（电力系统及其自动化专业论文）并网风电场的有功功率补偿与稳定性控制.pdf

a b s t r a c t i i g hp e n e t r a t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n i n t ot h ep o w e fs y s t e mw 订1r e s u l ti n s o m ed e t e r i o r a t i v ei n f l u e n c e ss u c ha sp o o rp o w e rq u a l i 够a n ds t a b i l i t yi s s u e s w i t ht h e i n c r e a s i n gs h a r eo ft h ew i n dp o w e ri nt h ep o w e rs y s t e m ，t h ei m p a c to f i t si n t e g r a t i o ni s b e c o m i n gm o r ew i d e s p r e a d t or e d u c et h ed e t r i m e n t a le f 绝c to fw i n df 细so np o w e r 鲥d s 锄dm e e tt h en e e do ft e c h n i c a l r e g u l a t i o n sf o rc o 皿e c t i n gw i n d 岛m l st op o w e r s y s t e m s ，t h ea c t i v ep o 、v e rc o m p e n s a t i o ns t r a t e g ya n ds t a b i l i t yi s s u e so f 乒i d 。c o i l e c t e d w i n df 打m sa r ei n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n to fs t u d yc o v e r st h e f o l l o w i n g ： a na c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ( a p c ) m o d e lf o r 黟i d c o n n e c t e dd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o ns y s t e m si sp r o p o s e d t h i sm o d e li sb a s e do nah y b r i de n e 昭ys t o r a g es y s t e m ( h e s s ) t oc o m p e n s a t et h ep o w e rf l u c t u a t i o nc a u s e db yd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，s u c ha s w i n dp o w e r h e s st a k e sa d v a i l t a g eo fd i f f br e n te n e 唱ys t o r a g et e c h n o l o g i e st op r o v i d e s a t i s 母i n gc o m p e n s a t i o nc a p a b i l i t ) r w i t l lb o t hh i g he n e r g yd e n s i t ya n dh i g hp o w e r d e n s i t y an o v e ld y n a m i ce n e r g yo p t i m i z a t i o na l g o r i t b a s e do ne n e r g yp r e d i c t i o n ( d e o e p ) i sa l s op r o p o s e dt h a tc o n s i d e r a b l yi m p r o v e st h ee f h c i e n c yo fh e s s ，a n dt h e c o m p e n s a t i o np o w e rc o n t r o lv a l u et r a c k e db yh e s s i sc a l c u l a t e du s i n gaf u z z yc o n t r o l s t r a t e g y t h eh e s s 印p r o a c ha n dd e o e ps t r a t e g ya r e 、7 e n f j e de f f e c t i v e 、 + i t hs i m u l a t i o n s t u d i e s t h i sa p cm o d e la l l o w sh i 曲e ro v e r a l lp e r f o r m a n c ew i t hl e s se n e r g yr e q u i r e d f b rh e s s 。a n dt h e r e f o r et h ec o s tc a nb er e d u c e d t h e r ei sa no p p o r t u n i t yf i o r r e t r o s p e c t i v ee n h a n c e m e n t o fe x i s t i n ge n e r g ys t o r a g ed e v i c e sd u et ot h ep r a c t i c a l i t yo f t h i sm o d e l c o n s i d e r i n gt h a tt h e1 0 wv o l t a g er i d e t h r o u g h ( i v r t ) c a p a b i l i t yo f w i n df a r n l sh a s ag r e a ti m p a c to np o w e rs y s t e ms t a b i l i t y ，an o v e la l t e m a t i v et e c h n o l o g yi sa l s op r o p o s e d t h a ti m p r o v e st h el o wv o l t a g er i d e t h r o u 曲c a p a b i l i 够o fw i n df a n n su s i n gt h es e r i e s d y n 锄i cb r a k i n gr e s i s t o r ( s d b r ) w h i c hc a nb o o s tg e n e r a t o rv o l t a g ea n dd i s s i p a t e s a c t i v ep o w e r as 、杭t c h i n gs c h e m eo fs d b r i si n t r o d u c e db a s e do nt h ed y n a m i cs t a b i l i t y m a r g i no fs p e e d - v o l t a g e t h i sp a p e ru s e sar e p r e s e n t a t i v ew i n df a m l m o d e lb a s e do n 丘x e ds p e e dw i n dt u r b i n e st o 咖d yt h et r a n s i e n tl v r ts t a b i l 咄b o t hd e t a i l e da n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fi t sp e r f b n n a n c es h o wt h a ts d b rc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e l o wv o l t a g er i d e t h r o u g hp e r f o 咖a n c eo fw i n df a 衄s ，a n dt h es w i t c h i n gs c h e m eo f s d b ri ss i m p l ea n de 骶c t i v e t h el v r t sd e p e n d e n c eo np i t c hc o n t r o ls y s t e m sa 1 1 d o t h e rs t a t e o f - a r ta l t e m a t i v e sc a nb er e d u c e dw i t hs d b r k e y w o r d s ：w i n df a n n s ；a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ( a p c ) ；h y b r i de n e r g ys t o r a g e s y s t e m ( h e s s ) ； s t a b i l i t yc o n t r o l ； l o wv o l t a g er i d e t h r o u 曲( l v r t ) ； s e r i e s d y n 锄i cb r a k i n gr e s i s t o r ( s d b r ) 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝塑态堂或其他教育机构的 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谢意。 学位论文作者签名： 签字同期：年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝堑盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝选太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期：年月日签字日期：年月同 浙江人! 硕l j 学位论文 第章绪论 第一章绪论 2 0 0 9 年1 2 月在丹麦召开的哥本哈根联合图气候变化大会，虽然被评价为一次 令人失望的会议，但在很大程度上可以视为全人类联合遏制全球变暖的重要努力。 中国在会上以约束性指标的方式宣布，到2 0 2 0 年，中国单位g d p 二氧化碳排放 将比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 。哥本哈根气候会议上各方的争论还在耳畔回响，罕见 的降雪低温天气又在2 0 1 0 年年初袭击了中国北方大部，专家称此次寒潮不排除与 全球气候变暖有关。在能源形势r 趋严峻、全球变暖f 1 益严重的背景下，大规模 利用风能等可再生能源已成为世界各国应对气候变化的重要议题。 2 0 0 8 年9 月爆发的全球金融危机对世界经济格局产生了重大的冲击，能源战 略转型已经成为世界经济新格局调整的关键因素，风能等新能源在全球金融危机 中面临着发展机遇，并成为全球经济复苏的主导力量之一。风电的大规模开发利 用，对于世界各国应对当前会融危机、降低单位g d p 能耗具有重大而深远的意义。 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国政府的高度重视，风力发 电可作为发展“低碳经济”的一把利剑。 全球的风能蕴藏量非常巨大，据统计。全球风能资源总鼋约为2 7 4 1 0 9 m w ， 其中可利用的风能为2 1 07 m w ，比地球， ：可丌发利用的水能总量还要大1 0 倍。 近几年来，世界风能市场每年都以4 0 的速度增长。预计未来2 0 2 5 年内，世界风 能市场每年将递增2 5 。现在，风能发电成本已经下降到1 9 8 0 年的1 5 。随着技 术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。中国 拥有全世界最丰富的风能资源，但中国也拥有全世界最具多样性、最具挑战性的 风场，中国仪陆地上的风能储量就达2 5 3 亿千瓦。2 0 0 7 年9 月中国政府发布的可 再生能源中长期发展规划中提出，到2 0 2 0 年，我国将在多个地区建成千万千瓦 级的风电基地，在国家“融入大电网，建设大基地”的风电发展战略指导下，届 时全国风电总装机容量将达到3 0 0 0 万千瓦。 1 1 风电发展概况 风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模丌发条件和商业化发展前景的发 电方式之一。世界上的很多国家，尤其是发达国家和一些迅速崛起的发展中国家， 已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电开发 给予了高度重视。自上世纪几r h 年以来电技术闩趋成熟，眦电场建设趋 r 规模化，世界眦力发电得到了耵所未有的龟速发展敝据仝球m 能协会统资 料，截l l 到2 0 0 8 年，全球m 电总装机容量已经超过了12 亿千瓦。例ll 列举了 近r 多年来世界m 电总装机容量戏候概况。尉l2 鞍r 风电装机蚬模州于世界胁 r 的备个国家截止于2 0 0 7 年和2 0 0 8 平的风r 乜装机容量。 1 9 9 71 9 9 81 9 卯2 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7z 0 0 82 。0 95 2 0 l o 年倚( 加表示来统计完全或预浦信) 图1世界风电总装机容量发展概况 蒉固_ - - - _ _ _ _ _ 囡_ ：t j t r 一一j 7 ” 德田- - _ _ _ - _ _ - _ - _ z21 j “。1 西班牙避誓蕾幽- _ - _ 了gl 堤7 4 中田嗣监誓誓愕驽镬_ 以2 1 印度簟- 簟誓- r 。锈5 95 8 7 女女利- 蝌卉酽6 - 2 0 0 8 法口_ n 矗挚4 。2 0 。7 英口幽壳6 “ 丹麦i _ i 躬 葡自牙- 龇i “ os1 01 s2 02 5 3 0 装机容量( 6 w ) 图12 风电装机规模十强国家 mli 9 5 _ 2 i 5 ， mi 4 m i 8 u - 3 ”一 -” 卅一懈- 盯蚰o ou悼曩蘧罾昨封 浙江人学顾i j 学位论文第一章绪论 中国的风力发电起步较晚，自从1 9 8 6 年在山东荣城建成第一个并网j x l 电场以 来，中国政府一直在努力支持风力发r 乜的发展，先后颁布了多项政策法规，有力 地推动了风力发电的发展。2 0 0 8 年，中国新增风电装机容量达到6 3 0 万千瓦，使 得中国风电装机总容量再次翻番达到1 2 0 0 万千瓦，提前两年实现了国家发改委所 提出的“2 0 1 0 年实现风电装机1 0 0 0 万千瓦”的规划发展目标。图1 3 给出了近十 多年来中国风电总装机容量发展概况。 1 4 廿21 叭7 2 0 2 7o - 3 4| 0 1 7o 2 2o 2 7 u 3 4 0 十黼_ _ _ _ - _ _ - 一 1 9 9 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 32 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 2 0 0 72 0 0 8 年份 图1 3中国风电装机规模发展概况 2 0 1 0 年1 月6r ，中l 因国家能源局举行授牌仪式，首批1 6 个国家能源研发( 实 验) 中心i f 式成立。在首批1 6 个国家能源研发( 实验) 中心中就有三个为风电研 发中心：风电叶片研发( 实验) 中心、大型风电并网系统研发( 实验) 中心、海 上风电技术装备研发中心。中国政府提出促进我国风电产业健康发展，加强风电 的建设管理，不断完善政策，峰持以风电特许权的方式建设大型风电场，推动风 电设备的国产化，逐步建立中国的风电产业体系。按照“融入大电网，建设大基 地的要求，从2 0 0 9 年起，中国将力争用l o 多年时间在甘肃、内蒙古、河北、 江苏等地区建成几个千万千瓦级的风电基地。 按照中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会的估计，到2 0 1 0 年年底， 中国风电有望超过欧、美而成为世界风电第一大国，风电总装机容量可能达到或 超过3 0 0 0 万千瓦，从而提前1 0 年达到中国政府确定的风电2 0 2 0 年发展目标，而 到2 0 2 0 年，中国有望实现1 亿或者1 2 亿千瓦的风电装机容量。 磁麓黼隘鬻缀豳翳隧鍪 翦溺麴溺霉的疆缓瞄搬墨 协鋈嘶i蝴熏 嗍一 一 叫一 2 0 8 6 4 1 1 (m口一栅摊暴群碘鎏硼匠匿 浙江人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 2 风电技术的发展趋势 风电技术同新月异，随着风力发电技术的不断进步，风电场容量从目前的十 力千瓦到规划的千万千瓦风电基地，并网j x l 电场容量不断增大，在区域电网所占 的比例不断增多；同时，风电场接入电网的电压等级越来越高。大容量风电场与 接入高电压等级电网使得风电场对于电力系统的影响越来越大，影响范围也越来 越广。纵观世界风电产业技术现实和前沿技术的发展，目前全球风电技术发展主 要呈现以下特点： ( 1 ) 风电机组单机容量持续增大：单机容量不断增大和利用效率不断提高， 风电机组最大容量已经从2 0 0 0 年的0 5 m w 1 m w 增加到目前5 m w 以上，并正在 研究设计8 m w l o m w 风电机组。 ( 2 ) 变桨变速功率调节技术得到广泛采用：变桨距功率调节方式具有载荷控 制平稳、安全和高效等优点，已经在大型风电机组上得到了广泛采用。结合变桨 距技术的应用以及电力电子技术的发展，大多j x l 电机组开发制造厂商丌始使用变 速恒频风电技术，丌发出了变桨变速风电机组，使得在风能转换上有了进一步完 善和提高。 ( 3 ) 双馈异步发f 乜技术已占主导地位：风电机组安装机型证在从传统的鉴于 异步机的| 直| 定转速风电机组过渡剑控制更加灵活的变速双馈风电机型( d o u b l yf e d i n d u c t i o ng e n e r a t i o n ，d f i g ) 。出于d f i g 优良的有功、无功解耦控制性能，使得 基于变速双馈风电机组的大型风电场综合控制成为可能。 ( 4 ) 直驱式全功率变流技术得到迅速发展：无齿轮箱的直驱方式能有效地减 少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统运行可靠性和延长寿命， 减少维护成本，因而得到了市场的青睐。伴随着直驱式风电机组的出现，全功率 变流技术得到了发展和应用。应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调 速范围扩展到o 至1 5 0 的额定转速，提高了风能的利用范围。 ( 5 ) 海上风电技术成为发展方向：海上风电场相对于陆上风电场不需要占用 土地，不会影响自然景观和给周围居民生活带来不便，更重要的是海上发电量明 显优于陆上，适于发展单机容量大的风电机组和建设大型海上风电场。 1 3 风电发展存在的问题与技术难点 风电作为一种新型能源具有明显的优势：( 1 ) 储量大、可再生、无污染，无 4 浙江人学硕 ：学位论文第一幸绪论 需燃料；( 2 ) 技术相对成熟，建设周期短，不受地址制约，无移民问题；( 3 ) 运 行成本低，投资灵活，自动化控制水平高，运行管理人员少。风电的主要缺点是： 能量密度小，随机性大，不宜大量储存。由于风能的随机性、间歇性的特点，风 电场输出的能量也是随机波动的，这是风力发电区别于其他发电方式的最主要特 点，也成为制约风力发电规模的最主要的问题。 风能的这种随机性和问断性增加了风能利用的困难，风力发电以自然风为原 动力，自然风不可控，并且风能很难大量存储，难以像常规能源发电样根据负 荷要求而改变风电机组的出力。风电这种与生俱柬的随机性和不可控性，决定了 风电自身属于不能进行出力调整的电源，与水利发电相比，风力发电的短周期变 动较为显著。此外，由于不同安装地点造成的风速和风向的明显差异，即使在同 一个风电场内的风电机组，其原动力风速的变动也是不同步的。由于风力发电的 这些特性，导致了风电场和电力系统进行能量交换时存在随机性。并且由于风力 发电机组相对投切频繁，造成对电网的冲击。随着风电装机容量的不断增大，对 电网的影响会更加严重，成为制约风电发展的主要因素。随着风电场的容量越来 越大，其输出功率的波动性和| i j 断性对系统的影响也越来越明显，很多与大型风 电场并网运行有关的技术课题匾待解决l 卜”： ( 1 ) 风电场所在地区往往人口稀少，处于供电网络的术端，承受冲击的能力 很弱，因此，风电很有可能给电网带来渚波污染、电压波动及i 人j 变问题。f x l 电并 网会改变系统原有的潮流以及网损分邻，对电网的规划提出了新的要求。风电使 潮流流向和分布发生改变，随着风电注入功率的增加，风电场附近局部电网的电 压和联络线功率将会超出安全范围，严重时还会导致电压失稳甚至电压崩溃。 ( 2 ) 风电的随机性给发电和运行计划的制定带来很多困难，需要耍新评估系 统的发电可靠性，分析风电的容量可信度。为减小风电的波动性对电网造成的影 响，扩大风电在电网中的规模比例，必须提高风电的可预知性，有待于更加准确 地对风电场输出功率进行预测。 ( 3 ) 由于风力的不可控，风电功率的波动性和问歇性会对局部电网的稳定性 和电能质量产生影响，特别是大型风电场的接入，对电网运行的频率稳定也会产 生一定影响。因此，研究并网风电场的功率特性以及如何管理其功率输出成为风 力发电技术中的重要问题。 ( 4 ) 通过附加的储能设备来平滑j x l 电场的输出功率能有效地抑制风电场输出 浙江人学硕l ：学位论支第一章绪论 功率的波动，然而，目前储能设备的单位储能成本比较高，限制了储能系统在风 电以及其它新能源领域的应用。 ( 5 ) 目6 订多个国家的风电并网导则都相继对风电场提出了低电压穿越能力的 技术要求，即要求在电网故障期间风电机组端电压降低到一定值的情况下，风电 场或风电机组在一定时l 日j 范围内能够保持并网不问断运行的能力，这被认为是对 风电机组设计制造技术的最大挑战。 ( 6 ) 考虑到风能资源中心可能远离负荷中心，需要配套建设曝强电网，以解 决大规模风电并网的电网瓶颈。 1 4 本文的研究内容及创新点 考虑到风电并网存在的问题，特别是由风电功率的间歇性和随机性所带来的 系统稳定、电能质量等一系列问题，本文致力于风电并网有功功率补偿控制的研 究，在风能预测的基础上通过储能设备的优化控制来平滑风电场输入电网的有功 功率，另外在风电并网稳定性方面，本文重点研究了低电压穿越问题。本文研究 内容主要包括以下三个方面： 并网风电场的功宰特性与稳定性分析( 第二章) 7 j ：介绍了典型风电机组， 分别对风力机的空，e 动力学模型、机纽轴系模璎、储能系统、风速模型与风能预 测做了简要介绍，分析了普通异步发f 乜机和双馈感应发电机的功率特性，最后在 风电场并网 急定性方面，讨论了电网发生故障时风电机组的低电压穿越问题。 基于混合储能与功率预测的有功功率补偿模型( 第三章) 【1 8 。1j ：针对高穿透 率的分布式发电系统将给电网带来的电能质量、稳定性等一系列问题，文中提出 的有功功率补偿模型将两类储能设备结合使用而构成混合储能系统，兼具两种储 能设备优点，用于改善分布式发电系统的电能质量和并网稳定性，在提高补偿性 能的同时可观地降低了储能设备的成本。还重点提出了基于能量预测的动态能量 优化算法，在风电功率预测的基础上，利用模糊控制给出储能设备的补偿功率控 制策略，以更小容量的储能设备实现了更好的补偿效果。仿真结果表明，该模型 能可观地提高储能系统的性价比，具有实际应用价值。 利用串联制动电阻提高风电并网稳定性( 第四章) 【3 2 。5 0 】：介绍了利用串联制 动电阻提高风电场低电压穿越能力的新方法，在电网故障时串联制动电阻能够提 升风电机组端电压并吸收过剩有功功率，进而提高了稳定性。文中重点提出了基 浙江人学硕 j 学位论文第一章绪论 于转速电压动态稳定域的制动电阻投切策略，针对基于恒速风电机组的风电场模 型进行了低电压穿越稳定性仿真分析。理论分析和仿真结果表明，利用串联制动 电阻能够可观地提高风电场低电压穿越能力，所提出的投切策略简单有效。 本文避丌了研究风电机组的具体问题，而侧重于从风电场与电网接口的角度 来解决问题，相当于从电网的角度来研究风电并网。本文综合运用储能技术、风 能预测技术来解决并网风电场的有功功率补偿，同时在风电场稳定性控制方面重 点研究了低电压穿越的问题。本文所做的创新工作包括： ( 1 ) 用于分布式发电系统的有功功率补偿( a p c ) 新概念的引入：未来智能 电网将容许各种不同类型的分布式电源和储能系统以即插即用的方式接入系统， 特别是当高穿透率的分布式电源接入电网时，电能质量、系统稳定等一系列要求 对智能电网提出了严峻的挑战。本文提出了一种用于分布式发电系统的有功功率 补偿模型，来适应大量随机性电源的接入，以提高系统稳定性和电能质量。 ( 2 ) 混合储能技术与功率预测技术相结合：本文提出的有功功率补偿模型以 混合储能系统( h e s s ) 为基础，将分伽式电源功率预测引入到储能设备的功率控 制中，以提高有功功率补偿效果和降低设备成本为目标。如何利用功率预测的结 果束优化控制储能设备是研究的重点和难点，本文在a p c 模型中蕈点提 j 了基于 能量预测的动态能量优化( d e o e p ) 算法。 ( 3 ) 提高风电场低电压穿越能力的一种新方法：本文避丌了风电机组内部具 体问题的研究，而从风电场并网的角度来研究提高风电场低电压穿越能力的新方 法。不同于传统的并联制动电阻，本文介绍了利用串联制动电阻( s d b r ) 来提高 风电场的低电压穿越能力，提出了基于转速电压动态稳定域的制动电阻投切策略。 该方法具有一定的普遍适应能力，可推广到基于各种类型风电机组的j x l 电场，且 简单而经济，具有实际应用价值。 浙江人学侦i ：学位论文 第一二帝并川风i 【l 场的j j j 率特性j 稳定性分析 第二章并网风电场的功率特性与稳定性分析 2 1引言 随着风力发电在电网中所占的比例不断增加，大规模并网风电场给电力系统 带来的影响不容忽视。为了分析风电场与电力系统的相互影响，需要研究包括各 种类型风电机组在内的风电场模型。本章首先介绍了四种典型风电机组，然后分 别对风力机的空气动力学模型、机组轴系模型与储能系统的应用做了简要介绍 【8 椰1 ，并利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了一个典型风电场模型，用于后续分析研究。 为研究并网风电场的功率特性与稳定性，本章在对风速模型与风能预测做了 简要介绍后，重点介绍了普通异步发电机和双馈感应发电机的功率特性f 9 】。在风电 场并网稳定性方面，介绍了在电网故障时风电机组的低电压穿越问题。 2 2 风电场模型 2 2 1典型风电机组模型 在风电技术发展过程中，风电机组有多种形式，可以按照其运行方式、控韦0 原则或拓扑结构等不l 司方法进行分类。按叶片数量分类有乖叶片、两叶片和多叶 片风电机组；按转轴分类仃水平轴风电机组和难直轴风电机组；按寸。片与风向的 关系分类有上风向和下风向风电机组；按风力机叶片控制方式分类有定桨距和变 桨距风电机组；按转速变化情况分类有恒速和变速风电机组；按采用的发电机分 类有异步、同步、双馈和永磁风电机组等；按运行方式分类有离网型和并网型风 力发电机组。经过长时问的研究与实践，风电机组当前发展的主流趋势为三叶片、 水平轴、上风向、变桨距、变速、双馈并网型风力发电机型。综合这些分类方法， 世界风力发电机组市场上的主流机型可划分为如下四种类型： ( 1 ) 恒速恒频普通风电机组 恒速恒频风电机组基于普通的异步发电机，其主要结构如图2 1 所示。其标准 组成是风轮、鼠笼式异步发电机、齿轮变速箱以及无功补偿电容器组等。这种恒 速运行的风力机组采用定桨距失速控制，或采用主动失速的桨距角控制，也有少 数恒速风电机组采用桨距控制。通过风轮叶片的失速特性来控制风电机组在高风 速时的功率输出。在正常运行时风轮机只能在很小的转差范围内运行，不能充分 利用风能，其额定运行时的稳定裕度也较小。因此，该类型风电机组一般采用双 8 浙江人学硕i ：学位论文第：章并m 风i u 场的功；昝特性j 稳定性分析 速发电机，使j x l 机可以运行在两种不同的速度下，从而提高机组的功率输出效率。 基于普通异步发电机的恒速风电机组般采用可控硅控制的软并网装置，以减轻 j x l 电机组并网过程的冲击电流。 异步机lyl ，u 补偿电容 图2 1恒速恒频普通风电机组 ( 2 ) 恒速恒频最优滑差风电机组 基于异步发电机的恒速恒频最优滑差风电机组( 图2 2 ) ，与上一种机型的最 大不同是，异步发电机的转子绕组通过滑环接入了变频器控制的外加可变电阻， 根据机组不同的运行方式，通过变频器调节转子可变电阻，从而调节转子转速。 该种机组的风力机叶片一般采用桨距角控制。相比前一种机组，其转速运行范围 有所提高，机组运行的稳定裕度有所增大，但此种发电机组的变速范围仃限，只 在高于同步速的很小范网内变速运行，l 盔l 此仍饪丁恒速风l u 机组的范畴。 燹频器 图2 2 恒速恒频最优滑差风电机组 ( 3 ) 变速恒频双馈感应风电机组 这种风电机组主要由风轮机、齿轮箱、感应发电机( d f i g ) 和逆变器等部分 组成( 图2 3 ) 。双馈感应发电机的定子直接与电网相连，而转子通过逆变器连接 到电网中。由于具有变速运行的特性，该种类型的风电机组能够提高风能转换效 率，实现最大风能跟踪并减小j x l 电机组机械部件所受应力，而且能够通过变频器 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。但是，这种风电机组控制方式及保护策略相对复杂，且价格较高。 9 浙江人学坝i j 学位论文 第二审并州风i l l 场的功半特。降。i 稳定r 分析 值得一提的是，双馈感应风电机组所发出全部功率只有小部分通过变频器，因此， 与下一种机型相比，其变频器的容量要小得多。 转。r 侧变痧! 器网侧变频器 图2 3变速恒频双馈感应风电机组 ( 4 ) 基于多极永磁同步机的变速风电机组 基于同步发电机的变速、变桨距控制风电机组大多采用多极永磁同步发电机 ( 图2 4 ) ，通过全功率变频器接入交流电网。该类型机组逆变器的解耦控制策略， 使得基于同步发电机的变速风电机组与电网完全解耦，其运行特性完全取决于变 频器的控制系统及控制策略。由于采用令功率变频器，该类型机组价格昂贵。 电网 d c a c 图2 4 变速永磁同步风电机组 2 2 2 风力机空气动力模型 风力发电机组发出的电能是通过风轮机的叶片从风能中捕获而来的，风能通 过机械传动系统传送给发电机，最终转化为电能。其中风力机叶片将风能转化为 机械能是个十分复杂的过程，涉及空气动力学和流体力学等科学。对于风力机 转轮和叶片的空气动力模型一般采用叶素理论( b l a d ee l e m e n tm o m e n t 啪，b e m ) ， 然而，采用这一理论所建立的模型过于复杂，计算速度很慢，不适用于大型电力 系统的分析和研究。在电力系统分析角度，一般只关注风力机组的电气特性，可 以采用简化的方法对风力机的空气动力系统建模。风速与风机获取的空气动力功 率可由下面的方程描述： 只= o 5 p 尢尺2 c 。( ，旯) 圪 ( 2 1 ) l o 塑三堑塑生塑燮一一 望：! 型坠生些些些! 堑型! 堡壅生塑堕 式中：只为风力机从m 中莸取的机械功率( w ) ，吒为风速( m s ) ，p 为宅气 密度( k g m 。) t r 为x 【轮机的叶轮半径( m ) p 为桨距角( d 耀) ， ：只饥，矿 为叶尖逑比，。为叶轮转速( r a d ，s ) ，c 口为m 机的风能转换效率系数。i 业实 践表明，不同类型的风电机组其风能利用系数f ，大致相同。嘞此针对小刚类型的 风电机组叮以建立相同的风能利片j 模型。 般采用如下的h 岫r 模型： c i p ，柚= ( ? ，t 导一c ；0 一c 。 2 t i a + ( 8 卢卢、+ 1 二生 巴如 ( 2 - 2 ) 对十不同类型的m 电机组，拟合的参数c 1 吨9 有所差别，衰2l 绘出了随速风 电机组和变速眦电机组的拟合参数值： 表2 i 拟合参数值 ( i ( j ( ( ( j ( i( ，【jc ， 恒迎阻虮 0 4 4i 2 jooo 69 465 oo0 0 2 变速 4 帆 01 2 】1 604 0o 51 25o0 8 0 0 3 5 根掘表2 1 。娈述mf a _ _ 【细的拟台参数f l ! ，绘制川蚓25 卢j j 吓的变述u 机( t z 天乐曲纯： o4 o3 c 02 0 1 0 0 1 0 卢2 l o 目：5 图25 变速风机( z 关系曲线 从图2 5 可以看山，对r 给定的叶片桨距角卢( 度) ，不同的叫尖速e t 别孵对 应的值相差较大。在某桨距角下t 自且仪有。个 。使( j 达到最大值c 。邮， 协2 0 肛 ；= ； 。 芦 6 五 彩 ， 42 浙江人学颂l ? 学位论史 第二章并h 风i u 场的功二钲特j 稳定性分析 c p 。、即为最大风能利用系数。由五= 够w 尺民可知，当风速圪变化时，可以通过 调节q 。即风轮机转速，来保证风能的最佳利用系数k ，这样就能实现风力机捕 获的风能最大、效率最高。 2 2 3 轴系模型 继风轮机叶片捕获风能之后的第二个能量传递环节，即为机械传动系统，它 是风力机的重要组成部分之一，虽然风力机的轴系长度远不及汽轮发电机，但是 当电网上发生严重故障时，如发生严重的短路故障，其机械传动系统会发生振荡 从，而带来电气量的振荡。 对风力机机械传动系统进行建模时，一般将桨叶和低速轴作为一个质量块， 而齿轮箱和高速轴作为另一个质量块，得到如图2 6 所示的双质块轴系模型。 图2 6 双质块轴系模型 桨叶和低速轴用风力机惯性时| 日j 常数e 。( s ) 表示，齿轮箱和发电机转子侧 的高速轴用发电机惯性时间常数疗，( s ) 表示，则轴系双质块轴系模型可表示为： 监：互! ! 二坠兰 出 2 日m 堕：茎! 兰二圣 d t 2 h t 譬：2 万厂( 一q ) 功 。、 ( 2 - 3 ) 式中：k 为轴系的刚性系数( k g m 2 s 2 ) ，7 为低速轴相对于高速轴的扭转角度 ( r a d ) ，互。，和瓦分别为j x l 力机机械转矩和发电机电磁转矩，m 。，与功，分别为风力 机和发电机转子转速，为电网频率。 2 2 4 储能系统的应用 近年来，各种储能设备制造技术获得了较大的进展，储能单元的容量越来越 浙江人学硕l ：学位论文第二章并m 风i u 场的助二簪特一h j 稳定性分析 大，逐步为公共电力系统所接受。目前，人们开发了多种型式的储能方式，包括 超导储能技术、超级电容器储能、飞轮储能、抽水蓄能、蓄电池储能、压缩空气 储能等储能方式。表2 2 列举了常见储能技术的性能比较。 表2 2 不同储能方式的性能比较 各种储能方式具有各自的优缺点，表2 3 比较了各种储能技术的优势、劣势及 其应用场合。 表2 3 各种储能方式的优缺点 注：表示完全可行，o 表示有合理性，表示不可行。 在应用范围方面，这罩特别比较了“功率型应用”和“能量型应用”这两种 应用特点，本文第三章将对储能技术的功率型和能量型应用作具体研究。 2 2 5 风电场仿真模型 与常规的发电厂不同，一个容量较大的风电场内往往有数量众多的风力发电 机组。风电场内风力发电机组的位置不同，各风机获得的风能大不相同。另外， 由于各风机间的相互影响使得风电场作为一个整体表现出了与单个风机不同的特 浙江人学颂l ：学位论义第二帝并网风也场的功j 年特性j 稳定十牛分析 性。在与风电接入系统相关的研究中，一般不需要把关注的焦点放在风电场内部 机组之间复杂的联系上，往往将风电场的整体特性作简化处理，一般采用机组等 值的方法进行风电场建模。每个区域的风力发电机用一台风力机对应一台发电机 等值，风力发电机的额定容量是该区域内所有发电机组额定容量的代数和，按照 此方法对风电场各个区域进行单机等值。 本文主要利用加拿大电力公司开发的m a t l a b s i m u l i i 蚶s i m p o w e r s y s t e m s 工 具箱进行仿真研究。电力专家们在s i m p o w e r s y s t e m s 中的贡献在于构建了电力系统 分析用到的上百个交互式库函数以及所编制的宰m l d 文件，将电力系统分析模块与 m a t l a b s i m u l i n k 连接了起来。s i r n u l i n k 是在m a t l a b 环境下的一个交互式操作 动态系统建模、仿真、分析工具。它包含许多电力系统和电力驱动的专用元件， 使用简单而且功能较全面，将复杂的电力系统模块化。s i m p o w e r s y s t e m s 中主要有 各种同步机、异步机、直流机、变压器、单相三相的分布集中参数的传输线、断 路器以及各种电力系统负荷模型，还有大量的电力电子元件模块。 这罩利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建如图2 7 和图2 8 所示的9 m w 并网风电场模 型，该风电场包含6 台1 5 m w 变桨距普通异步风力发电机组( 可替换为双馈风电机 组) ，通过两次升压接入1 1 0 k v 电网。本文后续研究即以该风电场为基础，再通过 附加其他模块或作适当修改末进行深入研究。 图2 7 并网风电场仿真模型 1 4 浙江人学颀i ：学位论义 第二章并m 风l i l 场的功：# 特忡j 稳定性分析 2 3 风电场的功率特性与稳定性问题 2 3 1 风速模型与风能预测 j x l 电机组以风能作为原动力，风能是一种具有随机性、不稳定性特征的能源， 风速直接决定了风电机组的动念特性。为了能精确地描述风速的特点，一般用四 种成分的风速来模拟，即基本风、阵风k 、渐变风和随机风k ： ( 1 ) 基本风k 可取为某时段内风速平均值，在较短时间范围可视为常数； ( 2 ) 阵风k 用于描述风速突然变化时的特性； ( 3 ) 渐变风k 用于模拟风速的渐变特性； ( 4 ) 随机风k 表示风速变化的随机性，可用随机噪声风速成分来表示。 将以上四种风速成分叠加，即可模拟实际的瞬时风速圪。圪可表示为基本风 k 与脉动风圪的合成： 落瑟二乏+ 巧 口4 ， 【圪= k + 匕+ 巧 、7 * m 位论2蛸 = | q 吼o u * ，# 特。j 0 定性h 析 脉动m 速的时叫一f 均值为( 1 ，概率密度确数非常接近于商斯分如。咻动m f i j j 统 计特性乜括湍流强度、湍流积分h 度利湍流功率潜密度等。湍流强度捕述了m 逑 随时n ，】和空刨变化的强度，反映了脉动m 建的相对强度，是拙i 盎大气湍流运动特 】 ! 的最重要特征量：湍流祝分尺度表示大气涡旋i 薹动的尺度，随离地高度增加m 变人随地面粗糙程度增加而减小：湍流功率谱密度是湍流脉动动能在颤域内的 分粕密度，可通过脉动风速的时间相关函数经博里叶变换衙到，电可卣接利用洲 风数据计算得到。 卡曼谱足描述脉动h 【特性功率谱的一种，在风电技术研究巾应用较多，表达 武为： ，= 孟舞铬 弘s ， 式中：s ( ，) 为功率潴密度，口为m 速杯准差，为湍流积分长度( 单位为m ) 。 肿于测亩度 不超过 ( h 时常耳j ( = 2 2 ， 3 ( ) m 州= 6 0 0 m 、f ，为删= 】 度处晌甲均m 逑( 单位为m s ) 。山此”r 得刮皿f 罔29 所小的眦速j # l 莆密度可阻 青山+ 高翱变化的风能密度m 小，低龋，受化旧姒能管度j ；z 火 型5 0 蓑加 毒加 目 固29 脉动风功军谱密度 风速的随机变化性给m 电场运行带来了一些问题。山于j 札遮随机变化且不可 控，高穿运率的i 】c l 电接入电网将给电刚的安全稳定远行和电能质量带来，“峻挑r 钱， 呲速的随机变化也使风电机组的控制变得更加复杂，矾电机维必 j 1 根据币1 ，的胍 况埘转速和浆距角进行实时变化调整，才能保持最大的m 能捕获和机组稳定运行， 并输出高质量电能。风速波动性的影响丰耍体现存两个方而：是对r 乜阚调度舶 影响，二是对胍电场( 风电机组) 自身的影响。 浙江人学顺 ：学位论文铺二帝并m 风f u 场的助尔特一降稳定性分忻 国内外有许多学者对风电场风速预测与风电功率预测相关方面做了大量研 究。风电场风速预测按照预报时问的长短分为长期预报、中期预报、短期预报和 甚短期预报。关于风速预测的研究主要集中在如下几种方法：持续法、人工神经 网络法、空间相关法。 基于风速预测可以得到风电场的风电功率预报，这对于大规模风电并网的实 现至关重要，通过对电网调度计划进行相应的实时调整，可以有效地减轻风电接 入对电网的不利影响，提高风电穿透功率极限，减小电网备用容量，降低电力系 统的运行成本，提高风电场运行效益，使不确定性风能转化为优质能源。另一方 面，风速短期预测对于风电机组的实时控制也有非常重要的意义，风电机组的预 测控制主要是根据风速的预测量，进而改善变桨距控制的动态响应