磁通能保持相对静止，任意转速下电机都能稳定运行。此时，定转子电流、电压角频率满足 式中，为定子、转子电压或电流角频率；为转速。由式（3-11）易知，交流电机可由以下两种方式达到稳态：若转子电流频率恒定，无论机械转矩如何变化，只有转速为恒定值时机组才进入稳态，称这种状态为“广义同步”状态，“广义同步”状态下电机具有频率稳定性。若转子电流频率随转速变化，可在任意转速下使机组进入稳态，称这种状态为“广义异步”状态，“广义异步”状态下电机具有转矩稳定性。坐标下DFIG为一线性定常系统，选择不同的坐标系取向，可得不同的交流电机方程及控制方案，DFIG风机一般选择交流电机气隙旋转磁场中的定子磁场为坐标系方向参考实现磁场定向控制，即为轴方向参考。定子磁链方程为 定子电压方程为 忽略DFIG定子电阻（）与电磁暂态过程（），则上式为 交流电机有功、无功功率 上式表明，采用定子磁场定向且电网电压恒定时，DFIG定子有功仅由轴电流确定，无功功率仅由轴电流确定。由于变流器SPWM调制方案只能控制转子输入电压，需进一步确定转子电压与定子电流间关系。由式（3-12）、（3-7）及式（3-6）有 式中经补偿后的转子电压控制量 补偿后转子电压