（电力系统及其自动化专业论文）风电接入电网的电压无功支撑规律研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fr e n e w a b l es o u r c e sh a v eb e e np a i dm o r e a t t e n t i o nt oi nr e c e n ty e a r s ，a m o n gw h i c ht h ew i n dp o w e ri s p r o m i n e n t w i t ht h e i n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n df a r mi n c r e a s e dc o n s t a n t l yy e a rb yy e a r , t h ew i n df a r m s c o n n e c t e dd i r e c t l yt ot h ep o w e ra r eg r e a t l yi n c r e a s e d s oi t sp r o b l e m st ot h ep o w e r s y s t e mw i l lb eo b v i o u s b a s e do nt h ey a n t a ip o w e rs y s t e mi n c l u d i n gw i n dp o w e r , t h e p r o b l e ma b o u tv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rb r o u g h tb yt h ew i n df a r mw i l lb ea n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，a n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ea n a l y s i so fp o w e rf l o wc a l c u l a t i o na l g o r i t h mi ns y s t e mc o n t a i n i n gw i n df a r m w i l lb eg i v e nf i r s t n o w a d a y s ，t h ew i n df a r mi sc o n s i d e r e da sap qn o d ei n d i r e c t l yf o r p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ，s ot h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o dc a nb eu s e d t h em a i n d i f f e r e n c eo ft h e s ee x i s tm e t h o d si st h ei t e r a t i v e f o r m a t i o n ，w h i c hi n c l u d e s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sm e t h o d s c o n s i d e r i n gt h em o d e lo ft h ea s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r , t h i st h e s i sp o i n t so u tt h a tt h ec a l c u l a t i o no ft h ev o l t a g ea n dt h es l i pi st h e e s s e n c eo fp o w e rf l o wc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h i s ，t h ei t e r a t i v ef o r m a t i o nc a nb e f o u n d ，a n dt h ec o n s i s t e n c yo ft h et r a d i t i o n a lm e t h o dc a nb ev a l i d a t e d d e t a i l e dc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i sa b o u tc h a n g d a os y s t e ma r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h ei m p a c tt ot h es y s t e mw h i c hi sb r o u g h tb yw i n df a r mw i l lb ed i f f e r e n tw h e nt h e w i n ds p e e da n dt h eo p e r a t i o nm o d eo fs y s t e mc h a n g e c o n s i d e r i n ga l lk i n d so fs c e n e s ， t h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rs u p p o r t i n g c a p a b i l i t yo ft h ec o n n e c t e dp o i n ti n d i f f e r e n tc a s e sw i l lb ea n a l y z e d b a s e do nt h ep o w e rf l o wc a l c u l a t i o no ft h ec h a n g d a os y s t e m ，t os o l v et h e c o n c e i v a b l ep r o b l e mt h a tt h ec o n n e c t e dp o i n tm a y b el a c ko fv o l t a g ea n dr e a c t i v e p o w e rs u p p o r t i n gc a p a b i l i t y , t h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ns h o u l db ec a r d e do u ta s t h ec o m p e n s a t o rw h i c hs h o u l db ei n s t a l l e do nt h ew i n df a r m t h ev o l t a g el e v e lo ft h e n o d ei nt h es y s t e mw i l lb es a t i s f i e da f t e rr e a c t i v e p o w e ro p t i m i z a t i o n ，a n dt h e h a r m o n yo p e r a t i o nb e t w e e nw i n df a r ma n dt h ep o w e rs y s t e mw i l lb eo b t a i n e d k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ；w i n dp o w e ri n t e g r a t i o n ；p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ；r e a c t i v e p o w e ro p t i m i z a t i o n i i i 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 量! l 潭 日 期：呈翌垒垒旦三! 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：纠l l 导师签名：弘喊 日 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求日益增多。而传统的化石能源 不仅储量有限，不可再生，而且存在环境污染问题。为解决能源问题及环境问题， 人类在新能源领域积极探索，并取得了一定的进展。风能、太阳能、生物质能等 发电技术取得了长足的进步。 目前，在新能源发电领域，风力发电已经成为应用最广泛，技术最成熟的发 电方式。近年来，世界风力发电发展迅速，随着全球经济的发展，风能市场也迅 速发展起来。自2 0 0 4 年以来，全球风力发电能力翻了一番，2 0 0 6 年至2 0 0 7 年间， 全球风能发电装机容量扩大2 7 。2 0 0 7 年已有9 万兆瓦，这一数字n 2 0 l o 年将是1 6 万兆瓦。预计未来2 0 2 5 年内，世界风能市场每年将递增2 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。 我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约1 0 亿千瓦，其中，陆地上风能 储量约2 5 3 亿千瓦( 陆地上离地1 0 米高度资料计算) ，海上可开发和利用的风能 储量约7 5 亿千瓦，共计1 0 亿千瓦。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。 2 0 0 6 年，中国风电累计装机容量已经达到2 6 0 万千瓦，成为继欧洲、美国和印度 之后发展风力发电的主要市场之一。2 0 0 7 年我国风电产业规模延续暴发式增长态 势，截至2 0 0 7 年底全国累计装机约6 0 0 万千瓦。2 0 0 8 年8 月，中国风电装机总量已 经达至u 7 0 0 万千瓦，占中国发电总装机容量的1 ，位居世界第五，这也意味着中 国己进入可再生能源大国行列，预计到2 0 2 0 年风力发电将达2 0 0 0 万千瓦，至u 2 0 5 0 年将形成3 5 亿千瓦的装机能力，风电将成为第二大主力电源。 由于风能的随机性、间歇性和不可调控性等特点，伴随其发电也必然存在随 机性和间歇性和不可控性，尤其是风电场并入电网，且规模不断扩大时，必将对 电力系统运行、调度及控制造成影响! 随着风电在电网中所占的比例越来越大， 风电并网带来的一系列问题越来越引起了人们的关注。从运行调度的角度，大规 模风电场并网给系统带来的影响主要有以下几个方面【l 。7 】： ( 1 ) 风电场注入电网功率的强随机性，对电网发电计划的制订带来挑战； ( 2 ) 风电场接入电网后，对电压、无功支撑的调节与控制带来挑战； 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 风电场接入电网后，对电网运行的可靠性保证分析带来挑战； ( 4 ) 风电场接入电网对电网输电能力的把握分析带来挑战； ( 5 ) 风电场接入电网对抵御意外扰动的策略和方式确定带来挑战； 可见，大规模风电的并网必将会给系统的运行调度带来一系列的问题，通过 参阅文献以及在现场的调查发现，在众多的问题中，目前倍受关注的是并网风电 场带来的无功电压问题，风电场所接入局部电网的无功支撑能力的强弱对风电场 及其所并入电网的正常运行都有着非常重要的影响 8 - 1 6 1 。 研究这一问题的基础是对风力发电机组的电压无功特性的分析，在充分理解 风电机组的单机特性的基础上，对风电接入电网的潮流计算问题进行研究。解决 好了潮流计算的问题之后，我们就可以对实际的电网进行计算分析，通过计算分 析各种运行方式下风电接入前后系统的无功电压情况，对存在的问题进行深入的 分析研究，然后提出可行的解决方案。 1 2 研究状况和现状分析 随着风电并网规模的日益增大，风电接入系统后的电压无功问题越来越引起 了学者们的关注，人们的研究基本上都是从潮流的角度来分析风电接入后对系统 电压造成的影响。因此，针对风电接入后的潮流计算的研究就显得非常重要，从 上世纪八十年代起，人们就开始对这一问题展开了研究。风电潮流的研究焦点集 中在如何对风电机组模型进行处理。首先先将风电机组的类型进行简单的介绍。 就应用范围来讲，风力发电机组一般按运行方式可以分为恒速恒频、变速恒 频两种类型 1 7 - 2 4 】。 ( 1 ) 恒速恒频风电机组 在风电场中得到广泛应用的恒速风力机，其特点是异步发电机将风轮吸收的 机械能转化成电能，发电机转速随风速的变化而在一定范围内变化，因转速变化 范围很小，通常称为恒速系统。恒速恒频风电机组在额定转速附近运行，滑差变 化范围较小，从而发电机输出频率变化也较小，所以称为恒速恒频风力发电机组。 恒速恒频风机包含定桨距和变桨距两种类型。定桨距风机技术主要利用桨叶 翼形的失速特性，在高于额定风速时，达到失速条件后，叶面后侧空气发生分离， 产生湍流，叶片吸收能量的效率降低，叶轮吸收的能量随着空气流速的上升而减 2 山东大学硕士学位论文 少，达到限制功率的目的。定桨距机型优点是调节和控制简单，缺点在于对叶片、 轮毂、塔架等主要部件受力增大，而且风力超过额定风速后风机出力反而下降。 变桨距调节技术是一项较早发展的技术，与定桨距失速功率调节技术相比较，变 桨距调节使机组的承载结构重量相对减少，可以使风力发电机在风速高于额定风 速时，通过调节桨距角的变化，减少吸收的风能，从而使风电机输出的有功保持 稳定，这体现了变桨距风机的优势。但变桨距功率调节需要增加一套桨距调节设 备，制造成本高，结构复杂，不像定桨距风机那样易于维护。同时，由于自然界 的风速变化十分频繁复杂，导致变桨机构不断频繁动作，变桨机构中的关键部件 承受了复杂负载，使维修费用增加，机组可靠性降低。 ( 2 ) 变速恒频风电机组 双馈式风力发电系统由风力机、齿轮箱、感应机、变频器和直流侧电容器等 组成。双馈机的定子侧与电网直接连接，转子侧通过交一直一交变频器连接到电网 中，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间实现能量烈向传输。当风力机运 行在超同步速度时，功率从转子流向电网；而当运行在次同步速度时，功率从电 网流向转子。与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨距角随着 风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能利 用率。当风速增大到额定值以上时，叶片与轮毂间的轴承机构转动使叶片桨距角 增大，攻角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片的扭矩和功率的目 的。 双馈式风力机是目前世界各国风力发电的研究热点之一，我国已有部分地区 的风力发电场开始使用这种风力机系统。相对于传统的恒速风力机，其性能优势 体现在：( 1 ) 控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差、有功功率和无功功 率，参与系统的无功调节，提高系统的稳定性；( 2 ) 不需要无功补偿装置；( 3 ) 可以追踪最大风能，提高风能利用率：( 4 ) 降低输出功率的波动和机组的机械应 力；( 5 ) 在转子侧控制功率因数，可提高电能质量，实现安全、便捷并网；( 6 ) 其变频器容量仅占风力机额定容量的2 5 左右，与其他全功率变频器相比大大降 低变频器的损耗及投资。因此。目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控制 的双馈式风力机，但其主要缺点在于控制方式相对复杂，机组价格昂贵。 如上所述，对系统正常运行造成影响最大的风电机组是普通的异步发电机， 而且这种机型在目前的风电场中应用较为广泛，因此本文的研究主要针对异步风 山东大学硕士学位论文 电机组。 对风电接入电网的潮流计算问题的研究关键在于风力发电机模型的处理。通 过参阅文献，人们的研究经历了一个从简单模拟到精确计算分析的一个过程。大 体上出现了两种处理方式，一是p q 模型，另外一个是r x 模型。下面进行简要介绍。 ( 1 ) p q 模型 我们都知道传统的潮流计算依据节点的性质将系统中的节点分成- r p v 、p q 及平衡节点三大类，由于风电机组需要从系统中吸收无功进行励磁，显然无法将 其看作p v 节点，因此，早期的研究中人们一般都将其作为p q 节点进行计算。在风 机有功功率的处理上，依据空气动力学的原理，推导出了风力发电机机械功率同 风速之间的关系。在无功功率的处理上，文献 2 6 将风电机组的功率因素当作常 数，进而由有功功率求出无功功率。文献 2 7 将无功功率近似表达为有功功率的 二次函数，近年来越来越多的学者通过对异步发电机等效电路的分析，依据电工 原理推导出了无功功率的表达式。文献 2 5 将其表述为有功和电压的函数，并对 传统潮流的雅可比矩阵进行了修改，得到了较好的计算速度。 ( 2 ) r x 模型 在这种模型中，以阻抗的形式来处理风力发电机，所形成的电网导纳矩阵 中包含了风力发电机的等值阻抗。 在具体的迭代格式中，主要有两种，即异步迭代格式和同步迭代格式。 首先通过常规潮流迭代过程计算异步发电机的机端电压，然后通过异步发电 机滑差的迭代过程计算异步发电机的滑差。忽略轴系以及齿轮箱的功率损耗，由 此计算出异步风力发电机发出的电功率。再根据能量守恒定律，风力机吸收的机 械功率和异步发电机发出的电磁功率理论上应该相等。因此，当异步风力发电机 的电功率与风力机吸收的机械功率的差值达到允许的误差范围时，说明风力发电 机组达到稳定运行点，迭代计算过程结束。 由于异步迭代将计算过程分成了两部，所以计算速度受到了影响，于是有学 者提出了针对r x 模型的同步迭代方法，将转差的迭代放入到传统的潮流计算程序 中，通过修改雅可比矩阵来实现同步迭代。通过实例计算，该方法在计算速度上 比异步迭代提高了很多 2 8 2 9 1 。 通过分析上述算法，似乎每种算法都有其优缺点，解决的问题集中在计算精 度和计算速度的统一上。但从中没有明确地指出含风电系统潮流计算同传统的潮 4 山东大学硕士学位论文 流计算之间的区别，目前也没有相关的文献明确指出以上所述两种算法的区别和 联系。 由于风电场并网后对系统的电压水平造成较大的影响，因此，必须提出解决 方案才能使风电场与系统之间能够实现协调运行，而采用无功优化是一种有效解 决这一问题的途径。 无功优化是实现电网经济调度，保证电能质量和安全经济运行的重要保证。 传统电网中影响无功优化结果的主要不确定因素是负荷，当风电机组并网后，其 输出功率随风速波动使电网中的不确定因素进一步增多。现有的无功优化方法中 没有考虑风电接入。对于如何利用传统无功电压控制手段与风力发电相配合，实 现风电接入后的无功电压优化控制，已经成为相关领域研究的重要问题，具有重 要的现实意义。 针对风电接入的无功优化参考文献较少，文献 3 1 依据风电功率预测和地区 系统无功优化运行方案，计算风电机组电气控制参考值，通过每台风电机控制器 和变频器调节风电场注入系统的无功功率，而未讨论系统无功优化方案如何确 定；文献 3 2 研究了风电场并网点处无功补偿电容器的分组和控制方法，而对于 风电场接入电网后整个系统的无功优化未进行探讨。文献 3 3 以系统无功补偿后 有功能耗费用为目标，建立了包含分布式发电的无功优化模型，并采用s v c 做为 电网补偿设备。虽然s v ce j , - , 连续调节，但安装费用高，目前尚未广泛应用。文献 3 4 提出一种基于场景发生概率的无功优化综合指标，通过该指标进行配电网的 无功优化。 i s 本文的主要工作 在总结前人研究的基础上，本文针对风电接入电网的电压无功支撑规律进行 了研究，本文的工作主要分3 个部分。 1 对风电接入电网后的潮流计算问题进行了深入的研究。详细分析异步风 电机组模型的基础上，揭示了风电接入系统后的潮流计算同传统潮流计算之间的 区别与联系，并深入讨论了p q 和r x 两种常用算法之间的异同。 2 针对风电接入后的烟台局部地区电网进行了计算分析，考虑风速以及系 统运行方式改变的情况下，风电场并网对系统的电压水平造成的不同影响，以及 山东大学硕士学位论文 风电场同系统之间互相牵制的问题。 3 在上述第二步计算分析的基础上，针对风电场并网后对系统电压水平造 成的影响，利用成熟的无功优化程序对等值后的烟台长岛地区电网进行了无功优 化，使风电场与系统之间能够实现协调运行。 6 山东大学硕士学位论文 第二章风电机组特性及接入电网的潮流分析 由于风能的随机性、间歇性和不可调控性等特点，伴随其发电也必然存在随 机性和间歇性和不可控性，尤其是风电场并入电网，且规模不断扩大时，必将对 电力系统运行、调度及控制造成影响。这一影响涉及方方面面，其中风电场并网 的电力系统潮流问题及其计算方法就是一个基础而关键的问题，解决好这个问 题，是开展其它若干问题研究的基础。 2 1 风电场及其特性描述 研究风电接入电网后的潮流问题，就必须对风电场的运行特性进行深入的分 析。一个风电场内包括若干个风力发电机组，这些风电机组经过一定的接线方式 连接到一起，共同接入到系统中。 2 1 1 风力发电机的工作原理 从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分，一部分是风力机，由 它将风能转化为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能，其能量 转换过程是：风能一机械能一电能，所以，风力发电机组通常亦被称为风能转换 系统。典型的并网型风力发电机组主要包括起支撑作用的塔架、风能的吸收和转 换装置一风轮机( 叶片、轮毂及其控制器) 、起连接作用的传动机构传动轴、 齿轮箱、能量转换装置发电机以及其它风机运行控制系统偏航系统和制 动系统等。风力发电过程是：自然风吹转叶轮，带动轮毂转动，将风能转变为机 械能，然后通过传动机构将机械能送至发电机转子，带动着转子旋转发电，实现 由机械能向电能的转换，最后风电场将电能通过区域变电站注入电网 1 8 , 1 9 。 2 1 2 风力发电机组的机械功率描述 目前的研究中，对于风力发电机的机械功率的表达主要有两种方式，它们分 别如公式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 所示： 己= 0 5 c j 口p s v 3 ( 2 一1 ) 7 山东大学硕士学位论文 已= 彳+ b 乏，c y 2 y 吃 v c l v v r ( 2 2 ) v r v 其中，s 为风机叶片扫掠的面积，m 2 ；p 为空气密度，堙m 3 ：v 为风速， m s ；c 。为风力机的风能利用系数，它是叶尖速比五的函数，表达为五= 钟v ， 国为风轮角速度，t a d s ；，为风轮半径，m ；a 、b 、c 为风功率特性参数，均 为常数，该特性视不同风机会稍有差异，k 。为切入风速，圪为切出风速，e 为 额定风速，p 为额定功率。 由式( 2 - 1 ) 可见，对于特定的风电机组，其机械功率由风能利用系数和风 速来决定，由于风能利用系数是叶尖速比的函数，进而可以转化为转差的函数， 也就是说一定风速下，风电机组的机械功率还同转差有关，而式( 2 2 ) 表征风 电机组的机械功率仅由风速决定。实际中，对于普通的没有转速控制系统的异步 发电机组，在同一风速下，转差微小的变化对风能利用系数的影响是非常小的。 因此，在潮流计算时一般都认为同一风速下，同一风力发电机组的有功功率是恒 定的。而对于变速风电机组，由于装有转速控制系统，便能自动追踪最优转速， 以实现最优功率输出。由此，进行潮流计算时，风能利用系数的影响问题可以不 考虑是合理的 3 8 - 4 7 。 2 2 异步风力发电机机电特性 r s 图2 - 1 异步发电机的等值电路 图2 1 所示为异步发电机的等值电路，其中u 为异步发电机的机端电压，l 为定子电流，l 为激磁电流，为转子电流。为激磁电抗，r 为机械负载等 效电阻，o 为定子漏抗和转子漏抗之和，s 为转差率4 9 1 。 8 山东大学硕士学位论文 量皇曼量m = m = m = m = m 鼍曼曼皇曼皇皇曼皇皇皇曼曼皇曼鼍曼皇鼍曼量鼍曼鼍曼鼍曼曼皇曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼皇鲁曼曼曼曼曼 由图2 1 ，按电工原理，异步发电机输出的电磁有功功率和无功功率可推导 并表达如下： = 型22 乌 ( 2 3 ) 1 。 sx 盯+ 尺2 。z j q = 笔+ 蒜u 2 4 ， 由式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 可见，异步风力发电机组的有功功率和无功功率均 为转差和电压的函数。 风速一定时，由式( 2 - 1 ) 可以确定风力发电机组输出的有功功率。在风电 机组稳定运行时，由风力发电机组的机械功率和电磁功率近似相等，即可得到式 ( 2 - 5 ) 。 弓= 焉鲁 浯5 ， 由式( 2 - 5 ) 又可有： s ：墨竺二 竺：；垡堕( 2 - 6 )s = _ ：一 2 p r x ； 由此，由式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 6 ) 便可计算转差，再代入到式( 2 4 ) 便可得 到无功功率。 2 3 风电接入电网的潮流算法及实现 2 3 1 潮流计算总体流程 通过上述对异步风力发电机组模型的分析和处理，结合常规潮流计算原理， 风电并入电网的潮流计算的总体流程可总结如下： ( 1 ) 给定风速，由式( 2 2 ) 得到风力发电机组输出的有功功率； ( 2 ) 给定风电机组接入电网节点电压初值： ( 3 ) 由式( 2 6 ) 可计算出异步风力发电机组的转差； ( 4 ) 将转差代入式( 2 4 ) ，可计算出风力发电机组的无功功率； ( 5 ) 调用常规潮流计算程序进行潮流计算； 9 山东大学硕士学位论文 ( 6 ) 检验结果是否收敛，若收敛，计算结束，若不收敛，返回( 3 ) 重新计算 直至收敛为止。 2 3 2 传统潮流模型的修正 传统潮流方程求解时的修正方程可表示为： 鼢 卅渤a o 沼7 ， 式中a p 、q 分别为注入有功功率和注入无功功率的不平衡量，y 、口分 别为电压幅值和相角的修正量 4 5 , 5 0 1 。 按风机有功功率与无功功率的关联关系，在进行含风电场电网潮流计算时， 需要对常规潮流修正方程进行修正。由于风电机组节点注入无功功率为节点电压 的函数，因此，在形成雅可比矩阵时需要补充风电机组节点注入无功对电压的导 数项，以修正雅可比矩阵中j 的相关项。 由式( 2 - 4 ) 关系，有： 望：型+ u ( 1 一产坚) ( 2 8 ) 8 u x m 、0 u 4 4 x ? 譬? 可见，在常规潮流基础上，雅可比矩阵，中，只需在对应风电机组接入节点 的无功功率对该节点电压的导数中按式( 2 8 ) 累加雅可比矩阵相关元素，而其 余雅可比矩阵中的元素不变。 2 4 算例及分析 本文采用采用烟台长岛地区风电接入的实例对上述潮流方法进行验证分析。 长岛地区风电接入电网图如图2 1 所示，计算中所用到的的风电机组、线路及负 荷数据见附录。 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 - 1 长岛地区等值系统 现将计算结果列出如下，在计算时分别采用了本文所述的方法以及r x 模型 方法进行了计算，并将计算结果进行了比较分析。 表2 - 1 本文方法计算结果 风速 4 m s6 m s 8 m s1 0 m s1 2 m s1 4 m s 风机有功( m w ) 4 2 9 1 3 7 82 4 4 83 6 44 9 5 46 4 风机无功( m v a r )1 5 5 51 6 5 91 9 0 12 3 5 23 1 54 8 1 0 风电场电压( p u ) 0 9 4 60 9 4 60 9 4 50 9 4 00 9 2 80 8 9 9 风机转差 0 0 0 0 6o 0 0 1 9 0 0 0 3 60 0 0 5 5 0 0 0 8 20 0 1 2 9 启动风机台数 8 0 8 08 08 08 08 0 功率因数0 2 6 60 6 3 90 7 9 00 8 4 00 8 4 40 7 9 9 迭代次数 5 5445 7 不： 同时，应用r x 模型编写程序进行了潮流计算，最终的计算结果如表2 2 所 山东大学硕士学位论文 表2 - 2r x 模型方法计算结果 风速 4 m s6 m s8 m s1 0 m s 1 2 m s1 4 m s 风机有功( m w ) 4 2 91 3 7 82 4 4 83 6 44 9 5 46 4 0 风机无功( m v a r )1 5 5 5 1 6 5 91 9 0 12 3 5 23 1 5 04 8 1 0 风电场电压( p u ) 0 9 4 60 9 4 70 9 4 50 9 4 0 0 9 2 80 8 9 9 风机转差 0 0 0 0 60 0 0 20 0 0 3 60 0 0 5 50 0 0 8 20 0 1 3 0 启动风机台数 8 08 08 08 08 08 0 功率因数0 2 6 6 0 6 3 9 0 7 9 0 0 8 4 00 8 4 40 8 0 0 迭代次数 2 42 31 92 42 6 4 5 分别应用两种方法进行了潮流计算，表2 - 1 给出了应用本文所述的转差和电 压同时迭代的方法进行计算得到的结果，表2 - 2 给出了应用r x 模型进行计算得 到的结果。 从两个表中的数据我们可以看出，当计算结果取到小数点五位有效数字时， 两种方法的计算结果几乎完全一样，但是迭代次数差别很大，下面将对其原因进 行深入分析。 从上述潮流计算总体流程中可以看出，计算未收敛时，每一次迭代，风电机 组对应节点的电压和转差都会发生改变，电压的改变是在常规的潮流计算中完成 的，而转差的改变是在步骤( 3 ) 中完成的。也就是说本文方法同时完成了电压 和转差的迭代，同样的计算精度下，计算结果和r x 型处理方式相同，这是因为 两种计算方法中都依据风力发电机组的机械功率和电磁功率相等的原则，所以最 终计算的收敛性质是一样的。但是通过对比可以发现本文方法的迭代次数要比 r x 型处理显著减少。 本文方法与r x 型处理方式存在迭代次数上的大差别，究其原因在于两者对 于转差初值选取的方式的不同，本文方法转差初值是由式( 2 6 ) 计算得到的， 它的依据就是风力发电机组的机械功率和电磁功率的平衡，所以转差的初值本身 就受必然的物理规律牵制，已比较接近真值，而r x 型处理方式，在选取转差初 始值时，没有考虑这一点，只是按数学规律，在转差允许范围内，任选一个初值， 而不同风速下，转差在允许的范围内又有着较大的变化，这样一来，转差初值选 取的不精确必将会增加迭代的次数，实质是牛顿法的特点所致。 1 2 山东大学硕士学位论文 由此看来，无论是p q 型处理方式，还是r x 型处理方式，其实在算法原理上 是一样的，由此若进行完全的迭代，两者的计算结果都收敛在风力发电机组的稳 定运行的点上，两者之间存在差别仅在于转差初值选取的方式不同。 进一步，本文的方法吸收常规牛顿潮流的特点，而在常规潮流计算格式略做 微小变化的代价下，在风电相关的迭代中是吸取了高斯塞德尔迭代的思想，这对 电网电压水平较正常情况下，必然有迭代次数少的改善。 2 5 本章小结 ( 1 ) 通过对异步发电机模型的分析，阐明了风电接入电网的潮流计算的关键问 题是对转差( s ) 和电压( v ) 的迭代计算，在此基础上，验证了p q 模型和r x 模型算法的一致性。 ( 2 ) 计算分析表明，风电场和接入系统之间有着很强的互相牵制关系，为了使 并网的风电场更好地发挥作用，提高系统无功电压支撑能力非常必要。 ( 3 ) 本文思路对进一步研究风电对电网影响铺设了较好基础，便于处理。 本文方法的特点在于以风电接入点异步机组转差和该点的电压为本质特征 进行算法研究，该节点异步发电机组的有功功率和无功功率以函数形式隐含在其 中，即转差和电压的变化导致了风电机组有功功率及无功功率的变化。按此提出 的潮流计算方法，不仅解决了风电机组接入电网的潮流计算数学描述问题，也可 证实p q 型处理和r x 型处理并无本质的区别，同时，按本文方法，对风电并入电 网点与电力系统间牵制关系分析更显得方便。 山东大学硕士学位论文 第三章风电接入电网的电压支撑规律 3 1 风电接入点的电压支撑规律 由于风电场大多分布在系统的末端，远离负荷中心，所以风电并网点相对薄 弱，另一方面对于风电的利用，我们的原则是由风必发，不管系统处于哪种运行 方式下，都必须无条件地接受风电场传送的能量，那么并网点能否提供相应的无 功支撑就会影响到系统是否能够在正常运行的情况下接受风电场发出的功率。因 此对风电接入点的电压支撑规律的研究显得非常重要。 我们对于风电场电压无功问题研究的目的是为了能够保证风电场的正常运 行不会对系统电压水平产生太大的负面影响，即实现风电场与其所接入的系统之 间的协调运行，那么就需要深入分析各种可能的情况，并针对出现的问题提出解 决的方法。 对这个问题的研究，我们主要从三个方面展开，一是考虑风电并网点自身所 带负荷特性对其电压支撑能力的影响；二是从风电并网点同系统联系强弱的角度 考虑；三是考虑外围系统电压水平不同时带来的影响。 风电并网点一般都会带有有本地负荷，当风电并网点同外界之间的联系关系 一定时，该并网点自身所带负荷的特性将会成为影响该点无功电压支撑能力的关 键因素。由于风电场发出的功率具有随机性和不可控性，它和本地负荷是两个完 全独立的变量，我们无法根据负荷的特性来决定风电场的出力。不同的风速下， 当负荷的大小以及功率因数发生变化时，并网点能否提供足够的电压无功支撑能 力，此时的潮流应该是怎么样的呢? 这些都是我们将要探讨的问题。 一个点的电压支撑能力与该点同系统联系的强弱有着密切的关系，即该点同 系统间电气距离的远近。如果该点同系统联系比较紧密，那么其有功无功需求就 较容易从系统中得到满足，从而使得该点在发生负荷突变等扰动时能够表现出比 较刚性的特性。从系统侧来看，风电场对于无功的吸收相当于一种扰动，那么当 并网点同系统的联系强弱程度不同时，风电场的并网对系统照成的影响有何不同 是值得深入讨论的问题。 在并网点通外围系统联系程度一定的情况下，当外部系统的电压水平不同 1 4 山东大学硕士学位论文 时，风电并网对系统造成的影响也会有所不同，当外部系统电压水平较低时，风 电场的接入会使电压水平进一步恶化，导致并网点附近电压越限，而当外部系统 电压水平较高时，情况就会稍好一些。这些都是我们需要研究的问题。 3 2 烟台地区风电接入的状况和等值描述 根据( ( 2 0 0 8 烟台电网年度运行方式中的介绍，烟台地区已投入运行的风电 场共有9 座，风电机组数量合计1 8 2 台，总装机容量为1 6 1 8 5 m w ，在烟台地区 发电容量中已经占有明显比例。其中长岛地区风电数量为8 0 台，装机容量为 6 4 m w 左右。其中，长岛风电场、小黑山风电场、华能风电场、联凯风电场、润 霖风电场等属于较早建设的风场，采用的风电机组多为早期的异步式定桨距类 型，占烟台地区风电总装机容量的一半以上。 截止到0 8 年底，东源、鲁能、大唐、华电国际、华润等企业还要在烟台地 区建设8 座风电场，装机容量为2 7 9 m w 。也就是说到2 0 0 9 年年初，烟台地区投 入运行的风电场总装机容量将达到4 4 0 8 5 m w 。如此大的装机容量，将对烟台地 区电网运行造成显著影响，因此研究并网风电场对电网运行的影响是十分迫切而 且必要的! 本文的研究主要针对长岛地区风电接入系统展开的，长岛地区的风电场，通 过升压后接到长山站的1 1 0 k v 母线，然后经过一条海底电缆接到汤邱站1 1 0 k v 母线，和烟台电网相联。 为了使研究能够具有针对性，我们把风电并网点电网进行了等值。具体做法 是将外围系统等值为一台发电机经过一条线路连接到汤邱站2 2 0 k v 母线。这样 就可以使我们的研究对象明确化，更容易分析出可能会出现的一些问题。 等值后的系统图如第二章图2 1 所示。 等值的目的是为了能够准确研究风电并网对系统的影响，因为风电的影响范 围有限，只有将其放在一个小的系统研究才能看出它的价值以及可能存在的问 题。 汤邱站1 1 0 k v 母线连接了六个1 1 0 k v 变电站。分别是大季家站、长山站、 许马站、蓬莱站、北沟站、秦沟站和龙山店站。其中长岛风电场就连接在长山站 1 1 0 母线上。 山东大学硕士学位论文 在通常的研究中，我们用短路容量来衡量一点同系统联系的强弱，短路容量 是一个虚拟量，它是指系统中一母线发生三相短路故障时的故障电流同故障前该 母线电压的乘积。 1 s s c = 弓 么 ( 3 1 ) 式中z 代表的是该母线的等值阻抗，该母线同系统联系的强弱可以由它的值 来表征。当系统中其它节点同该母线的联系关系发生变化时，z 的值将会发生 变化，我们以此来模拟可能发生的各种情况，诸如发生断线、机组的增加或减少 在筮 守。 汤邱2 2 0 母线与外部的联系主要通过4 条2 2 0 k v 线路，分别是和龙口电厂 相联的龙汤一线和龙汤二线，以及和2 2 0 k v 岗嵛变电站相联的汤嵛线，和2 2 0 k v 沈余变电站相联的汤沈线。 某一典型运行方式下，即上述四条联络线都正常连接时，汤邱2 2 0 k v 母线 的短路容量为6 4 8 9 6 9 8 m v a ，由式( 3 1 ) 得到外围系统到该母线的等值电抗的标 幺值为0 0 1 5 4 。 在我们下面的分析中，我们将从上述三个方面进行探讨。一是汤邱站2 2 0 k v 母线同外围等值系统间的等值电抗发生变化；二是各1 1 0 k v 变电站的负荷大小 以及功率因数发生变化；三是外围系统电压水平发生变化。综合分析这三种情况 下，分析风电场并网给系统带来的不同影响。 3 3 烟台电网风电接入仿真分析 首先，我们研究分析等值系统同外围之间的联系一定，即等值电抗一定情况 下，风电场并网对系统带来的影响，这里的等值电抗就取上述值0 0 1 5 4 ，等值电 源的标幺值取1 0 。 3 3 1 不同负荷水平下风电接入后的影响分析 我们从某一典型日的2 4 小时负荷数据中选取负荷较轻的时段进行计算分 析，具体数据见附录a ，考虑到风电机组自身带有的电压保护装置，我们在程序 中设定如果电压超出一定范围将会采取切机操作来保护风机，风电机组机端电压 1 6 山东大学硕士学位论文 正常运行范围为0 8 1 2 。 表3 1 首先列出了不同风速下风电场的出力情况。 表3 - 1 不同风速下风电场出力情况 风速 4 m s 6 m s8 m s 1 0 m s 1 2 m s1 4 m s 风机有功( m w ) 4 2 91 3 7 82 4 4 83 6 44 9 5 46 4 风机无功( m v a r ) 1 6 7 3- 1 7 6 81 9 9 12 4 0 43 1 1 94 4 5 5 风电场电压( p u ) o 9 8 10 9 8 10 9 7 90 9 7 50 9 6 40 9 4 3 风机转差 0 0 0 0 5 70 0 0 1 80 0 0 3 30 0 0 5 10 0 0 7 5o 0 1 l 启动风机台数 8 08 08 08 08 08 0 功率因数0 2 4 8 o 6 1 4 0 7 7 6 0 8 3 4 0 8 4 60 8 2 l 从表3 1 中的数据可以看出，随着风速的升高，风电场发出的有功功率逐渐 增加，其吸收的无功功率也逐渐增加，风电场节点的电压逐渐降低，风电机组的 转差逐渐变大。计算的结果表明，在这种运行方式下，由于系统能够提供足够的 无功电压支撑，风电场能够正常稳定运行，向系统传送功率。 随着风速的升高，风电机组的功率因数先增加后降低，低风速下，风电机组 的功率因数很低，但是由于其功率输出较小，所以对系统造成的影响不大，高风 速时，其功率因数在0 8 左右，由于此时风电机组的功率输出较多，对系统电压 的影响已经比较明显。 1 7 山东大学硕士学位论文 寰3 2 不同风速下各母线电压( 表幺值) 速 o m s4 m s 6 m s8 m s l o m s1 2 m s1 4 m s 母线电压 大季家11 0 0 9 8 2 0 9 6 80 9 6 90 9 6 7 0 9 6 50 9 5 90 9 4 7 长山站11 01 0 0 60 9 8 20 9 8 30 9 8 00 9 7 6 0 9 6 60 9 4 5 许马11 00 9 9 30 9 8 00 9 8 00 9 7 80 9 7 60 9 7 00 9 5 8 蓬莱11 00 9 9 20 9 7 90 9 7 90 9 7 70 9 7 50 9 6 90 9 5 7 北沟11 00 9 8 10 9 6 80 9 6 80 9 6 70 9 6 40 9 5 80 9 4 6 秦沟11 00 9 9 20 9 7 90 9 7 90 9 7 80 9 7 50 9 6 90 9 5 7 汤邱1 1 00 9 9 20 9 8 00 9 7 90 9 7 80 9 7 50 9 6 90 9 5 7 龙山店1 1 00 9 8 40 9 7 l0 9 7 10 9 7 00 9 6 70 9 6 10 9 4 9 表3 2 列出了不同风速下，与风电并网点汤邱1 1 0 母线直接相连的各母线电 压。从表中数据可以看出，随着风速的升高，各母线电压都有所降低。这是因为 为了提供风机正常运行所需要的无功支撑，汤邱1 1 0 母线需要从外界吸收大量的 无功，这就必将导致该节点电压的降低，而其它节点的功率都是由汤邱1 1 0 母线 提供，其电压自然也会降低。 由上述数据及