（电力系统及其自动化专业论文）考虑风速随机性的风电场电压相关问题的研究.pdf

a b s t r a c t f a c e dw i t ha ni n c r e a s i n g l yp r o m i n e n ti s s u ea b o u te n e r g ya n de n v i r o n m e n t a l ， t h e r ei sag r o w i n ge m p h a s i so nt h ed e v e l o p m e n ta n du s eo fr e n e w a b l er e s o u r c e s w i n dp o w e rg e n e r a t i o nc o n d u c t sam o r em a t u r ep a t t e r nw h i c hr e n e w a b l ee n e r g yi s u s e da n di sg r o w i n gr a p i d l y , t h ep r o p o r t i o no fw i n dp o w e ri si n c r e a s i n gi nt h ep o w e r g r i d o w i n gt ow i n dp o w e ra c c e s s i n g t og r i d ，i th a sc h a n g e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e o r i g i n a lp o w e rf l o w , a n dm a d ev o l t a g es t a b i l i t ya n dt r a n s i e n ts t a b i l i t yo ft h eg r i d c h a n g e d m o r e o v e r ，t h er a n d o ma n di n t e r m i t t e n to f w i n ds p e e dr e s u l ti nv o l a t i l i t yo f t h eo u t p u tp o w e ri nt h ew i n df a r m ，a n dt h e ys e v e r e l ya f f e c t e dv o l t a g eq u a l i t y t ol e a d t ot h el e v e lo fl o c a lv o l t a g el e s s e n ，w h i c hb e c o m e sam a j o rc o n s t r a i n i n gf a c t o ri nt h e d e v e l o p m e n to fw i n df a r m s i nt h i sp a p e r t h es t a b i l i t yp r o b l e m s o fw i n df a r m a c c e s s i n gt og r i dh a v eb e e ns t u d i e d ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ew i n ds p e e dm o d e lo f t h eq u a r t e rm e t h o dd i v i s i o n a n dt h et r a n s m i s s i o nl i n em o d e lo ft h es i m p l i f i e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，a n d i tc o n s i d e r st h es l i pr a t i oo ft h ed o u b l y - f e di n d u c t i o nw i n d t u r b i n ea n dt h e r a n d o m n e s so fp o w e rw h i c hw i n dt u r b i n ei n j e c t st h es y s t e m ，a f t e rt h a tt h e ni td e r i v e s d y n a m i cv o l t a g ec o l l a p s e i n d e x a n dt h e ni tc o n s i d e r e dw i n dp o w e rs y s t e m a c e e s s i n gt os t a t i cv a rc o m p e n s a t o rt oi m p r o v ep r e v e n t i o nc a p a b i l i t i e so f t h es y s t e m v o i t a g ec o l l a p s e t h ei n d e xp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s f o rd i v i d i n gi n t ov o l t a g e w e a ka f e a so ra r e a so fi n c i d e n tv o l t a g ec o l l a p s ea n dr e a l t i m es t a b i l i t yc o n t r 0 1 ( 2 ) o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h eb a s i cc i r c u i ts t r u c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l e ， m a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h es t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r , u n d e rt h ew i n ds p e e da n dt h r e ep h a s es h o r tf a u l td i s t u r b i n g ，i ts t u d i e sa n ds i m u l a t e s r e l a t i v e l yt h ee x a m p l et h eo fw i n df a r mc o n t a i n i n g s i xs t a n d a l o n ec a p a c i t yo f 15 0 0 k wo ft h ed o u b l e f e di n d u c t i o nw i n dt u r b i n eb e f o r ea n da f t e ra c c e s s i n gt ot h e s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ed e v i c e c a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ew i n df a r mp o w e rq u a l i t y a n ds t a b i l i t y ( 3 ) i na l l u s i o nt ob a s i cs t r u c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g ed e v i c e s ，a n dt h e nt h i sp a p e rr a t i o n a l l y d e s i g nt h ep r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l c o n t r o l l e ro fp o w e rd e c o u p l e do ft h e s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g y s t o r a g et os u p p r e s sp o w e rf l u c t u a t i o n s ，t h u s s m o o t h i n gt h ew i n df a r mo u t p u tp o w e r f i n a l l y , i ts i m u l a t e sa n ds t u d i e st h ew i n d l i f a r mc o n t a i n i n gs i xs t a n d a l o n ec a p a c i t yo f15 0 0 k wo ft h ed o u b l e - f e di n d u c t i o n w i n dt u r b i n e ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i c e n e r g ys t o r a g ed e v i c e si m p r o v et h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo fw i n df a r m st oac e r t a i n e x t e n t i n t h i sp a p e r ，u s i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks y s t e mj o i n i n gu pas i n g l ew i n d g e n e r a t o ra n dt h ew i n df a r mc o n t a i n i n gs i xs t a n dw i n dt u r b i n e sa se x a m p l e s ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：w i n dp o w e r ；d y n a m i cv o l t a g ec o l l a p s ei n d e x ；s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ； s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ；s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g ed e v i c e ； d o u b l e f e da s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；t h eq u a r t e rw i n ds p e e d i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：周专长e t 期：拶，护年j 、月3 o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本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 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密r l 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：周鬲弘 日期：刎年r月砂日 ，易一。 导师签名： ，7 乡日期：沈妒年多月知日 二1 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 目前，世界能源消费量与日剧增，生态环境日益恶化，温室气体排放致使全 球气候突变的现象尤为突出，人们清醒地意识到保护已遭破坏的地球环境已成为 刻不容缓的途径。而且，随着经济的飞速发展和人口的不断增长，相应的能源需 求比例也不断上升，势必造成能源供需矛盾日益加剧。 第二届太平洋煤炭会议资料表明，根据目前的技术水平和采掘速度推测，全 世界范围内，煤炭资源采掘期限约为2 0 0 年，天然气的采掘期限顶多6 0 年，石 油的探明存储量仅能用3 0 年。2 0 世纪7 0 年代，全球就已经全面爆发了一场能 源危机，致使能源价格的不断攀升和国际局势的动荡不安，而且，当时爆发的大 规模战争都是围绕能源问题展开的，因此，能源和环境是人类生存和发展所要解 决的紧迫问题。 风能作为一种分布广泛、取之不尽、用之不竭的绿色无污染的可再生能源， 已成为人类能源结构改变的重要部分，并且利用风能进行发电已经越来越受到人 们的重视。自从2 0 世纪8 0 年代以来，风力发电技术飞速发展，风力发电成本快 速下降，风电场并网容量增长迅猛，它已成为发展新能源领域中技术最成熟、最 具有规模开发和商业化发展前景的发电方式之一。随着风电技术的日益完善，风 力发电必将成为今后能源发展的趋势n ，。 风力发电具有许多区别于常规能源发电的特点，如波动性、间歇性、不可控 性、利用率低等。其中，风能的波动性和间歇性将会导致风电机组的输出存在随 机性的特点，因此，利用风能发电只能提供电力而不能提供有效的发电容量。 风力发电的不可控性就是指它的原动力不可控，它的原动力就是自然风，难以大 规模存储，因此，若要改变风力机组的出力不能像常规能源那样根据负荷的要求 来改变出力。在现有技术条件下，风电机组的出力调节范围十分有限，比如调节 风力机叶片的桨距角的大小来控制风能的吸收率。此外，风力发电的利用率较低， 单机容量小，因为风能的能量密度低，如果要发同等的发电容量，风力机的尺寸 是水轮机的几十倍，这就限制了风电机组的单机容量和风电场的规模。理论上， 风能的利用率为o 5 9 ，而实际当中，风能的最高利用率仅为o 4 左右n ，。 综合以上特点，风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定等诸多方面 带来负面影响。随着风电场装机容量的增大，对系统的影响也越来越明显，研究 风电并网对电力系统的影响已成为函待解决的重要课题。 1 2 世界风电发展的历史和现状 目前，从全世界范围来看，风电大部分集中于欧洲和美国，但其他地区也在 崛起，全球大概有5 0 个国家加入风电的行列。据全球风能理事会的统计数据显 示，1 9 8 0 年世界风力发电装机容量为4 m w ，1 9 8 5 年己达6 9 4 m w ，期间增长了 1 7 0 多倍；到2 0 0 2 年，世界风力发电装机容量突破3 2 0 0 0 m w ，比上年增长3 0 ； 到2 0 世纪9 0 年代，风力发电容量以平均每年2 2 的速度增长，近5 年的增长 速度为3 5 - 5 0 ，它的增长速度在各种发电方式中居首位。专家预测，从2 0 0 3 年开始，世界风力发电装机容量以每年2 5 的速度递增，到2 0 10 年有可能突破 1 0 0 g w n 。 根据世界风能委员会( g w e c ) 报道，截止到2 0 0 4 年，欧洲新装机风力发 电能力约占全球新增风力发电装机容量的7 1 4 6 ，其次是亚洲、北美和太平洋 地区，分别为1 5 9 、6 4 、4 1 。目前，像德国、西班牙、美国、丹麦和印度 都是风力发电装机能力强大的国家1 。 近些年来，风力发电技术在世界各国发展迅速。到2 0 0 3 年底，丹麦风电装 机容量为3 1 1 0 m w ，此外，丹麦在近海风电方面处于领先位置。德国也是风电强 国，到2 0 0 1 年装机容量为8 0 0 0 m w ，占世界风电装机容量的3 0 ，而到2 0 0 3 年为1 4 6 0 9 m w ，占全世界风能发电的4 0 。2 0 0 8 年，全球风电装机增长率为 2 8 8 ，远远高于过去几年的平均值，如表1 1 为2 0 0 7 年和2 0 0 8 年世界风电装 机容量排名前6 位国家的数据统计。 表1 12 0 0 7 年和2 0 0 8 年世界风电总装机容量排名前6 位的国家 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。欧洲风能协会和绿色和平组织预测，到2 0 2 0 年风力发电将占世界电力能 源需求的1 2 ，届时世界风电的装机容量将达到1 2 31 g w ，发电量约为3 0 0 0 0 亿 k w h 。到那时，风电会朝着满足世界2 0 电力需求的方向发展，就可以和今天 的水电媲美。 1 3 我国风电发展历史和现状 我国幅员辽阔，全国约有2 3 的地带为多风带，风能资源储量约为3 0 亿千 瓦，居世界首位，可开发利用的风能储量约1 0 亿千瓦，其中陆上风能储量2 5 亿千瓦，海上风能储量7 5 亿千瓦，为可再生能源和新能源利用技术提供了强大 的资源条件。我国风能资源丰富，具有开发的巨大潜力，在国家相应政策的支 持下，风力发电在我国具有广阔的发展前景。 2 2 0 世纪8 0 年代，我国刚开始引进3 台丹麦风电机组，开始了并网风力发电技 术的试验和示范。经过近2 0 多年的努力，风电场装机规模不断扩大，风电产业已 形成了一定规模，中国的风电建设进入一个新的规模化发展时期。国内2 0 0 0 年至 2 0 0 6 年风电装机容量的统计数据如表1 2 所示。 表1 2 我国每年新增装机容量和累计装机容量单位：m w 年份2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年 新增装机容量 7 7 75 7 23 6 81 2 7 01 9 7 04 9 6 07 4 0 0 累计装机容量 3 4 6 04 0 3 24 4 0 05 6 7 07 6 4 01 2 6 02 0 0 0 风力发电飞速发展的同时，我们也要清醒地认识它在国内发展所面临的问 题。由于我国风电起步比较晚，尚处于发展初期，远未形成规模效益的产业。投 资建设成本还比较高。同时资金和技术资源供应不足，政策的不相配套，风电的 设备成本偏高，并且还没形成合理的风电上网价格机制。因此，需要相关部门出 台更好更有效的措施以促进风电在电力行业的发展。 随着中国可再生能源法的实施，我国风能市场将迎来蓬勃发展的机遇。 根据有关规划，2 0 1 5 年达到1 0 0 0 万k w ；2 0 2 0 年达n 3 0 0 0 万k w 。将对提高可再生 能源的比重、调整能源结构、保护生态环境、促进节能减排作出积极的贡献。因 此，大规模发展风力发电，是解决我国能源和电力短缺最现实的战略选择1 。 1 4 风力发电并网所带来的问题 风力发电分为独立运行的离网型和接入电力系统运行的并网型。离网型的风 力发电规模较小，这种方式可用来解决偏远地区的供电。并网型的风力发电是规 模较大的风力发电场，本文主要讨论的研究对象是并网型风力发电场。由于风能 具有波动性、间歇性特点，无论采用何种风电机组技术，装机容量的大小，风电 并网之后，它都会对接入地区的电网带来不同程度的影响训。具体问题表现如 下： 1 4 1 潮流问题 当风电场接入电力系统后，将会改变电力系统原有的潮流分布和电压水平， 这是由于风电场的出力会随机变化，从而相应地改变了线路功率和节点电压 14 - 15 ，。倘若风电场的装机容量比较大，则需要掌握风电场给系统所带来的节点电 压变化，检验节点电压和线路功率是不是发生越限，在确定风电场并网方案中， 重新对风电系统进行潮流计算。 当风力发电机在发出有功功率时，此时，它也在吸收无功功率，由于无功功 率收机端电压的影响，从而不能简单地把风电场的节点等效成p q 节点或者p v 节点。在分析潮流的过程当中，应当把风电场的模型作为研究的侧重点。 3 1 4 2 对稳定性的影响 一般情况下，风电机组并网是接入电网的末端，这使得本身单方向流动的配 电网功率发生了改变，相应的潮流分布和流向也发生了改变，如果增大风电注入 的功率，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 可能会导致电压崩溃 t 4 ；- 1 1 。 此外，随着风电场在电力系统中所占的规模不断扩大，风电输出的不稳定性 对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重情况 下，将会使系统失去动态稳定性，致使整个电力系统瓦解。 1 4 3 影响电能质量的问题 风速的变化和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈现波动性， 可能影响电网的电能质量，主要表现为：电压偏差、电压波动和闪变、电压跌落、 谐波以及周期性电压脉动等。 电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。影响风力 发电产生波动和闪变的有很多因素：当风速不断增大时，风电机组产生的电压波 动和闪变也不断增大。并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中也产生电 压波动和闪变。另外，在风电发电系统中，电力电子技术是十分关键的，如软启 动设备，逆变器等电力电子器件，倘若风电机组中这些电力电子控制装置设计不 当，将会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可承受的畸变，并可能引发 谐振问题。 1 4 4 风力发电场的规模问题 将风能资源、地形地质、电网接入等因素结合在一起考虑，这样才能确定风 电场场址。风力资源往往在人口稀少，负荷较低，电网结构薄弱的地区比较丰富， 这样也限制了风电场选址。而且，由于风电功率的注入改变了局部电网的潮流分 布，对局部电网的电压质量和稳定性有很大影响，这也限制了风电场接入系统的 方式和规模。 另外，由于风电并网运行所发生的诸多负面影响都源于风电场出力的随机性 和不可控性。如风电容量可信度低，给电网的有功功率和无功功率平衡调度带来 困难。如电网的有功功率和无功功率平衡调度比较困难是由风电容量可信度低所 造成的。并网运行当中的风电场好比一个随机性的扰动源，它对电网的可靠运行 会带来一些影响，电网调度运行部门认为风电场仅能提供电量，而不能提供容量。 由此可见，确定一个给定电网最大能够承受的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。 4 1 4 5 对保护装置的影响 当大型风电场接入系统后，与不含风电场的系统相比，系统的保护和整定设 计原则将会发生改变。为了降低风电机组的频繁投切对接触器的损害，有风的时 候，风电机组都一直保持与电网相连。若风速在起动风速周围波动时，允许风电 机组短时电动机运行，风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向的，因此， 风电场继电保护装置的配置和整定过程中应当着重考虑这种运行方式。 在技术方面，风电场的保护中采取何种方式来根据有限的故障电流来检测故 障的发生使保护装置准确而快速的动作还是比较难以解决的。另一方面，即使风 力发电提供的故障电流非常有限，但也有可能会影响现有配电网络保护装置的正 确运行，这也是最初的配电网保护配置和整定时没有涉及到的。 1 4 6 其他方面的影响 除了上面的影响之外，风力发电并网给系统带来的配电网的可靠性和经济性 的问题也越来越受到研究人员的重视。 1 5 电力系统的电压稳定性 1 5 1 电压稳定性的定义 电力系统的电压稳定性是一个相当复杂的问题，到现在为止，对于电压稳定 的定义，研究方法等方面的问题，学术界还没有一个公认的严格的定义，。 c h a r l e sc o n e o r d i a 将电压稳定定义为：电力系统在合适的无功支持下维持 负荷点电压在规定范围内的能力。它使负荷导纳增加，负荷功率也增加，功率和 电压都是可控的。 1 9 9 3 年，c i g r e 在年度报告中指出，电压稳定性是整个电力系统稳定性的 一个子集。一个电力系统在给定运行状态下是小扰动电压稳定的，只要任何小扰 动之后，负荷附近的电压等于或接近于扰动前的值。一个电力系统在给定运行下 受到一个扰动后是电压稳定的，只要扰动后负荷附近的电压达到扰动后的一个稳 定的平衡点值。 i e e e 在做“电力系统电压稳定性： 出：电压稳定性是系统维持电压的能力， 加，即功率和电压都是可控的。 概念、分析工具和工业经验”的报告指 它使得负荷导纳增加时，负荷功率也增 后来，又有研究人员认为电压稳定性是指在正常运行情况下或遭受干扰后电 力系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能力。 1 5 2 电压稳定分类和分析方法 电压稳定按时间可以分为短期、中长期；以扰动类型分为小扰动和大扰动。 电力系统是个复杂的非线性动力系统，它的动态行为可以用非线性微分一差分一 代数方程组来描述。电力系统的动力学行为仅受其动态元件的动力学行为及相互 关系的制约。研究电压稳定的问题就是从电力系统的实际抽象反映这种客观现象 的数学模型“删。电压稳定主要有如下分析方法，即静态分析方法和和动态分析 方法。 1 5 2 1 静态分析方法 静态电压稳定性分析的基本理论是潮流多解和可行解域理论，是以电力网络 的潮流极限作为静态稳定的极限点。静态分析方法理论上认为电压稳定是一个潮 流方程是否存在可行性解的问题，因此把临界潮流解看作是电压稳定的极限；另 外，由于静态分析技术比较成熟，易于给出电压稳定裕度指标及其对状态量的灵 敏度信息。为判别给定系统状态是不是电压稳定的，电压不稳定临界点如何求取 和临界点的特性等问题，提出了多种电压稳定的静态分析方法，如潮流方法、奇 异值分解法、灵敏度方法、崩溃点法、连续潮流法等。 1 5 2 2 动态分析方法 动态分析方法是基于微分方程的时域解来判断电力系统的电压稳定性。动态 电压稳定分析方法主要分为小扰动分析方法和大扰动分析方法。 小干扰法是先列出描述系统运动的非线性微分方程组，然后将它们线性化， 得出近似的线性微分方程组，再根据其特征方程式根的性质判断系统的稳定性。 大干扰分析方法包括时域仿真法和能量函数法。时域仿真法在保留系统的非 线性特征及其考虑元件的动态作用下，采用数值积分的方法，得到电压及其他量 随时间的变化曲线的一种方法，是分析大扰动下系统动态过程的基本方式。能量 函数法是一种确定系统稳定性的快速方法，它根据计算故障后系统能量与临界能 量之差值来判断是否稳定。 1 6 风力发电系统的电压稳定研究现状 文献【2 1 2 2 】分别应用电力系统稳定性分析法及规划理论等进行风电场最 大接入功率的计算。文献( 2 3 】在系统的潮流计算中，针对风电场的模型，基于p q 模型，考虑感应电机的稳态等值模型，用有功功率及电压参数来代替无功功率， 从而使模型得到改善，但是，仍然存在双重迭代和计算量大的问题。文献【2 4 修 改了雅可比矩阵，从而简化了潮流的迭代过程。 近些年来，双馈异步风力发电机在风电场的运用得到快速发展，风电场在电 力系统潮流计算处理方法中，简化的处理方法使采用不同方式p q 或者p v 节点 处理方法，但是这种方法精度比较差。文献 2 5 - 2 6 在恒功率因数方式下，用与 6 普通异步发电机的p q 模型交替迭代的方法，其计算量比较大。 风电场接入系统的动态特性研究内容包括发电机组的动态模型研究，文献 2 7 对异步风力发电机动态模型进行研究，得出异步发电机转子电磁暂态过程的 3 阶模型能够准确反映风电机组并网的暂态特性。文献 2 8 】对3 阶动态模型进行 线性化处理，推导出简化的，适用于小干扰稳定分析的模型，有利于了解变速恒 频双馈风力发电机组的运行特性和风电机组电气部分的控制特性。 文献 2 9 】和 3 0 针对风力发电系统的低电压穿越要求，提出了提高风电场低 电压穿越能力的多种解决方案。其中文献 2 9 介绍了应用f a c t s 技术可以改善 风电场的电能质量和提高风电场稳定性。文献 3 0 】介绍了应用储能设备改善风电 场的电能质量和提高风电场的稳定性。 随着风电容量在电网中比例的迅速增加，并网系统的暂态稳定问题表现得更 加突出【3 l - ，2 1 。网络故障和风速的变化会对稳定产生干扰，这些干扰将影响到系统 中发电机组能否稳定运行，相对摇摆角能否保持在稳定的范围内，因此，相关的 暂态稳定问题需迸一步解决。 1 7 本文主要内容和工作 本文针对风电并网之后引起的电压稳定性问题，并且考虑风速的随机性和间 歇性的特性，运用s i m u l i n k 软件进行仿真，建立动态电压崩溃指标来判断风电， 系统的电压稳定性，并引入静止同步补偿器( s t a t c o m ) 和超导储能装置 ( s m e s ) 对含风电场的电力系统进行电压稳定性改善的研究。 ( 1 ) 介绍国内外风力发电的现状，风电并网所带来的问题，风电系统的电压稳 定研究现状以及电压稳定性定义、分类和分析方法。 ( 2 ) 基于四分法划分的风速模型和简化的风力发电系统的传输线路模型，考虑 双馈异步风力发电机的转差率和风电机注入系统的功率的随机性，推导出 动态电压崩溃指标。根据该指标的与临界值之间的距离可以判定系统接近 电压崩溃的程度。 ( 3 ) 先介绍了静止同步补偿器的基本电路结构和工作原理，分析了s t a t c o m 的数学模型和控制策略，最后对含6 台双馈感应风力机的风电场算例进行 仿真，其中考虑阵风、随机风速和三相短路故障对风电场的扰动，再接入 s t a t c o m 前后进行比较研究，验证了s t a t c o m 装置能够有效地提高风 电场的电能质量和稳定性。 ( 4 ) 由于风速的随机性和间断性会给电网带来不稳定因素，为降低风电场并网 对系统稳定的影响，先建立双馈感应风力发电机和超导储能装置的数学模 型，然后合理设计功率解耦的比例一积分一微分超导磁储能控制器抑制功率 波动，从而平滑风电场的输出功率。 7 第二章考虑风速特性的动态电压崩溃指标 2 1 引言 为防止电压失稳或崩溃事故，电网运行人员最关心的问题就是电力系统运行 状态是不是电压稳定的，同时距离电压稳定点还有多大的裕度，因此必须制定一 个确定的电压稳定程度指标。一般认为，电压稳定指标是对系统接近电压崩溃程 度的一种量度。 本章研究的动态电压崩溃指标是指利用相量测量单元( p m u ) 测得的电压 崩溃指标来确定当前运行点与电压崩溃点之间的距离，从而判定系统的运行情 况，即系统距离电压崩溃点还有多远或稳定裕度有多大。该方法为划分电压薄弱 区域或易发生电压崩溃的区域和为实时稳定控制提供了理论依据。 本章基于四分法划分的风速模型，将3 阶双馈异步风力发电机的转差率作为 状态变量，考虑风电机注入系统的功率随机性，然后在简化的风力发电系统的传 输线路模型上推导出动态电压崩溃指标。根据该指标与i 临界值之间的距离判定系 统接近电压崩溃的程度。若通过相量测量单元测得的指标值大于1 ，系统处于正 常运行；若该指标等于1 或小于1 时，则风电系统处于电压崩溃临界点或崩溃状态。 2 2 风速的数学模型 目前，风速的建模有多种方式，如采用威布尔分布、r a y l e i g h 分布等来描述。 为了比较精确地描述风的随机性和间歇性，本文采用四个分量来模拟实际作用于 风力机上的风速 3 5 - 3 4 9 即： = + + + ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，是基本风；是阵风；是渐变风；是随机风；其中 阵风和渐变风都是与时间有关的变量。各种风速的模型定义如下： ( 1 ) 基本风 在风力机正常运行过程中，基本风一直存在，它可由风电场测风所得到的威 布尔( w e i b u l l ) 分布参数来近似确定： = a f ( i + i k ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，为基本风速( m s ) ；a 代表威布尔分布的尺度参数；k 代 表威布尔分布的形状参数；r ( o ) 为伽马函数。 8 船= 圪明，五g t 0 , t 五g + l 【0 , t 五g + 吃= ( m a x g 2 ) l c o s 2 7 r ( t ) 一( t o ) ) 式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 中，是阵风风速( m l s ) ； 是阵风启动时间( s ) ；m a x g 是阵风最大值。 ( 3 ) 渐变风 风速的逐步变化的特性可采用渐变风成份来模拟， j o ，t 五矗 = ，五露t 互置 【m a x r ，互最+ 互t = m a xr i - ( t t 2 置) ( 乃且) 】 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 乙是阵风周期( s ) ；五g 表达式如下： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 中，m a xr 为渐变风速的最大值；为渐变风速的起 始时间( s ) ；互置为渐变风速的终止时间( s ) ；砭为渐变风速的持续时间( s ) 。 ( 4 ) 随机风 为反映风速变化的随机特性，采用随机噪声风速成份来表示： = 2 【s ，( w 小w 】c o s ( w ；+ q ，) ( 2 7 ) w f = ( i 一0 5 ) w ( 2 8 ) 蹦2 希一 9 ) 式( 2 7 ) ，式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 中，仍为0 2 石之间均匀分布的随机变 量；繇为地表粗糙系数；f 为扰动范围( m 2 ) ；l 为相对高度的平均风速( m s ) 。 2 3 空气动力学模型 小圳脚嚣 9 式( 2 1 0 ) 中，p 为空气密度，彳为风力机的扫掠面积，c ，( 厂，p 。) 为风力机 的风能利用系数，为风速，为风力机启动风速，是额定风速，v o 埘为风 力机切出风速，b 为风力机的额定机械功率。 风力机机械功率的大小取决于风速和风能利用系数，风速已经在前面介绍， 下面重点介绍风能利用系数，当给定叶尖速比y 和叶片桨距角曰时，c 。与y ，0 的 非线性关系如下： c ，观2 2 ( 尝_ o 4 巳_ 5 ) p 百 ( 2 1 1 ) 上：一一一0 0 3 5 ( 2 1 2 ) j一= iz 乃y + 0 0 8 0 p 啡+ l 2 4 风力机传动部分的数学模型 从轮毂到发电机转子之间的机械传动部分，近似用一阶惯性环节来描述m ，： 鲁2 吉( 吲 式( 2 1 3 ) 中，乃为机械传动部分的时间常数；乙为发电机转子轴上的机 械转矩；为风力机末端轴上的机械转矩，= c o ，缈为风力机叶片转速。 2 5 双馈异步发电机的简介 2 5 1 双馈异步发电机的基本原理和结构 风电场中安装不同类型的风电机组，其运行特性对风电场稳定运行的影响将 有所不同。随着风电场规模的日益增大，如何选取风电机组类型和怎样确定其控 制策略将越来越受到关注。在早期的风电场中，采用普通鼠笼式电机作发电机的 恒速风电机组的方式占据了绝大部分。现在，随着控制技术的不断发展，风电场 逐渐趋向于安装具有变速调节特性的变速恒频双馈风电机组，要进行详细研究变 速风电场并网运行引起的电力系统稳定性分析，就需要建立详细的双馈风电机模 型。 双馈异步发电机又称交流励磁发电机，它的结构和绕线式异步电机一样，它 的定子侧三相对称绕组直接和工频电网相连接，转子侧三相对称励磁绕组变流器 也和工频电网相连，且励磁电压的幅值、相序、相位和频率都可以随运行要求的 不同而加以调节。 双馈异步风力发电机组主要包括风力机、双馈异步发电机和变流器等，如图 2 1 所示。本章将建立双馈异步发电机的3 阶动态数学模型，并对其进行了仿真研 1 0 究 3 7 - 3 a l 。 图2 1 双馈异步发电机与风力发电系统的结构图 2 5 2 双馈感应电机简化的数学模型 双馈异步电机的定子和转子都是三相绕组，当转子绕组通入三相对称电流 时，转子电流就会在空间产生旋转磁场，磁场切割定子绕组而产生三相电动势。 同时，定子电流也会在空间产生旋转磁场，必然会对转子电流产生影响，这就是 双馈异步电机难以控制的原因。针对应用于风力发电系统中的双馈异步发电机， 为突出主要特点和问题，可以作如下假设： ( 1 ) 不计空间谐波，设定转子三相绕组空间对称，所产生的磁动势沿气隙正弦 分布； ( 2 ) 转子绕组己经折算到定子侧，定、转子各绕组匝数相等； ( 3 ) 忽略磁饱和和铁芯损耗，各绕组的自感和互感是线性且三相对称； ( 4 ) 忽略频率和温度变化对绕组电阻的影响，且电机参数不随温度而变化： ( 5 ) 各绕组以输出电流方向为正方向。 采用电动机惯例，不考虑发电机暂态过程的影响，建立定子磁场旋转坐标吼、 以、0 下的标幺值形式的双馈感应发电机动态模型“( g c 轴超前吐轴9 0 。) 为： 盼陵 + 二爿纠 阱e 厶。纠玎 仍b 够妇 x 堪0 x m 0 k 0 x m 0 x ， 00 。磊 复 + 专 矗一0 f ( 2 1 6 ) 跏期 k o k o |ooooooo卫 。以o k 偈s 一 一 一 1j 以 。l = 1j 砖乓 l 阱 x 盖一砟翻 式中x = k 一( 2 x ) ，其中x 为发电机暂态电抗；巧= 砟尺，其中石为转 子绕组短路时间常数；磅、e 为双馈感应发电机d 、q 轴的暂态电势分量，它们 是转子合成磁链d 、q 轴分量的函数，由定子电流、转子电流d 、q 轴分量共同 决定；、为发电机出口母线电压的d 。轴与g 。轴分量；u 二、是为了使 发电机动态方程标准化而重新定义的转子绕组虚拟电压分量；、u 甜为发电 机转子绕组电压的d 。轴和g 。轴分量；k 、k 是定子绕组电流的d 。轴与g 。轴分 量；k 、。为转子绕组电流的d 。轴和g 。轴分量；、为定子合成磁链的d 。 轴与g 。轴分量；、为转子合成磁链的d 。轴与g 。轴分量；= + 以； x r , = 墨+ ；为定子绕组电阻；b 为转子绕组电阻；以为激磁电抗；为 定子漏抗；x ，为转子漏抗折合到定子侧的折合值；s 为转差率；p o 为微分算子。 双馈感应发电机的转子运动方程为 乙一z = 一乃p o s ( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 中以= + j ；i ，= k + 如；u ”，分别为发电机定子端的 出1 ：3 电压和电流；j ，为，的共轭：为发电机电磁功率；吐为定子磁场旋转角 速度。式( 2 17 ) 和式( 2 1 9 ) 即是以发电机暂态电势历、e ：和转差率j 为状 态变量，以转子励磁电压u 二、和机械转矩乙为控制变量的双馈感应发电机 的3 阶动态模型。 任何同步发电机在稳态运行时，其输出端电压的频率与发电机的极对数及发 电机转子的转速有固定的关系，具体如下： 厂= 告 ( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 中，厂为发电机输出电压频率( h z ) ；以为发电机旋转速度( r m i n ) ； p 为发电机的极对数。 在发电机转子变速运行时，同步发电机则不能发出恒频电能。在电机结构当 中，绕线式转子异步电机的转子上嵌有三相对称绕组，根据电机原理得出，若往 三相对称绕组中通入三相对称交流电，则将在电机气隙内产生旋转磁场，此旋转 磁场的转速与所通入的交流电的频率及电机的极对数有关，如下所示： 肌= 6 0 l( 2 2 1 ) p 式( 2 2 1 ) 中，1 2 为绕线式转子异步电机转子的三相对称绕组通入频率为正 的三相对称电流后所产生的旋转磁场对应于转子本身的旋转速度( r r a i n ) ；p 为 绕线转子异步电机的极对数；五为绕线转子异步电机转子三相绕组通入的三相 1 2 对称交流电频率( h z ) 。 由式( 2 2 1 ) 可知，随频率五的改变而改变，此外，若改变通入转子三 相电流的相序，还可改变此转子的同步转速。n 为异步电机转子本身的旋转速度， 只要维持，l i = n + _ n 2 = 常数，如式( 2 2 2 ) 所示，即异步电机定子绕组的感应电势 和同步发电机时一致，其频率将会一直维持在彳不变。 ，l i = n 土n 2 = 同步转速 ( 2 2 2 ) 根据异步电机的滑差率s ：坚，结合式( 2 2 1 ) 可得异步电机转子三相绕 ，l i 组内通入的电流频率为： 五= 告= 掣= 掣坼 ( 2 2 3 ) 由式( 2 2 3 ) 可知，当异步电机转子转速是变化转动时，可以在转子的三相 对称绕组中通入滑差频率( 即彳s ) 的电流，则在异步电机的定子绕组中就能产生 5 0 h z 的恒频电势。 根据双馈异步电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有以下三种运行状 态： ( 1 ) 亚同步运行状态。在该状态时，栉 确，改变通入转子绕组的频率为正对 应的电流相序，则所产生的旋转磁场转速的转向与转子的转向相反，因此有 = 万一他。为了使啦反向，在由亚同步运行转向超同步运行时，转子三相绕组必 须具备自动改变其相序的能力，反之则反。 ( 3 ) 同步运行状态。此时，n = ，l l ，滑差频率五= 0 ，这样表明通入绕组的电流 频率为0 ，属于直流电流