（电力系统及其自动化专业论文）风电接入对配电网的影响及对策研究.pdf

原创性声明 f i i ii i il rl ll ll ll lli ii y 17 9 2 9 9 8 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 究作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： 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) 、7 论文作者签名： ltf_群。# 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题的背景和意义2 1 3 国内外研究现状。4 1 3 1 风电发电机组的发展现状4 1 3 2 风电场稳态计算模型5 1 3 3 风力发电对配电网电压和网损的影响6 1 3 4 风力发电对配电网影响的对策6 1 4 论文的主要工作和章节安排。7 第二章风电场稳态模型的研究9 2 1 引言。9 2 2 风电场的稳态模型9 2 2 1 基于异步发电机的风电场稳态模型l o 2 2 2 算例分析1 6 2 2 3 基于双馈发电机的风电场稳态模型1 9 2 2 4 算例分析2 5 2 3 本章小结3 0 第三章风电接入对配电网的影响3 l 3 1 引言3 1 3 2 风力发电对配网网损的影响3 l 3 3 风力发电对配网电压的影响3 4 3 3 1 稳态电压分布3 4 3 3 2 静态电压稳定性3 6 3 4 算例分析3 7 3 4 1 基于异步机组的风电场对配网网损的影响3 8 3 4 2 基于双馈机组的风电场对配网网损的影响。3 9 山东大学硕士学位论文 3 4 3 网损分析结论4 0 3 4 4 基于异步机组的风电场对配网稳态电压分布的影响4 1 3 4 5 基于双馈机组的风电场对配网稳态电压分布的影响4 8 3 4 6 不同类型风电场对配网静态电压稳定性的影响5 1 3 4 7 电压分析结论5 3 3 5 本章小结5 3 第四章风电接入对配电网影响的对策研究5 5 4 1 引言5 5 4 2 合理选择风电机组类型5 5 4 3 合理选择风电场的无功补偿方案5 6 4 3 1 基于异步机组的风电场无功控制5 6 4 3 2 基于双馈机组的风电场无功控制5 7 4 4 合理选择风电场的接入位置5 8 4 5 合理确定风电场的最大安装容量5 9 4 6 合理设置旋转备用容量6 2 4 7 其它应对措施6 4 4 7 1 负荷控制6 4 4 7 2 风一光互补发电系统的应用6 4 4 7 3 超导储能装置的应用一6 4 4 7 4 轻型直流输电的应用6 5 4 8 本章小结6 7 第五章总结6 9 5 1 研究中得到的主要成果和结论6 9 5 2 下一步的工作7 0 参考文献7l 致谢7 7 攻读学位期间发表的学术论文7 8 攻读学位期间参加的科研工作一7 9 i 0 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i i c h a p t e rl i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n l 1 2b a c k g r o u n da n dm o t i v a t i o n 2 1 3r e s e a r c hs t a t u s 4 1 3 1t l l ed e v e l o p m e n to fw i n dt u r b i n e 4 1 3 2s t e a d y s t a t em o d e lo f w 洫df a r m 5 1 3 3i m p a c t so nv o l t a g ea n dp o w e rl o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 6 1 3 4r e s e a r c ho nc o u n t e r m e a s u r e s 6 1 4m a i nw o r ka n do r g a n i z a t i o no ft h ep a p e r 7 c h a p t e r2s t e a d y - s t a t em o d e lo fw i n df a r m 。9 2 1i n t r o d u c t i o n 9 2 2s t e a d y s t a t em o d e lo f w i n df a r m 9 2 2 1s t e a d y s t a t em o d e lo f w i n df a r mb a s e do ni n d u c t i o ng e n e r a t o r 1 0 2 2 2c a s es t u d y 1 6 2 2 3s t e a d y s t a t em o d e lo f w i n df a r mb a s e do nd f i g 1 9 2 2 4c a s es t u d y 2 5 2 3s u m m a r y 3 0 c h a p t e r3i m p a c t so nd i s t r j b u t i o nn e t w o r k 3l 3 1i n t r o d u c t i o n 3l 3 2i m p a c t so np o w e rl o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 3l 3 3i m p a c t so nv o l t a g eo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k 3 4 3 3 1s t e a d y - s t a t ev o l t a g ep r o f i l e 3 4 3 3 2s t a t i cv o l t a g es t a b i l i t y 3 6 3 4c a s es t u d y 3 7 3 4 1i m p a c t so np o w e rl o s sc a u s e db yi n d u c t i o ng e n e r a t o r 3 8 3 4 2i m p a c t so np o w e rl o s sc a u s e db yd f i g 3 9 3 4 3c o n c l u s i o n so fp o w e rl o s sa n a l y s i s 4 0 3 4 4i m p a c t so ns t e a d y - s t a t ev o l t a g ep r o f i l ec a u s e db yi n d u c t i o ng e n e r a t o r 41 3 4 5i m p a c t so ns t e a d y - s t a t ev o l t a g ep r o f i l ec a u s e db yd f i g 4 8 4 5p r o p e ri n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n df a r m 5 9 4 6p r o p e rs p i n n i n gr e s e r v ec a p a c i t yo fw i n df a r m 6 2 4 7o t h e rc o u n t e r m e a s u r e s 6 4 4 7 1l o a dc o n t r o l 6 4 4 7 2t h ea p p l i c a t i o no fw i n d p h o t o v o l t a i eh y b r i dp o w e rs y s t e m 6 4 4 7 2t h ea p p l i c a t i o no fs m e s 6 4 4 7 3t h ea p p l i c a t i o no fh v d cl i g h t 6 5 4 8s u m m a r y 6 7 c h a p t e r5c o n c l u s i o n s 。6 9 5 1a c h i e v e m e n t sa n dc o n c l u s i o n s 6 9 5 2s u g g e s t i o n sf o rf u t u r ew o r k 7 0 r e f e r e n c e s 7 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 。7 7 p u b l i c a t i o n s 7 8 r e s e a r c ha c t i v i t i e s 7 9 i i 山东大学硕士学位论文 摘要 随着能源问题和环境问题的日益严峻，世界各国竞相大力发展可再生能源。 风力发电凭借其绿色环保、资源丰富等优势得到了世界各国的广泛重视，是目前 世界上发展最快的可再生能源。为减小风电随机性、波动性对电网安全运行的影 响，目前我国的风电场一般均从高电压等级电网并网。但随着风电技术日臻成熟， 以及风电与智能电网建设的协调发展，可以预见将会有越来越多的风电渗透到电 压等级较低的配电网中。因此，对风电场的行为特性以及接入配电网后产生的影 响进行相关探索性的研究具有一定的实际指导意义。鉴于此，本文主要进行了以 下几方面的研究工作： 首先，本文深入地探讨了目前国内风电场中较为常见的两类风电场基于 恒速恒频异步机组的风电场和基于变速恒频双馈机组的风电场的稳态模型。对前 者，文中建立了异步机组的稳态模型，在建立风电场稳态模型时重点考虑了风电 场内部箱式变压器的损耗，并给出了一种无功补偿方案：对后者，文中重点研究 了双馈风电机组在恒功率因数运行方式下的稳态模型，并在此基础上提出了一种 双馈机组的简化稳态模型，从而使得计算过程大为简化。 其次，从理论上分析了风电场接入配网后对配网电压和网损的影响，并在所 构建的风电场稳态模型的基础上结合一实际配网从多个角度对两类常见风电场接 入该配网后给其所带来的影响进行了详细的仿真分析，仿真结果表明：风电场的 无功补偿状况、接入位置的不同、有功功率和机组功率因数变化等都会对配网电 压和网损产生不同程度的影响。 最后，针对风电对配网电压和网损的影响，提出了相应的应对措施，如合理 规划风电场的装机容量、选择合适的接入位置、配置适量的旋转备用、采用适当 的无功补偿方案以及超导储能装置和轻型直流输电的应用等。 关键词：风力发电；稳态模型；异步机组；双馈机组；电压稳定性；网损；对策 ，i一i，l气、 1 j1i，。：= 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gs e v e r i t yo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e m s ，r e n e w a b l ee n e r g y i s c o m l ：i e t i t i v e l yd e v e l o p e d a l lo v e rt h ew o r l d w i n de n e r g y , w h i c hi s c l e a na n d a b u n d a n t ，i sa t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et oa n db e c o m e st h ef a s t e s td e v e l o p i n gr e n e w a b l e e n e r g y i no r d e rt or e d u c en e g a t i v ee f f e c t so nt h ep o w e rs y s t e mt ow h i c hw i n df a r mi s c o n n e c t e d n o ww i n df a r m sa r ea l w a y sc o n n e c t e dt ot h eh i g h - v o l t a g ep o w e rs y s t e mi n o u rc o u n t r y h o w e v e r ，w i t ht h em a t u r i t yo fw i n dp o w e rt e c h n o l o g ya n dt h ec o o r d i n a t e d d e v e l o p m e n to fw i n dp o w e ra n d s m a r tg r i d ，i ti sf o r e s e e a b l et h a tt h e r ew i l lb em o r ea n d m o r ew i n dp o w e rp e n e t r a t i o ni n t ot h el o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e r e f o r e ，i t w i l lb ep r a c t i c a l l ym e a n i n g f u lt os t u d yi m p a c t so nl o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k c a u s e db vt h ep e n e t r a t i o no fw i n dp o w e r t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： f i r s t t h es t e a d y s t a t em o d e l so ft w ot y p i c a lk i n d so fw i n df a r m sa r es t u d i e d ，w h i c h a r eb a s e do nc o n s t a n t s p e e dc o n s t a n t 一矗e q u e n c yi n d u c t i o ng e n e r a t o ra n dv a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c yd o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) r e s p e c t i v e l y f o r t h ef o r m e r t y p e ，t h es t e a d y s t a t em o d e lo fi n d u c t i o ng e n e r a t o ri se s t a b l i s h e d ，a n dt h ep o w e r l o s so f t 瑚m s f o r m e r si st a k e ni n t oa c c o u n tw h i l em o d e l i n g 、v i n df a r m b e s i d e s ，ar e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nm e t h o dw h i c hi s f i tf o rw i n df a r mi sp r o p o s e d f o rt h el a a e r t h ep a p e r m a i n l vf o c u s e so nt h es t e a d y s t a t em o d e lo fd f i gw h i c ho p e r a t e si nt h em o d eo f c o n s t a n tp o w e rf a c t o r b a s e do nt h em o d e l ，as i m p l i f i e dm o d e lo fd f i gi sp r o p o s e d ， w h i c hd r a m a t i c a l l ym a k e st h ep r o c e s so fp o w e rf l o wc a l c u l a t i o ns i m p l i f i e d s e c o n d ，i m p a c t so nv o l t a g es t a b i l i t y a n dp o w e rl o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r e a n a l y s e df r o mt h e o r e t i c a lp e r p e c t i v e b a s e do nt h e s t e a d y s t a t em o d e l s ，s i m u l a t i o n s f r o md i f f e r e n ta s p e c t sa r e c a r r i e do u to nap r a c t i c a ld i s t r i b u t i o n n e t w o r kw h i c hi s i n t e r c o n n e c t e dw i t ht h et w ot y p i c a lk i n d so f w i n df a r m s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tv o l t a g es t a b i l i t ya n dp o w e rl o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kc a nb ea f f e c t e db yd i f f e r e n t o p e r a t i o nc o n d i t i o n so fw i n df a r m ，s u c ha st h ed i f f e r e n tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n c o n d i t i o n s ，t h ec h a n g eo fc o n n e c t i n gl o c a t i o nt o d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h ev a r i a t i o no f t h eo u t p u to fa c t i v ep o w e ra n dw i n dt u r b i n ep o w e rf a c t o ra n d s oo n a tl a s t ，t oc o p ew i t ht h ei m p a c t so nv o l t a g es t a b i l i t ya n dp o w e rl o s s ，a f e w c o u n t e r m e a s u r e sa r ep r o p o s e d ，s u c ha sp l a n n i n go fr a t i o n a li n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n d i l l i v 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪以来，世界经济迅猛发展，能源需求成倍增长，能源工业大规模发展。 但常规能源不仅面临着枯竭的问题，而且由于化石能源的大量使用，直接向大气 中排放温室气体和气溶胶等引起了全球气候变暖和日益严重的环境污染问题，对 自然生态系统、社会经济和人体健康均构成了严重威胁，已引起国际社会和公众 的高度关注。为了更好地克服能源供需矛盾的制约，促进全球经济的可持续性发 展，应对气候变化，改善人居环境，大力发展包括风能在内的可再生能源已成为 各国政府、科技界和公众广泛关注的焦点。 能源问题在中国经济社会的可持续发展中具有特别重要的战略地位。中国目 前的能源供需矛盾尖锐，能源利用效率低下，以煤为主的一次能源消费造成了严 重的环境污染；中国已成为仅次于美国的世界第二大二氧化碳排放国，来自国际 社会的温室气体减排压力不断增大。近几年中国大范围发生的“电荒、煤荒、油 荒、天然气荒 ，凸显出当前中国能源供应形势的严峻。 风力发电是目前技术最为成熟、最具有大规模开发和商业化发展前景的清洁 可再生能源利用方式，近十年来发展极为迅速，在一些国家已经成为比较重要的 能源供给方式。到2 0 0 8 年底，世界风力发电的装机容量已经超过了1 2 亿千瓦， 在过去5 年中年均增长率高达3 5 7 。根据欧洲风能协会和绿色和平组织等有关国 际机构预计，到2 0 2 0 年全球的风力发电装机容量将达到1 2 3 l 亿千瓦，将占世界 电力供应总量的1 2 。据世界风能协会发布的 2 0 0 8 年世界风电报告，2 0 0 8 年 就新增装机容量而言，处于领先地位的是美国和中国市场。美国新增装机容量83 5 8 m w ，总装机容量达到2 51 7 0m w ，正式超过德国( 2 39 0 2m w ) ，位居世界第一。 欧洲与北美齐头并进，2 0 0 8 年新增装机容量均为98 0 0m w ，亚洲以86 0 0m w 而 紧随其后。 中国政府高度重视风能等可再生能源的大规模商业化开发和可持续性利用。 2 0 0 6 年1 月1 日正式生效的中华人民共和国可再生能源法，把包括风能在内 山东大学硕士学位论文 的可再生能源利用提高到增加能源供应、改善能源结构、保障能源安全、保护环 境、实现经济社会可持续发展的战略高度。中共中央关于制定国民经济和社会发 展第十一个五年规划的建议中，明确要求大力发展风能、太阳能等清洁能源技术。 经2 0 0 6 年1 月4 日国务院常务会议研究并原则通过的加快气象事业发展的若干 意见中特别强调指出：中国风能、太阳能资源等具有巨大的开发潜力，将其转 化为现实生产力有着巨大的经济、环保和生态价值，对促进经济社会可持续发展 具有重要的作用。 在这种形势下，近年来中国的风力发电事业呈现了良好的发展势头，大型并 网风力发电发展迅速，到2 0 0 8 年底，己在2 4 个省、市、区( 不含台湾省) 建有风电 场，总装机容量超过1 2 0 0 万千瓦。中国风电总装机容量连续第四年翻番增长，成 为亚洲第一、世界第四的风电大国。预计到2 0 1 0 年可达到2 5 0 0 万千瓦，到2 0 1 5 年将达到5 0 0 0 万千瓦。风力发电己经步入了一个快速发展的阶段，但总体规模仍 r l 1 不大，对国家能源供应的贡献很小，仅占全国发电装机总量的0 2 ”。 1 2 课题的背景和意义 随着能源的短缺及环境污染的日益严重，分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ， d g ) 以其一次能源的丰富性、环境友好性及装机方式的灵活性逐渐成为电力系统新 的研究热点。其中风力发电是近年来得以迅速发展的一种发电形式，具有发电技 术比较成熟、发电价格较低、建设周期较短等优点，在未来电力系统发展中将占 有重要的地位。 风力发电形式可分为离网型和并网型。通过分析大型互联电网系统以及风力 发电的特点可知，风力发电与大电网并联供电相互补充、协调，是综合利用现有 资源和设备为用户提供可靠、稳定和优质电能的理想方式。因此，并网型风力发 电是近几年来风电发展的主要趋势，也是本文的研究重点。 但随着风力发电的迅速发展，其弊端也逐渐凸显。风的随机波动性和间歇性 决定了风力发电的功率也是波动和间歇性的。当风电场的容量较小时，风电对电 ” 网的影响并不明显；随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风电对电网的影 响就会越来越明显，大风速扰动会使系统的电压和频率产生很大的变化，严重时 将可能使系统失去稳定。另外，风电机组的运行受制于系统的运行条件，当系统 的运行条件比较恶劣，如电压水平比较低时，风电机组很容易在系统扰动或风速 2 山东大学硕士学位论文 扰动条件下停机。这不仅会给风电场带来经济损失，也可能使系统失去稳定。例 如：美国某风力发电站就曾经出现过在一至二小时内风电功率波动达上百兆瓦的 情况，给电力系统造成很大的冲击。中国电力科学研究院的工作指出：在一般情 况下，当风电穿透功率( 即风电功率占系统总发电功率的比例) 不超过8 时，我国 电网不会出现较大问题。但是当风电穿透功率超过一定值之后，有可能对电能质 r - 1 量和电力系统的运行产生影响并且可能危及常规发电方式h “。 目前在国外，风电较为常见的是以较小容量( 几十千瓦至几兆瓦) 分散地接入 当地的配网中，就地消纳，从而为解决当地居民用电提供了诸多便利。而在我国， 由于风力资源分布情况特殊，风电场的建设则更倾向于大规模集中式布置，容量 通常达到几十兆瓦乃至上百兆瓦，并且风电场建设的位置多位于偏远地区，距离 电力系统主网较远，为了尽可能减小风电并网对系统的影响，目前我国的风电场 大多是通过升压变电站将电压升至较高等级( 1 1 0 k v 及以上) ，然后经远距离的输电 线路连接到高电压等级的变电站。尽管也有少数风电场从更低电压等级的配网接 入，例如，山东烟台部分地区的少数容量较小的风电场( i o m w 以下) 即通过3 5 k v 配网并入系统，但这种并网方式较为罕见。近年来随着风电的迅速发展，风电所 面临的大容量、远距离高压输电的问题已逐渐成为掣肘风电发展的一技术瓶颈。 对此有部分专家提出效仿国外的做法，即将风电以分散的方式就近接入配电网， 就地消纳部分电能，从而在一定程度上减轻远距离高压输电的压力。国家电网公 司也表示，未来将针对风电消纳工作加大对风电接入示范工程以及配电网的建设 力度。可见，风电从低压配网接入也将会是未来并网型风电发展趋势之一。 此外，随着风电技术的日臻成熟以及未来风电与智能电网建设的协调发展， 从长远看，也将会有越来越多的分散式小容量风电( 几十千瓦至几兆瓦) 乃至具有 一定规模的风电场( 几十兆瓦) 渗透到低压配电网之中。比如：目前山东潍坊、青 岛等地区在风电“十二五”规划中，提出未来几年建设一批规模不大的风电场， 但具体的并网方案尚未确定，因此针对风电场就近从低电压等级的配电网并网进 行相关探索性研究，对拓展目前风电并网方案的选择空间，缓解风电大容量、远 距离高压输电的压力，以及推进智能电网建设等都有重要的理论和现实指导意义。 配电网的架构通常较为薄弱，风电的接入必然会引起一系列的问题。例如： 风电的并入将使配电网的结构发生变化，使其由单电源辐射型网络变成多电源网 络，而由于风力发电的波动性和间歇性的特点，若风电在配网中的接入点数量和 3 山东大学硕士学位论文 容量达到一定规模后将会对配电网的潮流分布、系统损耗、电能质量、系统稳定 等诸多方面产生不利影响，进而给配网的运行和控制工作带来挑战。 因此，在风电接入配网前，必须有针对性地先对这些问题进行系统地研究， 并提出具体的应对措施，才能够在保证配电系统的安全可靠运行的同时，有效提 高能源利用效率，这也是风力发电应用技术的关键所在。系统地研究风电并入配 网所带来的影响，首先应该从风电场建模入手，建立比较精确、工程实用的风电 场模型，然后再在此基础上对风电接入系统后带来的诸如潮流分布、网损改变、 电压稳定性等问题进行深入研究，最后再针对具体的问题提出相应的应对措施， 从而为风电从配电网接入提供一定的技术指导。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 风电发电机组的发展现状 风力发电机组是风力发电的主要装置，它是风电技术中的核心。风力发电发 展至今，风电机组无论在结构上还是在性能上都有了很大程度的提高。由2 0 世纪 9 0 年代的定桨距、恒速技术，发展到今天被广泛应用的变桨距、变速技术，而且 单机容量不断刷新纪录。特别是海上风电技术的逐渐成熟，有力地促进了特大型 风电机组( 单机容量大于或等于3 m w ) 的研发。从目前风电场所使用的风力发电机 组情况来看，大致可以将其分为以下三类【1 4 5 6 1 。 ( 1 ) 定桨距风机+ 鼠笼异步发电机 这类系统模式也被称为“丹麦模式”，在风力发电发展初期，这种机组凭借其 结构简单、鲁棒性好、成本较低等优势占据了大部分风电市场。随着技术的发展 以及用户对电能的稳定性和电能质量的要求的提高，这种机组的缺点不能满足用 户的需求，使其市场份额逐步减小，正慢慢退出历史舞台。但是目前在我国电网 中仍运行着大量的这种机组。因此，在分析风力发电对配电网的影响时必须掌握 其运行特性。 ( 2 ) 变桨距风机+ 双馈式发电机 这类机组具有能实现变速运行、功率因数可调、变频器的容量较小、造价相 对较低等方面的优点。目前，双馈风电机组技术成熟，运行经验丰富，已成为国 内外新建风电场的首选机型。近年来，我国部分地区新建成的风电场基本均采用 4 山东大学硕士学位论文 这种机组，这类机型已成目前国内主流机型。目前市场上许多风电设备制造公司 比如v e s t a s 、g a m e s a 、r e p o w e r 、n o r d e x 等均提供基于d f i g 的风力发电机组， r e p o w e r 公司向市场推出的单台d f i g 风力发电机组容量已达5 m w 。 ( 3 ) 变桨距风机+ 同步发电机 这种类型的机组也是变速运行风力发电机组的一种，其中同步发电机也分为 电励磁同步发电机和永磁同步发电机。当发电机采用低速多极同步发电机时，可 以省略齿轮箱，称为“直接驱动 模式风力机组。直驱型机组较前两种机组最大 区别即为省去了齿轮箱，从而有效地提高了系统的效率以及运行的可靠性，并减 少维护工作量。由于目前风力发电机组的容量逐渐向大型化发展，并且安装地点 也由陆地向海上发展，在机组运行中对系统进行维护保养工作非常困难。理想的 风力发电机组应该是能够变速运行、直接驱动，省去齿轮箱，减少不必要的保养 工作。因此，这类机组将是未来风力发电机组的发展趋势。目前，e n e r c o n 公司生 产的直驱运行的风力发电机单台容量达到了4 5 m w 。这种风机系统在国外己有较 多工程实例，但是在我国风电场中应用很少，其主要原因是全功率换流器及换流 站的造价很高，相应的损耗也较大，并且发电机结构复杂、质量大、价格昂贵。 近年来，随着直驱型风电机组研究的深入，开关磁阻电机以其变速运行范围 宽、低速运行性能好、电机结构简单、成本低、适合直驱运行等优点也越来越受 到人们的重视，目前这方面的研究多处于实验室验证阶段，在实际风电场中这种 机型十分罕见。 1 3 2 风电场稳态计算模型 目前国内外在这方面的研究主要集中在对风电机组的潮流计算模型的构建 上，而研究较多的是异步风电机组的潮流计算模型。在这些潮流模型中，大多采 用确定性的分析方法来计算系统潮流，即假定风速是已知的，根据风电机组的风 速功率曲线得到有功功率，目前较为常用的异步风电机组的潮流计算模型主要有： p q ( v ) 模型、r - x 模型和p z 简化模型。其它的一些的研究则多是在这些模型的基 础上做了相应的改进，比如有些模型适当考虑了一些风电场实际运行中因素，如 风速变化、无功补偿等1 2 1 7 1 。也有文献针对风机输出功率具有随机性的特点，提 出了随机潮流问题，文献【4 l 】根据短期风速预测的概率特性，研究提出了风电系统 的概率潮流计算方法，文献 4 2 】建立了风力发电的随机分析模型，并提出了基于半 山东大学硕士学位论文 不变量法的随机潮流计算方法。另外，考虑到配电系统具有三相不平衡的特性， 文献 4 3 】研究了含异步机组风电场的配电网三相潮流计算方法。 基于双馈风电机组的风电场潮流计算模型目前研究较少，由于双馈机组具有 较强的无功调节能力，通常可以恒定功率因数运行，所以目前较为常用的模型主 要是p q 模型，该模型计算简单，但存在精度不足的缺点。也有文献在双馈机稳 态等值电路的基础上推导出了更为精确地计算模型【1 8 2 1 1 。 由于目前直驱同步机组在风电场中应用较少，鲜有文献对基于这类机组的风 电场潮流计算模型进行相关研究。 1 3 3 风力发电对配电网电压和网损的影响 目前国内较多文献对风电接入对放射状链式配电网电压分布的影响进行了研 究，指出电压的影响程度主要与传输功率和系统负荷大小有关，并给出了电压调 整和控制的方法。但这些文献大多是以基于异步机组的风电场对配电网电压分布 的影响为研究重点，而没有深入研究基于其它机组类型的风电场对电压的影响。 也有一些文献就风电的接入对配电网静态电压稳定性的影响进行了探讨，但是目 前的研究大多也是局限于基于异步风电机组的风电场对系统静态电压稳定性的影 响。国外有些文献主要侧重于对风电接入位置及注入功率对配电网电压影响的研 究，但在仿真分析过程中或未考虑沿线负荷的具体分布而将其假设为沿线均匀分 布，或未考虑风电机组的运行特性而将其视为理想电源唰。 风电接入对配网网损产生影响主要是因为风电会改变配网某些支路上原来潮 流的大小和走向，从而改变了系统的网损。目前国内外在这方面的研究较少，且 主要研究方向是如何有效利用诸如风电这类分布式电源的并网运行来达到减小系 统网损的目的，从而使电网在最优条件下运行，比如：选择最优的接入位置、合 理规划分布式电源的容量等凹。3 ，5 8 1 。 1 3 4 风力发电对配电网影响的对策 在规划阶段，目前主要是通过对风电场接入位置以及最大安装容量进行合理 规划，以减小风电对配电网的不利影响。国内一些文献主要通过推导馈线电压分 布表达式，进而从电压分布角度来确定风电场的接入位置及最大注入容量p 1 1 州； 而国外文献则主要从系统网损最小、系统整体电压改善水平等方面，通过最优潮 6 山东大学硕士学位论文 流计算或原对偶内点法等方法来确定风电场的最佳接入位置及临界注入容量，对 此国内外还没有统一的确定方法2 8 。3 1 。此外，合理选择风电的并网方式也是目前 研究方向之一，比如一些文献提出将轻型直流输电技术应用于风电的传输，从而 实现风电的远距离输送，缓解了对风电场装机容量的限制，同时也大大减轻了风 电随机性和波动性对电网的影响7 9 。8 2 1 。 而对已并网发电的风电场，从提高供电质量角度考虑，目前一些文献主要是 通过一些技术手段来减小风电场的影响，如合理设置风电场的无功补偿，为系统 提供充足的备用容量6 9 7 5 1 ，利用超导储能装置解决并网型风力发电系统中的电能 质量问题等。 总的来说，目前在对策方面的研究较少，也有一些文献在深入研究风电对配 网某些方面的影响时( 如电压稳定问题) 顺带给出了相应的应对措施，但较为零 散琐碎，尚无文献对这些措施进行系统的总结和梳理。 1 4 论文的主要工作和章节安捧 本文以风电场潮流计算稳态模型的构建为基础，在潮流计算的基础上对风电 接入配网后对配网电压、网损的影响进行分析，其中重点分析了风电接入对配网 电压的影响，并在电压、网损分析的基础上提出了应对策略，具体内容如下： 1 第二章简要概括了目前我国风电场中较为常见两种机组( 异步机组和双馈 机组) 的特性，重点针对这两类风电场各自特点，建立了其各自的潮流计算模型， 并结合实际的系统验证了模型的准确性； 2 第三章在构建的风电场潮流计算模型基础上，结合实际配电系统分别从多 个角度对这两类风电场接入配网后对配网电压、网损的影响进行了研究，其中重 点分析了对配网电压的影响； 3 第四章在风电接入对配网电压和网损的影响分析的基础上，重点从改善系 统电压角度给出了相应的应对措施； 4 第五章对本文所取得的成果和结论进行总结，并对下一步的研究工作进行 了规划。 7 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章风电场稳态模型的研究 目前配电网一般设计为辐射网，用户侧没有任何电源，风电场的接入将使得 配电网成为拥有多个供电节点环网，这将对配电网产生一系列的影响，而潮流计 算是对影响进行量化分析的重要手段之一。因此，对含风电场的配电网潮流计算 方法进行研究十分必要，而这一问题的关键则在于风电场稳态模型的构建。 含风电场的配电网潮流计算与含传统发电机组的潮流计算的主要区别是其潮 流计算模型与传统发电机组计算模型不尽相同。传统发电机节点在潮流计算中一 般取为p q 节点、p v 节点或平衡节点；而风电场则由于风能的特殊性以及风电机组 的自身特性等因素的影响，其节点的处理方法也与传统发电机节点有