电子论文-风电并网系统稳态运行的研究.pdf

第35卷 第3期 2007年3月 Vol . 35 No. 3 Mar . 2007 风电并网系统稳态运行的研究 项 真 1 ,江 文 1, 2 ,解 大 1 ,张延迟 2 (1. 上海交通大学 电气工程系,上海 200240; 2.上海电机学院 电气工程系,上海 200240) 摘 要:介绍了风力发电并网的稳态运行的研究现状,包括含风电场的电力系统潮流计算及模型,风电场的静 态电压稳定性的分析方法与模型,电压静态稳定性指标和控制电压失稳措施,风力发电最大注入功率的影响 因素及主要分析方法,衡量发电规模的指标及容量可信度等。对研究方向进行了理论分析并对方法和措施进 行了分类与评价。 关键词:风力发电;潮流计算;电压稳定;最大注入功率;容量可信度 作者简介:项 真(19822 ) , 女,硕士研究生,从事风力发电与电力系统分析研究。 中图分类号: T M614 文献标识码:B 文章编号: 100129529(2007) 0320035206 Research on stable operation of grid2connected wind farm s XIANG Zhen1, JIANGW en1 ,2, XIE Da1, ZHANG Yan2chi2 (1. Dept . of Electrical Engineering, Shanghai JiaotongUniv . , Shanghai 200240, China; 2. Dept . of Electrical Engineering, ShanghaiDianjiUniversity, Shanghai 200240, China) Abstract:The current research on the steady2state operation of grid2connectedwind farms is introduced, including the power flow calculation models for power systemswhich contain wind farms, the analytic methods and models for the static voltage stability ofwind farms, the voltage static stability indices and measures to control the voltage stability, the factors influencing the maximum power injection of wind farms and main relevant analytic methods, indices for wind far m scale, and the capacity credit . The above issues are analyzed theoretically, and the methods and measures are classified and assessed. Key words:wind power; power flow calculation; voltage stability; maximum power injection; capacity credit 在加紧开展研究工作,落实有关运行对策。 7 结语 随着特高压国家级主干电网的逐步形成,超 大规模同步电网运行和电力市场对跨区域电力电 量交易优化配置作用的发挥,对华东电网的安全 稳定运行提出了更高的要求。电网动态稳定问 题、 特高压电网运行问题、 全国联网的联络线控制 问题、 交直流系统相互影响问题、 电力市场运作安 全和经济协调问题,使得华东电网安全稳定运行 面临越来越多的挑战。如何在新的形势下确保系 统的安全稳定运行、 充分发挥电网的输送能力,如 何适应电力市场的要求,将是电网运行人员今后 几年所面临的重要任务。 收稿日期: 2006211230 本文编辑:邵振华 作为一种新型的可再生能源,现代风力发电 产业在20世纪80年代始发于美国加利福尼亚 洲。它具有环境友好、 技术成熟、 全球可行的特 点,并存有超过20年的良好运行记录,因此被人 们普遍认可。截止到2003年底,全世界风力发电 机组的装机容量已经达到了39 234 MW,而到 2012年,全世界风力发电机组总装机容量预计将 超过110 000 MW 1 。但随着风力发电技术的推 广、 建设规模的扩大和风力发电产业市场化的深 入,在风电设备制造、 风电场运行管理、 电能质量 控制、 风电环保问题以及风电与其它形式能源的 联合使用等方面还存在一系列技术问题,如:如何 降低风电成本、 风力机的设计与制造、 风电并网与 电能质量控制、 独立运行风电机组、 储能设备及其 与其他形式能源的联合发电等 2 。 从系统的角度看,风电并网的稳态运行是风 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 36( 总222)2007, 35 (3) 电并网运行后首先要研究的问题。风电机组不同 于一般的发电机或负荷,接入电网后势必会对系 统造成一定的影响,它会减少输电网向该地区输 送的电力,这既缓解了电网的输电压力,一般也会 降低系统的网损 3。潮流计算作为分析电力系 统的理论基础,是分析风电并网最有效的方法之 一,目前风电并网在该领域的研究热点集中在风 电场模型的建立上。早期风电的单机容量较小, 大多采用结构简单、 并网方便的异步发电机直接 和配电网相连,而风电场所在地区往往人口稀少, 处于供电网络的末端,承受冲击的能力很弱,因 此,风电很有可能给配电网带来谐波污染、 电压波 动及闪变问题,这些使得电压稳定性问题成为人 们关注的焦点,力求研究新的无功调度及电压控 制策略以保证风电场和整个系统的电压水平及无 功平衡。此外,风电的随机性也给发电和运行计 划的制定带来很多困难,这就需要重新评估系统 的发电可靠性,分析风电的容量可信度。 1 含风电场的电力系统潮流计算 1. 1 电力系统潮流计算模型 电网中节点电压和注入功率的表达式为: Pi= Ui n j=1 Uj (G ijcosij +Bijsin ij) Qi= Ui n j=1 Uj (G ijsinij- Bijcosij) (1) 式中 n 电网中节点个数; Pi和Qi 节点i注入有功功率和无功功率; Uj和i 节点i的幅值和相位角; Gij和Bij 节点导纳矩阵的实部和虚部。 1. 2 风电机组稳态模型 (1)风力机模型 风能转化为机械功率 4 的表达式为 : Pm=0.5AV 3 CP(2) 式中 空气密度, kg/m3; V 风速,m /s; A 风力机的扫掠面积,m2; CP 风力机的风能利用系数,与尖速比Ttsr ( tip speed ratio)有关,两者之间函数关系可以由试验或 利用插值法 5得出。 CP典型关系曲线见图1,其中尖速比Ttsr是叶 轮尖的线速与风速的比值,表达式为: Ttsr=R /V(3) 式中 R 叶片半径,m; 风轮在风速为V时的旋转角速度, rad/s。 图1 风力机典型特性曲线 (2)风力发电机模型 目前风电机组多为异步发电机,而在进行潮 流计算时,最常用的便是PQ模型及RX模型 6 。 PQ模型根据风电场的有功功率和给定的功 率因数,估算风电场吸收的无功功率,然后作为一 个普通的负荷节点加入潮流程序。考虑感应电机 的稳态等值电路,无功功率可写成有功功率以及 电机阻抗的函数,其公式为: Q = - Q0- Q1P - Q2P 2 (4) 式中 Q0、Q1和Q2 根据实际测得的数据采用二次多 项式拟合而得的多项式系数,这些系数具有一定的规律 性,与电机参数有关。 PQ模型的优点是在潮流计算第一次迭代时 有功功率是风速的函数,如式(2)所述。之后则 被视为常数,从而使无功功率仅取决于母线电压; 缺点是存在计算偏差。 RX模型把感应电机的滑差表示成端电压、 有功功率和等值支路阻抗的函数,给定初始滑差 和风速,计算风机的电功率和机械功率,根据两者 的差值修正滑差,反复迭代,直至收敛。 由异步发电机原理知道,风力异步发电机发 出的有功功率Pc的表达式为: Pc= - I 2 rRr(1- s) /s (5) 式中 Rr 风力异步发电机的转子电阻,; s 滑差,计算公式为s = (n s -nrkr ) /n s 100% , nr为叶片的旋转速度; kr 齿轮比; ns 同步转速; ns=60f/p(f为电网频率,p为异步电机极对数)。 根据功率守恒原理,这两个功率应相等。迭 代过程中当式(2)和式(5)这两个计算功率不等 时,滑差s需要修正,最终使风力机机械功率与发 电机电磁功率相平衡。迭代公式为: 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 项 真,等 风电并网系统稳态运行的研究 37( 总223) sk= sk-1+s(6) 式中 sk- 1和sk 当前的滑差和新的滑差,并且满足: s = J -1P (7) 式中 P 2个计算功率的差,即P=Pm -Pc; J 在分别计算风电场n台发电机的滑差时的n 阶对角矩阵。 RX模型的优点是充分考虑风力发电机的输 出功率特性,比较完善;缺点则是将迭代过程分为 2步:常规潮流迭代计算和异步风力发电机的滑 差迭代计算,其总的迭代次数多,收敛速度慢 7。 文献8 在以上模型的基础上新提出改进PZ 模型。结合常规PQ模型,即在潮流计算中把风 力机当作PQ节点,认为其有功功率就是风力机 的机械功率,只与风速有关,再由异步发电机的定 子阻抗、 转子阻抗接入电网,这样构成风电机组的 整个模型。该模型与常规PQ模型相比,考虑了 风电机组的内阻消耗的有功功率和从电网吸收的 无功功率,同时具有计算简捷、 较易实现、 便于与 通用潮流程序接口的优点。但此方法未计及风力 发电机输出特性中滑差的影响。 (3)尾流效应 当风经过风电机组后速度有所下降的现象称 为尾流效应 9 。尾流效应损失与地形、 地貌、 机 组间的距离和风的湍流强度等有关,根据风电场 地形情况,其模型可分为风电组位于较为平坦地 形的模型和风电机组位于复杂地形的模型 10 。 2 风电场的静态电压稳定性 引起电压不稳定的主要因素是电力系统没有 能力维持无功功率的动态平衡和系统中缺乏合适 的电压支持,而且电压不稳定受负荷特性影响很 大。对于我国目前感应式异步电机为主导的风电 场来说,并入电网运行需要吸收系统的无功功率, 再加上风能的随意性及风电场电气联系薄弱等因 素,使得研究风电场的电压稳定性显得尤为重要。 2. 1 电压静态稳定的分析方法 电压静态稳定性的研究 11 主要是把电压稳 定看作是一个潮流是否存在可行解的问题,并把 临界潮流解看作是电压稳定极限。 (1)特征结构分析法 基于电力网络的潮流方程,不考虑系统的动 态特性,缺点是没有考虑发电机、 负荷、 有载调压 变压器的动态特性,不能反映系统的动态特性。 (2)系统可行域分析法 该方法根据某一系统运行点的系统注入矢量 是否属于可行域来判断系统稳定性。缺点是系统 注入量属于可行域是电压稳定的必要条件而非充 分条件,且无法计及系统中元件和调节税器的动 态作用;其求解为非线性规划问题,计算量大,不 适用于实际系统。 (3)潮流多解法 属于静态稳定分析法,无法计及元件和变压 器的动态过程,且不能直接给出系统电压稳定裕 度和稳定裕度对状态变量、 控制变量的灵敏度信 息;由于需反复求解系统潮流方程,计算量很大。 (4)最大功率法 求解接近临界点的潮流方程的方法,包括负 荷导纳法(把负荷的增加转换成负荷导纳的增 加)、 连续潮流法、 迭代法、 崩溃点法和延拓法等。 (5)混沌、 分岔理论 认为电力系统是强的非线性动力系统,并将 各种稳定问题(角度的、 电压的、 振荡的)与各种 分岔(静态的、 动态的、 局部的、 全局的)广泛联系 起来。此方法引出对电压失稳机理的新的解释, 是目前电压稳定分析的热点问题。 其中在各种风电并网系统分析文献中出现最 多且被认为最为有效的是连续潮流法 12 ,它研究 的是电力系统在一种运行状态下负荷连续增加时 的潮流,通过逐点求取从稳定状态向极限状态变 化过程的轨迹,计算电力系统临界电压和功率极 限。连续潮流仿真可以完成包括极限点(P - V 曲线拐点)的完整P - V曲线潮流计算,其关键在 于选择合理的连续化参数以保证临界点及其附近 的收敛性。连续潮流分析法鲁棒性强并且灵活, 它对有收敛性问题的潮流解是理想的方法,但这 种方法相对需要较长的计算时间。 2. 2 风电系统几种静态电压稳定模型及比较 早在1975年就曾有文献指出了电力系统的 静态电压稳定性与系统潮流雅可比矩阵的关系, 因此在考虑负荷具有任意静态电压特性的条件 下,可以类似地根据广义潮流的雅可比矩阵的性 质来判断系统的静态电压稳定性 13。由于含风 电场的潮流计算最常用的PQ模型与RX模型的 静态特性不同,从而生成的雅可比矩阵也有所不 同。 PQ模型的静态特性可描述为: 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 38( 总224)2007, 35 (3) P =定值 Q = V 2XC - XM XCXM + X V 2P 2 (8) 式中 XC,XM 异步电机等值电路中激磁电抗和机端 补偿电容的容抗; X 定子感抗和归算到定子侧的转子感抗。 PQ模型的收敛特性与常规的PQ节点模型 类似,只是有功功率为定值,仅无功功率在每一次 迭代中随唯一的电压变量变化。而RX模型由于 引入了滑差的迭代,有功功率不再是定值,其雅可 比矩阵可描述成: J= 5P 5 5P 5U 5P 5s 5Q 5 5Q 5U 5Q 5s 5PCM 5 5PCM 5U 5PCM 5s (9) 式中 PC M 风力机机械功率和电磁功率的差值。 PQ节点和RX节点模型的计算结果是一致 的。但PQ节点模型使用更简单,计算效率更高。 风电场的阻抗模型 (RX 模型)雅可比矩阵较复 杂,在运行条件恶化、 节点电压下降的情况下,应 用迭代法求电机滑差可能出现不收敛。因此,在 潮流计算的网络中包括采用异步机的风电场节点 时,一般使用PQ节点模型。以上提到的简化模 型 (PZ 模型 ) , 由于其在潮流计算中仍把风力机 当作PQ节点,故可认为其和PQ模型有相同的静 态特性。 2. 3 电压静态稳定性指标 常用的电压静态稳定指标可分为状态指标 (如:灵敏度指标、 潮流雅可比矩阵奇异指标等) 和裕度指标(如:负荷裕度指标、 负荷稳定储备系 数等)。状态指标只取当前运行状态的信息,而 裕度指标的计算涉及过渡过程的模拟和临界点的 求取。两类指标对系统当前运行点离电压失稳的 距离都能给出某种度量。 2. 4 控制电压失稳的措施 (1)机端并联电容 机端并联电容一方面使风电场的稳态电压保 持在允许范围内,另一方面使得风电场无功电压 灵敏度增加,静态电压稳定性更高,电压崩溃邻近 指标更小,电压波动减小,无功备用裕度增加,风 电场的暂态电压稳定性提高。但值过多的并联电 容补偿可能导致过电压而损坏设备。 (2)地方负荷控制 在地方电力系统的电压较低、R /X比值较大 时,可能出现当风场风速较大时,电压升高的情 况。为了充分利用资源,接入点的地方负荷可以 增加;反之,当风电场出现大负荷、 低电压时则应 尽可能减少接入点的地方负荷。 (3)静止无功系统和静止无功补偿器 随着现代电力电子技术的发展,利用静止无 功补偿器(SVC)或静止无功系统(SVS)来改善系 统电压质量和提高电力系统在小干扰和大干扰下 的稳定性,己获得了较为广泛的应用。它们可吸 收和供给电力系统无功功率,通过协调控制,使其 输出随电力系统特定的控制参数调节变化。 (4)超导储能装置(S MES) 14 S MES能量密度高,而且能够快速吞吐有功 功率,在四象限灵活地调节有功和无功功率,为系 统提供功率补偿,跟踪电气量的波动。在风电场 出口安装S MES装置,可以降低风电场输出功率 的波动,稳定风电场电压。同时S MES是一种有 源的补偿装置,与SVC相比其无功补偿量对接入 点电压的依赖程度小,在低电压时的补偿效果更 好。 除了以上几种控制电压的方法之外,还可采 用新型的带有动态无功控制功能的风力机 15 ,它 可以用不同的速度操作电力电子器件调整风力发 电机的输出电压,保持一定的功率因数,并利用脉 冲宽度调制(PWM)技术动态地控制电机产生有 功和无功,由于它采用变速控制技术,必须估计风 速,不适应风速变化大的风场 16 ,若采用精确定 位控制技术,借助电流传感器或位置编码器来完 成稳定输出的功能,但这样会增加费用且使整个 系统的可靠性降低。另有文献提出智能控制技 术 17 ,它能跟踪风速的变化,使风力涡轮机输出 的功率最优,但由于风速的变化在涡轮机的轴上 产生了附加转矩,使得寻优技术很难追踪高变化 的风速,故其受环境影响很大。 3 风电评估 3. 1 最大注入功率 风电场电气联系薄弱,限制了风电场接入系 统的方式和规模;风电组出力的波动性和间歇性, 使得并网运行的风电相当于一个具有随机性的扰 动源。因此,确定一个给定电网最大能够承受的 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 项 真,等 风电并网系统稳态运行的研究 39( 总225) 风电注入功率成为风电场规划设计阶段迫切需要 解决的问题 18。 (1)衡量发电规模的指标 1) 风电穿透功率极限:风电穿透功率(wind power penetration)是指系统中风电场装机容量占 系统总负荷的比例,表征一个给定规模的电网最 大可以承受的风电功率。风电穿透功率极限定义 为在满足一定技术指标的前提下接入系统的最大 风电场装机容量与系统最大负荷的百分比 19 。 即 风电穿透功率极限=系统能够承受的最大风电场装机容量 系统最大负荷 100% 确定这一指标,首先要考虑到风电的随机性 和不可控性,在风电投入和退出运行的2种情况 下,电力系统的可调节容量应能保证电网频率的 变化在允许的范围内。 2) 风电场短路容量比:定义为风电场额定容 量Pwind与该风电场与电力系统的连接点- PCC (Point of Common Coupling)的短路容量Ssc之 比 20 。即 风电场短路容量比K= 风电场额定容量Pwind 风电场与电力系统连接点的短路容量Ssc 100% 短路容量比通常是指电气设备安装处的短路 容量与其设备容量的比值。这里风电场短路容量 的概念实际上是普通意义上短路比的倒数。其大 小表明系统承受风电扰动的能力的强弱。用这一 指标表示风电场接入规模的大小,是从风电场所 在的局部电网出发,重点考察风电功率的注入对 局部电网的电压质量和电压稳定性的影响。 (2)影响风力发电最大注入功率的主要因素 风电场的最大注入功率不仅取决于风电场的 运行特性和系统中其它发电设备的调节能力,还 与风电接入的系统的网络结构等诸多因素密切相 关。主要包括 18 :风电场接入点负载能力的强 弱;风电场与电网的联接方式;系统中常规机组的 调节能力的大小;风电机组的类型和无功补偿状 况以及地区负荷特性等。 (3)确定风力发电最大注入功率问题的主要 分析方法 1) 时域仿真法:主要用来校验系统的动态性 能,研究风电场和系统之间的相互影响。该方法 物理概念清晰,只要建立的模型正确就可以考虑 多种因素的影响,以及各种因素之间的相互影响。 但这是一种验证性的计算方法,要回答一个给定 系统能够承受的最大风电功率到底是多少,则需 要进行大量的仿真计算。 2) 稳态潮流仿真法:在并网风电场的规划 阶段就深入研究风电场的接入引起的局部系统 节点电压变化。一方面防止风电注入引起的线 路功率过载和节点电压越限,另一方面防止风 电机组因端电压过低过高而造成非正常停机损 失发电量。 3) 静态安全约束和优化的方法 21 :将风电 场最大注入功率问题转化为在一定的安全约束条 件下的风电功率注入最大化的求解。这种方法在 确定风电注入功率极限的同时,还可以给出电力 系统内其他常规机组的最优运行调度方案。但是 没有考虑风力发电厂并网运行的有关动态约束。 4) 频率约束法 22 :其基本原则是考虑到风 电不稳定性的同时兼顾整个电网的安全性和经济 性,这种稳态频率的分析方法与电网的结构没有 关系,而只与电网的负荷水平、 电源性质及组成有 关。频率约束法分析方法对于风电场接入较小的 电网时是必要的。 3. 2 风电场的容量可信度 (1)容量可信度的定义 风电场的容量可信度有2种定义方式 23 : 1) 风电场替代的常规发电机组容量与风电场额定容 量的比值 ; 2) 风电场替代的理想发电机组(可靠 性是1的发电机组)的容量与风电场额定容量的 比值。 容量可信度计算主要取决于4个因素:当地 的风力资源、 风电机组的型号、 电力公司的可靠性 指标定值及其计算方法、 用整个电网或一个地区 还是当地配电网来衡量风电场的容量可信度。实 际上,这两种定义都是用发电系统的可靠性指标 作为衡量风电场容量可信度的标准,可以互相转 换。 (2)容量可信度的评价方法 风电的容量可信度有2种评价方法 24 : 1) 计算含风电系统的可靠性指标,在保证系统可靠 性不变的前提下,风电能够替代的常规发电机组 容量即为其容量可信度,这种方法适合于系统的 规划阶段 ; 2) 时间序列仿真,选择合适的时间段 作为研究对象,通过计算风电场的容量系数(风 电场实际出力与理论发电量的比值)来估算容量 可信度,在负荷高峰时段,可以认为容量系数等于 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 40( 总226)2007, 35 (3) 容量可信度,该方法适用于为系统的运行提供决 策支持。要评价风电对系统的可靠性指标的影 响,首先要知道风电场所在地的气象信息,获得风 资源数据;了解风机的技术参数,根据风速计算风 电场出力;最后根据风电场出力与负荷的相关性, 计算供电可靠性等指标,也可以计算节省的发电 成本等。蒙特卡洛仿真技术是可靠性分析中常用 的计算方法 25。 4 结语 在过去的20年间,风电场的主要特点是采用 感应发电机,其装机规模较小,与配电网直接相 连,对系统的影响则主要表现为电能质量。随着 电力电子技术的发展,大量新型风力发电机组开 始投入运行,风电场装机也达到可以和常规机组 相比的规模,直接接入输电网。因此,风力发电的 研究也从单机控制系统向系统运行方面发展,此 时,风电场并网后稳态运行的研究成为了当前着 重需要关注的方向,与风电场并网有关的电压及 无功控制、 有功调度及稳定性的研究课题正逐渐 成为热点 26 。 参考文献: 1 The American W ind Energy Association ( 2004, March). Globalwind power growth continues to strengthen EB /OL . http: / /Ncww. ewea. otg . 2 杨金明,吴 捷,杨俊华,等.风力发电技术探讨J .太阳 能, 2003. 3. 3JenkinsN.Embedded Generation (Part2) J .Power Engi2 neering Journal, 1996, 5: 2332239. 4王承煦.风力发电实用技术M .北京:金盾出版社, 1995. 5何光渝. Visual c + +常用数值算法集M .北京:科学出 版社, 2002. 6李先允,陈小虎,唐国庆.大型风力发电场等值建模研究 关键问题分析J .电气应用, 2005, (12). 7 Feijoo A E, Cidras J. Modeling ofwind farms in the load flow analysis J . 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