（电气工程专业论文）风电场并网技术问题研究.pdf

华北电力人。学i ：拌硕斗：学位论文摘要 摘要 论文分析了风电机组技术发展及工作原理，将风电机组分为恒速风电机组、滑 差可调恒速风电机组、双馈变速风电机组和全功率变频变速风电机组；分析了风电 机组模型，包括空气动力学模型、轴系模型、恒速风电机组模型和双馈变速j x l 电机 组模型；研究了风电场并网需要考虑的问题，包括系统潮流、无功电压、调峰调频、 暂态稳定性、电能质量以及风电场对系统短路容量等方面的影响；根据上述模型， 在仿真软件中建立风电场及电力系统模型，通过潮流和暂态计算分析恒速风电机组 和双馈变速风电机组的电压特性，研究风电场并网的无功电压问题；并对各国电网 公司的风电场并网标准进行分析。 关键词：风电机组，电力系统，无功电压，并网标准 a bs t r a c t t h et h e s i si n v e s t i g a t e sm ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r i n c i p l eo fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o r ， s o r t sm ew i n dt u r b i n eg e n e m t o ri n t ot h ef i x e ds p e e dw i n dt u 】b i n e g e l l e r a t o r ，v 撕a b l es l i p f i x e dw i n dt u r b i n eg e n e r a t o r ，d o u b l yf e di n d u c t i o nw i n dt u r b i n eg e n e r a t o ra j l de n t i r ep o w e r c o n v e r s i o nv a d a b l e 疗e q u e n c yv 撕a _ b l es p e e dw i n dm r b i n eg e n e r a t o r i ta i l a l y z e sm em o d e l s o fw i n dt u r b i n e g e n e r a t o r ，i n c l u d i n g踟d y n a m i cm o d e l ， s h a r s y s t e mm o d e l a 1 1 d a s y n c l l r o n o u sg e n e r a t o rm o d e l ，d o u b l y _ f e di n d l l c t i o n 翌e n e r a t o rm o d c l i ti n t r o d u c e st h e p r o b l e m sa b o u tw i n df 锄i n t e 黟a t i o ni n t op o w e rs y s t 锄，i n c l u d i n g1 0 a dn o w ，r e a c t i v ep o w e r 锄dv 0 1 t a g e ，仔e q u e n c yr e g u l a t i o n ，m s i e n ts t a b i l i 以p o w e rq u a l i t ya i l ds h o r t c u r c u i tc 印a c i t y a n ds o0 n 0 1 1 l eb 捌so f t h em o d e l s ，m et h e s i se s t a b l i s h e sm em o d e l so f p o w e r 鲥da l l d w i n dt u r b i n eg e n e r a t o ri nm es i m u l a t i o ns o 胁a r e i ts t u d i e st l l er e a c t i v ep o w e ra i l dv o l t a g e c h a r a c t 嘶s t i co fm ew i n d 仙r b i n eg e n e r a t o r b a s e do na s y l l c h r o n o l l sg e n e r a t o ra 1 1 dd o u b l y - f e d i n d u c t i o ng e n e r a t o rt 1 1 】u 曲l o a dn o wa n dt r a j l s i e l l ts t a b i l i t yc a l c u l a t i o n a tt 1 1 ee n d t 1 1 et l l e s i s s u m m a r i z e st h e 鲥dc o d e so fp o w e r 酊dc o m p a n yi ne v e r yc o u n t 珥 y a n gy h x i a ( b a o d i n gp o w e rg r i dc o m p a n y ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e n k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t o r p o w e rs y s t e m ，r e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g e ，g r i d c o d e 华北电力人学i ：拌硕斗：学位论文摘要 摘要 论文分析了风电机组技术发展及工作原理，将风电机组分为恒速风电机组、滑 差可调恒速风电机组、双馈变速风电机组和全功率变频变速风电机组；分析了风电 机组模型，包括空气动力学模型、轴系模型、恒速风电机组模型和双馈变速j x l 电机 组模型：研究了风电场并网需要考虑的问题，包括系统潮流、无功电压、调峰调频、 暂态稳定性、电能质量以及风电场对系统短路容量等方面的影响；根据上述模型， 在仿真软件中建立风电场及电力系统模型，通过潮流和暂态计算分析恒速风电机组 和双馈变速风电机组的电压特性，研究风电场并网的无功电压问题；并对各国电网 公司的风电场并网标准进行分析。 关键词：风电机组，电力系统，无功电压，并网标准 a b s t r a c t t h et h e s i si n v e s t i g a t e sm ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r i n c i p l eo fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o r ， s o r t st h ew i n dt u r b i n eg e n e r a t o ri n t ot h ef i x e ds p e e dw i n dt u l 如i n eg e i l e r a t o r ，v 撕a b l es l i p f i x e dw i n dt u r b i n eg e n e r a t o r ，d o u b l yf e di n d u c t i o nw i n dt u r b i n eg e n e r a t o ra n de n t i r ep o w e r c o n v e r s i o nv 撕a b l e 厅e q u e n c yv 撕a b l es p e e dw i n dt 1 1 r b i n eg e n e r a t o r i ta i l a l y z e st h em o d e l s o fw i n dt u r b i n e g e n e r a t o r ，i n c l u d i n g踟d y n a m i cm o d e l ， s h a r s y s t e m m o d e la 1 1 d a s y n c h 。o n o u sg e n e r a t o rm o d e l ，d o u b l y - f e di n 血l c t i o n 翌e n e r a t o rm o d c l i t i n t r o d u c e st h e p r o b l e m sa b o u tw i n df 锄i n t e 粤a t i o ni n t 0p o w e rs y s t e m ，i n c l u d i n g1 0 a dn o w r e a c t i v ep o w e r 锄d v o l t a g e ，仔e q u e n c yr e g u l a t i o n ，t r m s i e n ts t a b i l i 啦p o w e rq u a l i t ya 1 1 ds h o r t c u r c u i tc 印a c i t y a r 】l ds oo n o nm eb a s i so fm em o d e l s ，m et h e s i se s t a b l i s h e st h em o d e l so fp o w e r 鲥da i l d w i n dt u r b i n eg e n e r a t o ri nt h es i m u l a t i o ns o m 硼f c i ts t u d i e st h er e a c t i v ep o w e ra i l dv o l t a g e c h a r a c t 嘶s t i co fm ew i n dt u 】m i n eg e n e r a t o r b a s e do na s y l l c h r o n o l l sg e n e r a t o ra 1 1 dd o u b l y - f e d i n d u c t i o ng e n e r a t o rt h 的u 曲l o a dn o wa n dt r a j l s i e l l ts t a b i l i t yc a l c u l a t i o n a tm ee n d ，t 1 1 et l l e s i s s u m m a r i z e st h e 鲥dc o d e so fp o w e r 鲥dc o m p a n yi ne v e r yc o u n t u 1 y a n gy u x i a ( b a o d i n gp o w e rg r i dc o m p a n y ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a n w e n k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t o r p o w e rs y s t e m ，r e a c t i v ep o w e ra n dv o i t a g e ，g r i d c o d e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文风电场并网技术问题研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：罅 日期：训p 、7g 导师签名： 日 期：趣翌星? f 2 矿 华匕电力人学掣硕+ 学位论文 1 1 选题背景与意义 第一章绪论弟一早珀下匕 随着煤、石油、天然气等化石类不可再生能源的同益枯竭和全球生态环境的不 断恶化，如何实现社会经济与生态环境协调发展就成为了世界各国亟待解决的重大 课题。在此背景下，利用洁净能源、可再生能源取代化石类、不可再生能源就越来 越受到人们的重视，并成为世界各国的研究热点。在对洁净能源利用的研究进程中， 风能是利用技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的可再生能源之一，风力 发电技术越来越受到重视并得到了广泛的开发和应用。风力发电具有建设周期短、 装机规模灵活、不消耗燃料、运行不污染环境、不淹没土地和温室气体排放少等优 点，同时能够保护生态平衡、节约矿物能源、缓解供电矛盾以及解锡偏远山区的用 电等问题，在促进可持续发展方面作用突出，被世界各国优先采用，到2 0 0 6 年年 底全世界风电装机容量共7 4 2 2 3 m w 。 人类利用风能的历史已有几千年，在蒸汽机发明之前风能曾经千1 ：为重要的动力 用于提水饮用、灌溉、排水、磨面等。可以确认的历史上最早的风车8 j 现在公元6 4 4 年的阿富汗，人们采用垂直轴风车用于研磨谷物；到了1 9 世纪末人类开始利用 风能发引。但是风力发电真正得到发展，则是始于上个世纪7 0 年代世界的石油危 机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入了大量经费，利用计 算机、空气动力学、结构力学和材料力学等领域的新技术成果，研制现代风力发电 机组，开创了风能利用的新时期。目前，商品化的并网型风电机组，单机容量已由 上个世纪8 0 年代的几十千瓦发展到最大单机容量5 m w 。目前，世界上单机容量最 大的风电机组是德国r e p o w e r 公司的5 m w 额定容量的双馈变速风电机组，其叶片 直径1 2 6 m ，机舱重量4 0 0 吨，轮毂高度1 0 0 1 2 0 米【2 】。 9 9 j1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 i h ) f 2 l x ) i 2 0 0 22 0 0 ：，2 x ) 42 0 惦2 0 ( ) i 印份 一m f u 总杖h l 作j | ( 唧)一1 ，l 新增装机容：i ( 姗) 图卜1 近十年世界风力发电装机容量发展趋势柱状图 咖 咖 蝴 咖 o 协 钟 加 m 一喜一蝴嚣1j=i群 华北电力人学1 科硕十学位论文 卅盔 # 目 基宜一 图l _ 2 截至2 0 0 6 年底世界各国风电装机容量比例 1 9 9 0 年以来，世界风力发电得到了飞速的发展，风力发电累计装机容量平均每 年增长超过2 0 ，仅2 0 0 6 年世界新增装机就达到1 5 1 9 7 m ，其增长速度超过了任 何种电力能源增长的速度。圈1 - l 和图1 2 分别为近十年世界风力发电装机容量 发展趋势柱状图及截至2 0 0 6 年底世界各国风电装机容量比例【3 j 。 我国拥有丰富的风能资源，根据全国气象台风能资料估算，我国陆地可开发风 电装机容量约2 5 亿千瓦，而海上风电的可开发装机容量在75 亿千瓦左右，总共 可开发装机容量约1 0 亿千瓦【4 l 。为实现经挤与社会的可持续发展、推动环境保护、 改善能源结构，国家在政策上也给予了风力发电很大的支持，先后颁布了多项鼓励 风电发展的政策法规。2 0 0 6 年1 月1 日，正式实施的可再生能源法明确要求 “电同企业应当与依法取得行政许可或者报送备案的可再生能源发电企业签订并 网协议，全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并阿发电项目的上同电量，并为可 再生能源发电提供上网服务”。 近两年开始，随着国家风电特许权项目的实施以及2 0 0 6 年1 月1 日可在生 能源法的正式实施，我国的风电场开发建设进入了快速发展时期，截至到2 0 0 6 年底，我国并网风电场的总装机容量已经达到2 5 8 9 m 州”。目前我国经济高速增长、 社会发展对电力的极大需求，以及世界环境污染加剧等为我国风电带来了前所未有 的发展机遇，m 力发电将逐步从弱小走向成熟，对经济和社会发展的作用将越来越 太国家发展和改革委员会初步规划，到2 0 2 0 年力争使风电装机容量达到3 0 g w ， 同时使我国的j 】吨电设计、制造和管理技术选到国际先进水平n 随着风力发电技术的不断进步，单台风电机组容量越来越大。j ) 叱电场的装机容 量也扩大到几十万千万甚至百万千瓦。随着风电装机容量在各个国家电网中所占的 华北电力人学l ：榉颂十学位论文 比例越来越高，对电网的影响范围从局部逐渐扩大到整个电网。目前，从全世界的 范围来看，风电接入电网出现了与以往不同的特点，表现为：( 1 ) 单个风力发电场 容量增大，目d ，j ，国内已经有多个容量高于百兆瓦的规划风电场，在未来数年中， 甚至可能出现百万千瓦的大型风电基地；( 2 ) 风电场接入电网的电压等级更高，由 接入配电网而发展为直接接入输电网络。增加的风电接入容量与接入更高的电压等 级使得电网受风电的影响范围更广。由于风电机组往往采用不同于常规同步发电机 的发电技术，其静态特性及电网发生故障时的暂态特性与传统同步电机有很大不 同。 随着各种新技术、新材料的应用，现代风力发电机组的运行效率和并网特性都 得到了很大的改善。然而，以自然风为原动力的风力发电机组在提供清洁能源的同 时，也会因为自然风的随机性和不可控性而成为不稳定的间歇性电源。可以想象， 由数量众多的风电机组组成的大型风电场接入电网后必然会对电力系统的安全稳 定和经济运行造成一定的影响。 另外，大量风电的接入势必替代电网中部分同步机，这部分同步机组的调频调 压能力必须由其他同步机组或者是风电机组来承担，因此，国外越来越多的电网公 司对于接入电网的大型风电场也提出更高的要求：例如有功功率控制能力、无功电 压的调节能力及风电机组的低电压穿越能力( l v i 玎：l o wv b l t a g er i d et h r o u 曲) 。 目前，欧洲及美国各国的风电并网导则都有类似的要求【7 1 l 】。从这个观点来看，对 于以后越来越大型化的风电场，已经开始具备了发电厂的特性；而由于变速风力发 电机组技术的进步及电力电子变频器在风力发电中的应用，其电压调整能力甚至是 部分的调频能力已经逐步可以在风电机组中实现。 在风电场建设与接入电网之前，进行必要的包含风电场的电力系统分析计算，研究 规划风电场与电力系统之间的相互影响、及风电接入后系统运行的稳定性变化情况，无 论是对于风电场业主还是电网部门而言，都是非常必要的；一方面有助于发现风电场并 网后电力系统中可能出现的问题、明确风电场接入对于系统稳定性的影响；另一方面， 通过必要的控制措施增强风电场并网后电网的安全性与稳定性，同时也能最大限度的保 证风电场的并网发电，保障风电场业主投资的回收与利益。 1 2 国内外研究现状 迄今为止，有多种发电机技术在风力发电中得到过应用。其中基于普通异步发 电机的恒速风电机组是近十几年来应用最为广泛的风电机组类型，根掘其桨距的控 制方案又可分为定桨距失速型与变桨距型【坦】，由于其结构简单、可靠性高、维护方 便，因此一直以来得到了广泛的应用，但是仍存在以下缺点：( 1 ) 风能转换效率不 能保持最优；( 2 ) 由于其采用了普通感应发电机，在发出有功功率的同时会吸收一 。 3 华北电力人学i ：样硕十学位论文 定数量的无功，对电网的电压稳定不利；( 3 ) 由于其输出功率无法控制，风速波动 引起的功率波动乃至电网的电压波动较大，对电网的电能质量不利；而基于变频器 变速技术的风电机组有如下优点：( 1 ) 减少了风电机组机械部件如轴与齿轮箱上的 机械应力( 2 ) 增加了捕获的风能( 3 ) 控制发电机有功与风电机组转速( 4 ) 无功 控制能力。不依靠电网电压，通过转子电路可以为d f i g 提供励磁。( 5 ) 通过转子 励磁电流的独立控制解耦有功、无功控制。因此当基于双馈感应电机或永磁多极同 步电机的变速风电机组技术成熟后，风电工程中更多的开始采用基于变频器变速技 术的风电机组【1 3 j 。7 1 。 风力发电机组的建模研究表明，过于简化的模型将使研究结果失真；过于复杂 的模型会加大分析难度，文献 1 8 2 l 】研究了潮流计算中异步发电机模型，指出不能 简单地把异步发电机的风电场处理为p q 或p v 节点，而是需要在潮流计算中计及 其有功、无功与异步发电机的转差与机端电压的关系。文献【2 1 、【2 2 】中对异步发 电机模型进行了研究，表明采用考虑了异步发电机转子电磁暂态过程的三阶模型能 准确反映风电机组并网的暂态特性。文献 2 3 ，2 4 】中应用相坐标系统建立了双馈电机 的稳态数学模型；采用相坐标系统的双馈电机数学模型是一组带有时变系数的方 程，求解比较复杂。将转子及定子各量经过坐标变换后，可以大大简化计算过程， 如文献 1 5 】 2 5 2 8 中转子和定子各量全都转换为与定子磁场同步旋转的坐标系中。 文献 2 9 将双馈电机的动态数学模型简化为3 阶模型，仿真结果表明与采用复杂模 型所得结果之间的误差较小。文献 1 4 ，1 5 】设计了一种用p w m 变流器构成的对独立 负荷供电的变速恒频发电系统，双馈电机采用矢量控制模型，根据风功率特性公式 推导出转速与机械功率之间的3 次函数关系，并据此提出了一种转速控制。文献 3 0 ， 3 l 】用m a t l a b 对由变速恒频风电机组构成的风电场的动态特性进行了仿真，分析了 风电机组定子无功功率极限，指出即使无功功率设定值在临界值附近时，变速恒频 风电机组仍能运行在允许的功率范围之内。 双馈电机的动态模型都是建立在与定子磁场同步旋转的由坐标系上，是一组由 代数方程和微分方程联立构成的方程组，与普通异步电机模型相比，模型中多了转 子电压变量。转速的调节是通过改变电机的电磁转矩来实现的，当转速偏高时，增 加发电机的电磁转矩，使其大于机械转矩，使转速减小，反之亦然。通过调节转子 电压的幅值和相角，可以改变转子电流，口轴分量控制发电机的电磁转矩，d 轴分 量控制定子绕组的无功功率。 双馈变速风电机组具有以下能力：控制发电机与电网之问的无功交换功率、控 制风电机组发出的有功功率以追踪风电机组的最优运行点或者在高风速情况下限 制风电机组出力。上述功能主要通过变速风电机组的转子侧变频器控制功能及风力 机的桨距角控制来实现的。在额定风速以下时，主要是调节发电机反力矩使转速跟 4 华j 匕电力人学i ：榉硕十学位论文 随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题末处理；在高于额定j x l 速 时，主要通过变桨距系统改变桨距角来限制风力机的机械功率，使风电机组有功功 率保持在额定功率。风电机组的无功功率可以采用恒功率因数控制或恒端电压控 制。 文献 1 4 1 5 】【2 6 2 8 】对变速恒频发电系统的有功功率和无功功率的控制方法进 行了研究，在矢量定向控制下将有功功率和无功功率的控制解耦；文献 3 2 】介绍了 一种由变速恒频风电机组构成的风电场并网运行的控制方法，该方法采用分层控 制，对整个风电场的有功功率和无功功率进行控制，向每台风电机组提供有功功率 和无功功率的参考值：文献【3 3 】介绍了一种新颖的对双馈电机定子有功和无功电流 控制的方法一输出反馈控制，这种控制不需要测量转子电流值，直接通过输出量的 反馈来控制被控量，对参数误差、转子量测量误差和其它不确定性因素有很好的鲁 棒性。文献【3 4 】介绍了对变速恒频风电机组p i d 控制器进行设计的系统化方法，对 风电机组的桨距角控制和转速控制规律给出了参数设计方法，由此方法得出的控制 器具有平滑的动态特性。文献 3 5 】介绍了一种应用自适应控制实现的变速恒频风电 系统，控制器为由一个2 层神经网络构成的自适应控制器，训练数据来源于实验室 并在实际运行中不断更新，它使最大功率运行点脱离了对机械功率测量和系统参数 的依赖。文献 3 6 ，3 7 】对双馈电机的磁场定向矢量控制进行了介绍，在这种控制下， 可以对转速和定子侧无功功率进行单独的控制。文献 3 8 】介绍了一种无需转子转速 传感器的双馈电机控制方法，该方法根据转子量预测出转矩角，从而对转矩和无功 功率进行控制。 上述文献对变速恒频风电机组的控制系统进行了多方面的研究，但目前工业上普 遍采用的是p i d 控制器，它的优点是结构简单，易于实现，反应速度快，缺点是对 外界条件变化的反应比较敏感。尽管有些文献对自适应非线性控制器和模糊逻辑非 线性控制器进行了研究，取得了一定的成果，但这些控制器因为计算量较大，开发 及制作成本较高，且实用性还没有得到验证，所以目前还没有应用于实际变速恒频 风电机组中。 对于常规的电力系统电压稳定性研究而言，电压失稳或电压崩溃的现象都是从 受端系统的负荷点丌始的，由于负荷需求超出电力网络传输功率的极限，系统已经 不能维持负荷的功率与负荷所需吸收的功率之间的平衡，系统丧失了平衡点，引起 电压失稳现象的发生【3 引。而对于并网风电场的地区电网而言，在风电场处于高出力 运行状念时，本来是受端负荷的系统转化称为送端系统，但根据世界各国实际的风 电场运行经验，其电压稳定性降低的问题仍然出现，这是由于风电场的无功特性引 起的：风电场的无功仍可以看做是一个正的无功负荷，由于电压稳定性与无功功率 的强相关性，因此风电场引起的电压稳定性降低或电压崩溃现象在本质上与常规电 华北i 乜力人学i ：群硕十学何论文 力系统电压失稳的机理是一致的【4 0 州】。 国内外有大量文献对风电并网的电压稳定性问题进行过研究。文献f 4 1 4 4 】研究 了采用基于普通异步发电机的恒速风电机组j x l 电场接入对电网电压稳定的影响，研 究表明恒速风电机组运行中发出有功功率的同时需吸收无功功率，整个风电场的无 功需求较大，导致接入风电的地区的电网电压稳定性降低；并指出电压稳定问题还 与并网点的短路容量、送出线路的刚x 比，风电场的无功补偿措施有一定的关系。 文献 4 5 5 0 研究了基于双馈感应电机的变速风电机组的交流励磁控制技术及其对 电网电压稳定性的贡献，指出双馈电机的有功、无功解耦控制使得变速风电机组具 有一定的无功调节能力【4 孓47 1 ，按照系统运行方式的要求及所采用的不同控制策略， 风电机组可以吸收或发出无功功率进行电压控制，甚至能够保持风电场的并网点电 压为恒定值。文献【5 1 5 2 】提出了一种电网对称故障下保持双馈感应风力发电机不脱 网运行的新型励磁控制策略，以实现电网故障期间风电机组的不间断运行。 由于基于普通异步发电机的恒速风电机组的电压稳定问题比较突出，且当前恒 速风电机组仍然是绝大多数风电场中的主流机型，因此对于如何改善基于恒速风电 机组风电场的电压稳定性尤其是暂态电压稳定性尤为值得关注和研究。在电力系统 中为了改善电网暂态电压稳定性，文献 5 3 5 5 研究了s v c 、s 凡盯c o m 等动态无功 补偿设备在风电场中的应用；而对于双馈电机风电机组的上述研究中，未对故障期 间风电机组如何发挥动态无功支持能力进行探讨，并且仅考虑了电磁控制的作用而 忽略了对风电机组机械转矩的控制。 在风电发展的初期，由于风电在电网中所占的比例很小，一般不要求风电场参 与电力系统控制。当电网侧发生故障时由于风电场本身的暂态电压稳定性无法保 证，通常都采用切除风电机组的措施来保证风电场及电网的安全。随着风电机组技 术的进步及风电在电网中所占比例的迅速提高，目前多个国家的风电并网导则都对 风电场提出了更高的要求【7 1 0 】：在规定的故障及电网电压跌落期间，保证一定时间 范围内风电场能够连续运行而不脱离电网，甚至要求风电场在电网故障发生后发出 无功功率参与电网的电压控制。例如从2 0 0 3 年开始，德国e o n 电网公司除了要求 故障后电网电压恢复期间风电场必须保持并网运行外，还要求风电机组动态发出无 功功率以支持电网电压，防止风电机组由于电压过低导致的跳闸。风电场的这种故 障期间保持并网不i 日j 断运行的能力通常称为风电场的低电压穿越能力( l v r t ：l o w v 0 l t a g er i d et h r o u 曲) 。对于低电压穿越能力的实现，上述研究未对故障期j 日j 风电 机组如何发挥动态无功支持能力进行探讨，并且仅考虑了电磁控制的作用而忽略了 对风电机组机械转矩的控制。实际上，当不对风电机组进行控制以降低机械转矩时， 往往还会由于转矩不平衡导致风电机组超速并切除，无法真正实现风电机组的低电 压穿越功能。因此，j x l 电机组的低电压穿越功能需要依靠电磁控制与机械控制的综 6 华北电力人学i ：科硕十学何论文 合控制系统共同作用，提高风电机组本身的暂态电压稳定性来实现。 关于风电机组l v i h 的研究国内发表的文献不多，国外在这方面已经引起了很 高的研究兴趣，特别是受到电力公司对风电并网的限制情况下，对风电机组低电压 穿越功能的研究进一步深入。不同类型的风电机组可采取不同的技术措施来达到 l v i h 的功能要求。对于采用普通异步电机作为发电机的固定转速风电机组，文献 【5 6 提出采用无功补偿的方案来实现风电机组的l v r t 功能，满足风电机组并网标 准对l v l 玎的要求，这种方案需要采用静止无功补偿装置( s v c ) 。文献 5 7 】通过改变 转子回路励磁实现低电压穿越的功能。文献 5 8 】分别讨论了普通异步发电机、直驱 风电机组和双馈风电机组的l v l 玎功能实现。其中双馈变速风电机组可以从机组本 身实现这种低电压穿越能力的要求。在外部系统故障引起风电机组端电压跌落时， 风电场仍然维持运行，完全满足了风电并网标准对于风电机组l v r t 的要求【5 9 刊l 。 1 3 仿真平台介绍 在电力系统仿真研究及实际运行中，数字仿真的方法已经得到普遍应用，从潮 流计算、短路计算、静态电压稳定到电力系统的动态、暂态行为分析，都需要依靠 数字仿真方法来完成。为了用于更为复杂广泛的电力系统研究，例如风电并网或直 流输电，电力系统仿真软件必须有能力支持在其中建立电力系统各个元件的数字仿 真模型及其他研究对象的模型，例如风力发电机组模型。 本文在电力系统仿真软件d i g s i l e n t p o w e r f a c t o r y 中搭建了风电机组的动态 模型，此仿真软件本身具备丰富电力系统元件库，同时还可以通过动态过程仿真语 言( d s l ：d y n a m i cs i m u l a t i o nl a n g u a g e ) 建立研究所需的其他模型，例如风电机 组的各个模块的模型。 d i g s i l e n t 电力系统分析软件【6 2 】包含了几乎常用的所有电力系统分析的功能， 如潮流、短路计算、机电暂态及电磁暂态计算、谐波分析、小干扰稳定分析等。另 外一个重要的特点是：把机电暂态分析模型与电磁暂态分析模型结合到一起，这使 得其既能对电网的暂态故障进行分析，又能研究长期的电能质量问题及控制方法。 d i g s i l e n t 提供了全面的电力系统元件的模型库，包括发电机、电动机、控制 器、动态负荷、线路、变压器、并联设备的模型，风电机组电气部分的模型如：双 馈感应电机、变频器等都包含在已有模型库的标准元件中。风速、机械传动系统、 空气动力学部分及风电机组的控制系统都采用动态仿真语言d s l 在d i g s i l e n t 中 搭建。 华北电力人。学i ：稃硕十学何论文 1 4 本文主要工作 ( 1 ) 分析了各类风电机组工作原理及技术发展，将风电机组按照发电机类型和 控制方式分为恒速l x l 电机组、滑差可调恒速风电机组、双馈变速风电机组和全功率 变频变速风电机组。 ( 2 ) 研究了各类风电机组模型，包括空气动力学模型；轴系模型；基于普通感 应发电机的风电机组模型：基于双馈感应发电机的风电机组模型。 ( 3 ) 提出了风电场并网需要考虑的问题，包括系统潮流、无功电压、调峰调频、 暂态稳定性、电能质量以及风电场对系统短路容量等方面的影响。 ( 4 ) 在建立上述模型基础上，在仿真软件中建立风电场及系统模型，通过潮流 和暂态计算分析基于普通异步发电机和基于双馈感应电机的风电机组的电压特性， 分析风电场并网的无功电压问题。 ( 5 ) 对各国电网公司关于风电场的并网标准进行进行总结分析。 华北电力人学l ：样颂十。学位论文 第二章风电机组的基本结构及原理概述 2 1 风电机组的分类及基本结构 风电机组可以按照其运行方式、控制原则或拓扑结构进行分类：例如按照运行 的转速范围可以把风电机组划分为恒速风电机组与变速风电机组；按照风电机组桨 叶控制方式可以把风电机组划分为定桨距与变桨距的风电机组；按照采用的发电机 类型可以将其划分为基于普通异步发电机( 无电力电子变频器) 、基于双馈感应电 机( 采用部分功率电力电子变频器) 、基于多极同步电机( 采用全功率电力电子变 频器) 的风电机组。 综合上述分类方法目前风电机组市场上的风电机组可以基本划分为下面几种主 要机型： ( 1 ) 基于普通异步发电机的恒速风电机组，采用普通的异步发电机、三桨叶风 力机、风力机低速轴与发电机高速轴之间为齿轮箱，发电机机端装有并联电容器补 偿。 ( 2 ) 基于异步发电机的最优滑差风电机组，与上一种机型的最大不同是发电机 转子绕组通过滑环接入变频器控制的外加转子可变电阻，根据机组运行方式的不同 通过变频器调节转子可变电阻，能够增大风电机组运行的稳定裕度。由于此种风电 机组变速范围有限，因此仍属于恒速风电机组的范畴。 ( 3 ) 基于双馈感应发电机的变速、变桨距控制风电机组。发电机定子直接馈入 电网，转子通过部分功率变频器馈入电网，因此称之为双馈感应发电机。此类变速 风电机组通过变频器实现发电机有功、无功功率解耦控制，使风电机组具有变速运 行的特性，能够提高风电机组的风能转换效率，实现最大风能捕获并减小风电机组 机械部件所受应力；调节改善风电场的功率因数及电压稳定性。 ( 4 ) 基于同步发电机的变速、变桨距控制风电机组。此类风电机组多采用多极 永磁的同步发电机，通过全功率变频器接入交流电网。由于变频器的解耦控制，使 得基于同步发电机的变速风电机组与电网完全解耦，其特性完全取决于变频器的控 制系统及控制策略。 上述几种风电机组的结构如图2 1 所示： 对于基于普通异步发电机的恒速风电机组，一般其风力机桨叶采取定桨距的失 速控制，或者采用主动失速的桨距角控制，也有少数的恒速风电机组采用了桨距控 制( p i t c hc o n t r 0 1 ) 。这种机型的风电机组只能在很小的转差范围内运行，不能充分 华北i 乜力人学i ：稃硕十学位论文 a c d cd c a c ( a ) 基于普通异步发电机的恒速风电机组 ( c ) 基于双馈感应发电机的变速j x l 电机组 ( b ) 基于异步发电机的最优滑差风电机组 ( d ) 基于永磁多极同步机的变速风电机组 图2 1 世界风电市场主流风电机组概念 l o 虱f f = f f 一 风f f f f f f 一 。f f 一一f f 一 一x 风f f f f f f 华北t 乜力人学l ：科硕十学 _ 7 ：论文 有效地利用风能，并且其额定运行时的稳定裕度也较小。为了有效地利用风能，恒 速风电机组的感应发电机一般都采用双绕组结构，对应不同的风速范围发电机可在 不同的极对数下以不同的额定功率运行；此外，基于普通异步发电机的恒速j x l 电机 组还采用了可控硅控制的软并网装置，以在风电机组并网过程中减轻暂态过程的冲 击电流。 基于转子电阻可调的异步发电机的最优滑差风电机组，其转子电阻可以在一定 的范围内通过电力电子装置动态调节，风力机桨叶一般采取桨距角控制；相比于普 通异步机的恒速风电机组，其转速运行范围有所提高，但是仍然在高于同步转速的 很小的转速范围内运行，因此仍属于恒速风电机组的范畴。 基于双馈感应电机的变速风电机组与基于全功率变频器同步发电机的变速风电 机组都属于变速恒频的风电机组，由于具有变速运行的特性，能够提高风电机组的 风能转换效率，实现最大风能捕获并减小风电机组机械部件所受应力；并且能够通 过变频器控制系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制，调节改善风电场的功率 因数及电压稳定性；因此近几年来逐步取代了基于普通异步发电机的恒速风电机组 成为了风电市场上的主流机型。 通过变频器控制改变发电机转速，同时也是改变风力机转速，能够吸收风速波 动引起的功率波动。变速运行相比于传统的恒速运行最重要的优势在于【6 9 】： 减少了风电机组机械部件如轴与齿轮箱上的机械应力一一在阵风期间风电 机组的高惯量起到了飞轮的作用，阵风引起的功率波动被风电机组的机械惯 量吸收。 增加了捕获的风能正是由于变速的特性，使得风电机组的转速能够适应 于风速而连续变化，以保持在最大的风能转换效率系数。 减少了噪音一一在低风速低功率输出的情况下，风电机组能有以低转速运 行。 另外，电力电子变频器在风电机组中的应用使得风电机组与风电场具有了更高 的控制能力，得以实现电网运行方提出的更高的技术要求，例如： 控制有功与无功( 频率与电压控制) 电力系统暂念与动念情况下的快速响应 影响电网的稳定性 改善电能质量( 降低闪变水平，限制过冲电流与短路电流) 目前，风电机组市场上存在着两类变速j x l 电机组的概念： 有限变速概念一一发电机定子直接接入电网，转子通过部分容量变频器接入电网， 华北电力人学i ：稗硕十。学何论文 变频器容量决定了变速的范围( 约为同步转速的3 0 ) 转子的频率及转速可控。 基于双馈感应电机的变速风电机组属于此类。 完全变速概念一一发电机定子通过全容量变频器接入电网。发电机可以是同步 机。这种即是基于全容量变频器的同步发电机的变速风电机组。 2 2 风电机组模型 在风电场建设与接入电网之前，进行必要的包含风电场的电力系统分析计算， 研究规划风电场与电力系统之间的相互影响，无论是对于风电场业主还是电网部门 而言，都是非常必要的；一方面有助于发现风电场并网可能引发的相关问题、判断 风电场接入及不同运行方式对系统稳定性的影响；另一方面，通过必要的控制措施 增强风电场并网后运行的稳定性，尤其是电网侧发生故障扰动情况下的风电场及电 网的安全与稳定性，这样也能最大限度的保证风电场的并网发电，保障风电场业主 投资的回收与经济利益。 为了实现对风电场与电力系统相互影响的研究分析，建立适用于大型电力系统 仿真计算程序的风电机组模型是必不可少的。但是建立反映风电机组各方面特性的 详细风电机组模型显然不现实、对于电力系统分析研究也不必要，因此风电机组的 模型需要在保证足够精确度、能反映出风电机组对电力系统影响的基础上作一定的 简化，且使得仿真时间在可接受的范围之内，这在任何的研究中都是必须的。本节 对风电机组模型进行简单介绍，包括稳态模型和暂态模型。 2 2 1 空气动力学模型 风力发电机组发出的电能是从风能中转化来的，风电机组的叶片从风中捕获部分能 量转化为旋转的动能，然后通过机械驱动系统将机械能传送给发电机，通过发电机将机 械能转化为电能。 风力机的叶片从风中将能量转化为机械功率是一个十分复杂的涉及空气动力学、流 体力学的过程。对于风力机转轮、叶片的空气动力建模，须采用叶素理论。然而，采用 叶素理论建模的过程仍有许多的不足： 由于风电机组三个叶片的扫风面积很大，因此对于叶片不同的区域风速值不同， 不能采用单一的风速信号而必须采用风速序列信号。 需要叶片详细的几何构造的信息。 计算过程更加复杂，所需的计算时问更长。 为了解决上述的问题，当风电机组的电气行为特性为主要的研究重点时，通常采用 简化的建模方法对风力发电机组的空气动力学特性进行建模。 i2 华北电力人学i ：祥硕十学位论文 风速与空气动力功率的关系可有下面的方程描述： r = 三脚2 c 舻，旯) 3 ( 2 1 ) 相应的空气动力转矩方程为： l = 三脚3 q ( 肌) 2 旯 ( 2 2 ) 此处，只，是从风电机组从风中获取的能量转化为的风力机机械功率( w ) ，瓦是从 风中获取的能量转化为的风力机机械动力转矩( 聊) ，p 为空气密度( 姆m 3 ) ；尺为 风机叶轮半径( ，1 ) ；兄= 尺魄，圪为叶尖速比；为桨距角( d e g ) ；略，为风力机叶 轮的转速( m d s ) ；c 。为风机的风能转换效率系数，是五与的函数：为风速。 对于给定的叶尖速比a 和叶片桨距角声，可用下式计算功率系数c 。【2 2 二3 1 ： 11兰堑 。 c ，( ，五) = o 2 2 ( 三岩一o 4 一5 o ) e 五 ( 2 - 3 ) 其中 丑= 1o 0 3 5 力+ 0 0 8 3 + l 由上式根据不同的、五计算得到的q 如图2 1 2 所示： 图2 2 c p ( 兄，) 五关系曲线 由图2 2 ，对于给定的叶片桨距角，不同的叶尖速比力所对应c 。的值相差较大， 同时对于给定的有且仅有一个固定的能使q 达到最大值c ，。，再由 五= r ，可得，在风速不断变化的情况下要保持五= ，必须使吼，随着j x l 速按照 定的比例k 。，= 允。尺变化，只有在这种运行方式下彳能保证风力机捕获的风能最大、 效率最高。风力机的这一特性决定了风电机组控制指标和控制方案的设计，也是人们采 用变速风电机组代替固定转速风电机组的初衷之一。 华北电力人学i ：榉硕十学位论文 2 2 2 轴系模型 在正常的稳态运行方式下，变速风力发电机通过其解耦控制做到了机械部分与电气 部分的解耦，通过采用合适的控制策略，轴系扭振基本上通过变频器滤除，几乎无法察 觉其发出的电力中由轴系扭振导致的谐波。 但是，当电网上出现严重的故障时，例如严重的短路故障，其轴系振荡只有通过对 发电机与风力机质块惯量的详细模拟才能得出【啦4 1 。由于风力机轴的相对较低刚度，风 力风电机组的轴系特性与其他类型的发电有很大不同。 本论文中采用风力机与发电机的两质块模型来表示轴系，分别由风力机与发电机的 惯量表示，其模型通过d i g s i l e n t 仿真程序中的