（电气工程专业论文）风力发电机组对电网稳定性影响的研究.pdf

r e s e a r c ho np o w e rs y s t e ms t a b i l i t yo fw i n dp l a n tt op o w e rg r i d h a 0y u a n z h a o b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 a t h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rl ip e i q i a n g a p r i l ，2 0 11 5舢9 舢5删60 9删 舯丫 湖南大学 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。 作者弛礅孔为：，嗍z o | f 年c f 月z 罗日 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：研乞纠 别磴名私琴码伊弓锄 日期：b 1 1 年年月万日 日期：沙l 年彩月方e l 硕士学位论文 摘要 随着低碳经济的发展，风力发电这种清洁、无污染的发电模式在电力系统中 所占的比例也将日益扩大。但是，风能资源的波动性与随机性等特点以及风电机 组与传统同步发电机组的差异，都会对电力系统的稳定性产生重要的影响。因此， 对不同类型风电机组并网后电力系统的稳定性研究是十分必要且有意义的。本文 利用计算机仿真平台，针对恒速异步风电机组，双馈变速风电机组以及直驱同步 风电机组等三种类型风电机组并网后对电力系统暂态稳定性与小干扰稳定性产生 的影响展开研究工作。 研究的主要内容为应用基于m a t l a b 的电力系统分析软件p s a t 来进行风电 机组并网的稳定性分析，找出三种类型风电机组对系统影响的差异。主要工作及 结论集中在如下三个方面。 首先，研究了风电机组接入电网对系统原有的低频振荡模式及其特性的影响。 通过分析含强耦合系统的两区域系统算例，得到三种风电机组分别替换同步机组 接入电网，会增加与风电场强相关的阻尼特性较好的振荡模式的结论。 为了进一步分析其对系统阻尼特性的影响，引入了风电穿透功率增加对小干 扰稳定影响的两区域算例，得到风电机组在系统中容量的提高，对系统原有的同 步机组区间或局部振荡模式改变不大，而振荡特性有所变化，恒速机组系统穿透 功率的提高有助于改善其振荡特性，双馈机组穿透功率的增加会减弱新增局部振 荡模式的阻尼，直驱机组穿透功率增加能提高区域内发生的与风电机组相关的局 部振荡的阻尼等结论。 其次，根据已有的风电机组数学模型，针对影响恒速机组动态稳定性的因素 展开讨论，分别分析了轴系过程以及发电机组参数的改变对恒速机组暂态稳定性 的影响，得到了提高轴刚度系数墨，转子电阻尺，减小定子电抗墨，转子电抗 卫等些改善机组动态稳定性的方法。 最后，验证了风电机组等值表示在p s a t 中的有效性。基于一个含风机的3 9 节点网络仿真算例，重点对比恒速异步，双馈变速，直驱同步等三种风力发电机 接入系统对电网暂态稳定性的不同影响，得出了与风电机组电气联系紧密的同步 机组稳定性对恒速机组的稳定性关联影响最大。直驱机组系统与双馈机组系统的 暂态稳定性要好于恒速机组系统的结论。 关键词：电力系统；风电机组；暂态稳定性；小干扰稳定性；等值模型；发电机 组参数；振荡模式；特征值分析 风力发电机组对电网稳定性影响的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl o w c a r b o ne c o n o m y , t h ew i n dp o w e ra sac l e a na n d p o l l u t i o n f r e ep o w e rg e n e r a t i o nm o d ew i l le x p a n di nt h ep r o p o r t i o no ft h ep o w e r s y s t e m s b u t ，t h ev o l a t i l i t y , r a n d o m n e s sa n do t h e rf e a t u r e so fw i n de n e r g ya n dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nw i n dt u r b i n e sa n dt r a d i t i o n a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sw i l lh a v ea m a j o ri m p a c to np o w e rs y s t e ms t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho np o w e rs y s t e m s t a b i li t yo fd i f f e r e n tt y p e so fw i n dt u r b i n e sc o n n e c t i n gw i t ht h eg r i di sn e c e s s a r ya n d m e a n i n g f u l i nt h i sp a p e r , ac o m p u t e rs i m u l a t i o np l a t f o r mi su s e dt oi n v e s t i g a t et h e i m p a c to ft h r e et y p e so fw i n dt u r b i n e sw h i c ha r ec o n s t a n ts p e e dw i n dt u r b i n e ( c s w t ) ， d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) a n dd i r e c td r i v es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( d d s g ) r e s p e c t i v e l yo nt r a n s i e n ts t a b i l i t ya n ds m a l ls i g n a ls t a b i l i t y t h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h a n a l y z e d t h e s u b j e c tb yu s i n g a m a t l a b - b a s e dp o w e rs y s t e ma n a l y s i st o o l b o xp s a t , a n da l s of o u n dt h ed i f f e r e n t i m p a c to np o w e rs y s t e mo ft h r e ew i n dt u r b i n et y p e s t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n s a r ef o c u s e do nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s f i r s t l y , t h es t u d yo fl o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o nm o d ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c sw a s m a d ew h e np o w e rs y s t e mh a sw i n dp l a n ti ni t b ya n a l y z i n gas t r o n g l yc o u p l e dt w o r e g i o n a ls y s t e me x a m p l e ，i tc a nb ea r g u e dt h a ts o m eg o o dd a m p i n gp r o p e r t i e ss t r o n g l y c o r r e l a t i n gw i t hw i n df a r mo fo s c i l l a t i o nm o d e sc a nb eg o t t e nw h e nt h et r a d i t i o n a l s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sa r er e p l a c e db yw i n dp l a n t so ft h et h r e et y p e s i no r d e rt oa n a l y z i n gt h ed a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mf u r t h e r ，at w o r e g i o n a li n c r e a s i n gw i n dp e n e t r a t i o np o w e re x a m p l ew a si n t r o d u c e dt or e s e a r c ht h e s m a l ls i g n a ls t a b i l i t y w i t hw i n dp e n e t r a t i o np o w e ri n c r e a s i n g ，t h ec h a n g eo fo r i g i n a l s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri n t e r v a l o rl o c a lo s c i l l a t i o nm o d ei ss e l d o m w h i l et h e o s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ec h a n g e d w h e np e n e t r a t i o nl e v e l i n c r e a s i n g ，c s w t s y s t e mw i l li m p r o v ei t so s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed a m p i n go fn e wa d d e dl o c a l o s c i l l a t i o nm o d ei nd f i gs y s t e mw i l lb ew e a k e n e d d d s gs y s t e mw i l li m p r o v et h e l o c a lo s c i l l a t i o nd a m p i n gr e l a t e dt ow i n dp l a n t s e c o n d l 弘a c c o r d i n gt ot h ee x i s t e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fw i n dt u r b i n e ，t h e f a c t o r sw h i c ha f f e c td y n a m i cs t a b i l i t yo fc o n s t a n ts p e e dw i n dt u r b i n ew a sd i s c u s s e d t h er o l e so fs h a f tp r o c e s sa n dg e n e r a t o rp a r a m e t e r sc o n c e r n e dw i t hc s w td y n a m i c s t a b i l i t yw e r ea n a l y z e d t h em e t h o d sa r eo b t a i n e dt h a ti m p r o v i n gt h es h a f ts t i f f n e s s 硕士学位论文 c o e f f i c i e n tk s ，t h er o t o rr e s i s t a n c er ra n dr e d u c i n gt h es t a t o rr e a c t a n c ex s ，t h er o t o r r e a c t a n c ex rw i l le n h a n c ei t sd y n a m i cs t a b i l i t y f i n a l l y ，t h ev a l i d i t yo ft h ee q u i v a l e n tw i n dt u r b i n ei np s a tw a sv e r i f i e d b a s e do n a3 9b u s e sn e t w o r ks i m u l a t i o ne x a m p l ew i t hw i n dp l a n ti ni t ，t h ed i f f e r e n te f f e c t so n t r a n s i e n ts t a b i l i t yw a sc o m p a r e da m o n gt h et h r e ew i n dt u r b i n e sa c c e s st o p o w e r s y s t e m t h ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nt h a tt h ec s w th a st h eg r e a t e s ti m p a c to nt r a n s i e n t s t a b i l i t yw i t ht h et r a d i t i o n a ls y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sc l o s et oi ti ne l e c t r i c a li m p e d a n c e ， d f i ga n dd d s ga r eb e t t e rt h a nc s w to nt r a n s i e n ts t a b i l i t yt op o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m s ；w i n dt u r b i n e s ；t r a n s i e n ts t a b i l i t y ；s m a l ls i g n a ls t a b i l i t y ； e q u i v a l e n tm o d e l ；g e n e r a t o rp a r a m e t e r s ；o s c i l l a t i o nm o d e ；e i g e n v a l u e a n a l y s i s i v 风力发电机组对电网稳定性影响的研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景与研究意义一l 1 2 研究现状与发展趋势3 1 2 1 风力发电在国外的发展与研究现状3 1 2 2 风力发电在国内的发展与研究现状4 1 2 3p s a t 软件的功能与发展5 1 2 4 三种常用j x l 力发电机组的技术特点和研究现状6 1 3 本文的主要研究内容_ i 8 第2 章各种风电机组的数学模型研究1 0 2 1 引言j l o 2 2 风速的数学模型10 2 2 1 威布尔分布10 2 2 2 复合风速1l 2 3 恒速异步风电机组的数学模型1 2 2 3 1 风轮与能量捕获12 2 3 2 轴系系统1 3 2 3 3 感应发电机结构1 4 2 4 双馈变速风电机组的数学模型1 6 2 4 1 双馈机组风轮系统1 6 2 4 2 双馈感应发电机结构1 7 2 4 3 换流器模型与保护系统1 9 2 4 4 转速控制与最优能量捕获2 0 2 4 5 桨距角控制方法2 1 2 4 6 双馈机组的端电压控制2 2 2 5 直驱同步风电机组的数学模型小2 3 2 5 1 永磁同步发电机模型2 4 2 5 2 变频器模型与保护策略2 5 2 5 3 直驱机组电压控制的实现2 6 v 硕士学位论文 2 6 本章小结2 7 第3 章风力发电机组小干扰稳定分析2 8 3 1 小干扰稳定性分析2 8 3 1 1 线性化的微分方程2 8 3 1 2 模态分析与参与因子2 9 3 2 风力发电对小干扰稳定性的影响分析3 0 3 2 1 含强耦合系统的两区域算例3 0 3 2 2 风电穿透功率增加对小干扰稳定的影响3 3 3 3 本章小结3 7 第4 章基于p s a t 的风电机组暂态稳定性仿真分析3 8 4 1 电力系统暂态稳定3 8 4 2p s a t 仿真构建规则与设置3 9 4 3 含风电机组的潮流计算问题4 1 4 3 1 风电机组潮流节点的处理方法4 l 4 3 2 含风机的9 节点系统实际算例4 2 4 4 恒速风电机组的动态稳定性分析4 5 4 4 1 感应发电机的动态稳定极限4 5 4 4 2 轴系松弛过程对恒速机组动态稳定性的影响4 8 4 4 3 发电机组参数对恒速机组暂态稳定性的影响4 9 4 5 风电机组在p s a t 中的等值表示5 1 4 6 三种风电机组对系统暂态稳定性影响的差异5 3 4 7 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 l 致谢6 5 附录( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 6 6 v l 硕十学位论文 1 1 选题背景与研究意义 第1 章绪论 当今，能源短缺与环境污染给人类社会的生存和发展带来了越来越巨大的压 力。低碳排放已经成为世界工业经济发展的必然选择。中国即将实施的“十二五 规划将节能减排与新兴能源的发展排在了空前重要的位置，确定了将风电作为可 再生能源的重要新生力量，将太阳能作为后续潜力最大的可再生能源产业，积极 推动生物质能多元化发展，力促水电发挥可再生能源的主体作用的规划目标。可 以预见，在今后的几十年里，风力发电，太阳能光伏发电等新能源技术在电网中 所占的比重将会越来越大。风能，这种清洁的、储量极为丰富的可再生能源将会 越来越深刻的影响人们的生活。 人类利用风能的历史可追溯到公元前3 0 0 0 年，埃及人以帆船的形式首次利用 到了风能。风能技术的现代发展和应用起步于2 0 世纪3 0 年代，当时约有6 0 万台 风车为美国乡村地区提供电力和泵水服务；当大规模配电普及后，风能技术的发 展一度陷入停滞；2 0 世纪7 0 年代初，第一次石油危机使人类的目光再次转向风能， 这种可再生能源上1 1j 。风能重新成为最重要的可持续能源之一。2 0 世纪最后十年 里，世界风力发电装机容量大约每三年翻一番。截止2 0 0 9 年，全世界风电装机容 量已经达到l5 9 2 l3 m w 。风力发电成本已经大约降到2 0 世纪8 0 年代初的六分之 一。相应的，风能技术的各方面也发展的非常迅速。l9 8 9 年底，最先进的技术只 能制造风轮直径为3 0 m 、容量为3 0 0 k w 的风力机；发展到目前，新型风机已达到 单机8 m w 的容量1 2j 。风力发电j 下在迎来一个前所未有的蓬勃发展阶段。 与传统能源相比，风力发电有其自身独特的优越性，主要表现在以下几个方 面【3 】： ( 1 ) 风能是一种清洁的自然能源，不存在燃油、燃煤的空气污染问题，不会 排放二氧化碳引起温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。 ( 2 ) 风力发电场建设周期短，装机规模灵活。建设一般规模的风力发电场， 从基础建设，安装到投产，只需半年至一年的时间，而火电、水电、核电等大约 需要3 至10 年的时间。 ( 3 ) 风力发电的经济性同益提高。随着风力发电技术的不断成熟，风电成本 呈下降趋势，为风电的大规模应用提供了基础。 ( 4 ) 风力发电在新能源发电中技术最为成熟，商品化机组单机容量已达 5 m w ，故障率已降至5 之内，是一种安全、可靠的能源利用形式。 风力发电机组对电网稳定性影响的研究 ( 5 ) 风力发电机分散安装，占地面积少，监控系统与塔架合为一体，加上箱 式变压器，其建筑面积约为风电场总面积的l ，其余广大土地仍可供农、林、牧 使用。 风电技术的日益发展直接促进着风电产业的发展。2 0 0 9 年，全球风电行业年 度增长率达到了4 1 ，中国取代美国成为当年新增风电装机容量世界第一的国家。 全球风电装机容量达到1 5 8 亿千万，累计增长率达到3 1 9 【4 】。世界风电行业不 但已经成为世界能源市场的重要成员，并且在刺激经济增长和创造就业机会中正 发挥着越来越重要的作用。世界风电装机容量的总产出价值已经达到4 5 0 亿欧元， 全行业所雇用的人数在2 0 0 9 年达到大约5 0 万人。然而另一方面，风电自身存在 的因素以及目前技术上的因素也制约着风电的进一步发展。这些因素表现在以下 几个方面【5 9 1 。 ( 1 ) 风电的统一规划和有序开发问题。中国国土辽阔，风电资源丰富。但是 风力资源的地理分布与电力负载之间并不匹配，给风电开发的经济性方面带来了 困难。风电场主要位于远离负荷中心的地区，当地的电网设施相对较差，对风电 的发展构成了限制。针对“大规模高集中开发，远距离高电压输送 的风电发展 特点，进行电网建设与风电开发的统一规划，协调运行，是需要研究的新课题。 ( 2 ) 电网对风电的接纳及运行管理问题。风电是一个随机性，间歇性，多变 化的电源。具有负荷率低，反调峰等特点。电网能够承受的风电装机容量，与所 在电网的系统规模，电源结构，负荷特性等因素都密切相关。风电的反调峰特性 会加剧电网调峰能力不足的矛盾。间歇性，随机性的特点会对电网的电量平衡， 电能质量，电压稳定等产生较大影响。因此，大型风电的开发势必会面临如何顺 利接入电网的挑战。 ( 3 ) 风电机组的并网问题。这个问题具有两个方面，一是风电机组技术标准 问题。目前市场上存在的风电机组主要有三种类型，恒速异步机组，双馈变速机 组以及直驱同步机组，这三种类型的机组由于结构特性不同，并网后的有功无功 调节性能，低电压穿越能力，频率响应能力都将有所差别，而这些因素将对电网 的安全运行起到关键作用。风电机组的尾流效应、塔影效应造成的电压闪变，以 及变频设备带来的谐波，也将影响电能质量。二是风电机组并网管理题。风电的 预测有效率不高，给电力系统各类电源的调度运行方式，无功和电压调节方式等 带来很大压力。此外，还存在风电机组模型参数的不精确等问题。 深入研究，合理解决上述技术问题，无疑会对更加充分的开发利用风力资源， 提高风电的并网运行能力以及促进新能源更快更好的发展起到积极而重要的意 义。本文着眼于三种风力发电机组并网后稳定性方面的影响，分别通过模型分析 和在此基础上的计算机仿真，来讨论他们并网后稳定性方面的差异性，提出一些 改善机组暂态稳定性方面的措施。 硕七学位论文 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 风力发电在国外的发展与研究现状 现代风力发电技术起源于19 世纪末。当时，两项技术成果的出现为风力发电 机组的诞生创造了条件。一是空气动力学方面，高速风力机的发明代替了利用阻 力的低速、高力矩风力机。这使得风力机的结构更适于机电能量的转换。二是电 气工程学方面，风能发电机得到了实际的运用【l0 1 。l8 9 7 年丹麦风力发电创始人p o u l l ac o u r 开发了首个高速风力机，直径达2 2 8 m ，驱动两台9 k w 的直流发电机。在 此研究基础上，丹麦成立了风力发电协会，1 9 1 8 年其拥有的l o - 2 0 k w 级风力发电 机组已经达到了12 0 台。风力发电的有效性在几十年的发展过程中得到了证实， 但由于风能密度小，所以世界各国逐渐把研究的目光转向了大型化风力发电机的 研究。1 9 3 1 年，前苏联建成1 0 0 k w 的风力发电机组，是世界上第一台大型风力发 电机，年发电量2 8 万千瓦时，并且将其与3 5 k m 外的2 0 0 0 0 k w 火力发电站相连接。 此后的1 9 4 1 年，美国建造了第一台兆瓦级的风力发电机组，输出功率为1 2 5 0 k w 。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着风力发电机组技术的普及，世界上出现了多个生产兆瓦 级风电机组的制造商。2 0 0 3 年以来风力发电技术得到进一步的发展，全球风电机 组装机容量不断增长，图1 1 展示了这个增长趋势。2 0 0 9 年全球风电产业，在世 界金融危机的背景下仍然实现了快速增长，不仅超过了2 0 0 8 年，同时也比近十年 的平均增速提高了4 个百分点达到3 2 。当年的新增速度高出了近十年平均速度 1 0 个百分点，达到了4 1 。 图1 1 全球风电装机容量 从区域分布状况看，欧盟、美国和亚洲仍然是世界风电发展的主体。美国、 中国、德国、西班牙和印度在装机容量方面分列世界前五强。2 0 0 9 年，在新增装 风力发电机组对电网稳定性影响的研究 机容量方面，中国已经超过美国跃居世界第一位。海上风电得到了更大规模的开 发，但总量上依然很少，仅占1 3 左右。陆上风电依然是风电开发的重点，占全 部装机容量的9 8 以上。 从机组技术发展方面来看，恒速异步机组已经趋于淘汰，双馈变速机组成为 装机主力，直驱永磁机组将是发展趋势。世界十大风机名企都在朝着风机大型化 方面发展，7 5 m w 的风机预计将会在2 0 1 2 年之前下线。 理论研究方面，欧洲和美国依然走在世界前列。文献 1 1 】较全面的总结了风电 机组在电力系统仿真中的降阶数学模型。文献 1 2 】介绍了基于等值模型的永磁直驱 机组暂态稳定性的研究。文献【1 3 1 6 】对风力发电并网操作与控制方面的问题进行 了精辟的总结与介绍。 2 0 0 9 年全球风电装机容量总产值已达到4 5 0 亿欧元，相关从业人员约有5 0 万人，风电产业不但已经成为世界能源市场的重要力量，而且在拉动经济增长和 创造就业方面，也发挥着越来越重要的作用。 1 2 2 风力发电在国内的发展与研究现状 我国利用风能并网发电起始于2 0 世纪7 0 年代末，至今已经历时三十多年。 纵观这些年来的发展，我国风电产业的发展经历了迅速的发展。2 0 0 4 年全国风电 总装机容量为7 6 4 万千瓦，2 0 0 5 年达到1 2 6 6 万千瓦，2 0 0 6 年达到2 5 9 9 万千瓦， 2 0 0 7 年达到6 0 5 万千瓦，2 0 0 8 年底又提前两年完成国家“十一五”风电发展规划， 达到1 2 2 l 万千瓦。2 0 0 9 年我国风电产业的发展已领跑全世界，累计装机居世界第 二位，新增装机和设备制造能力均居世界第一位i i 。 国内的专家学者针对并网型风力发电技术的各个方面，进行了许多有意义的 研究。文献【18 】根据风电场不同容量下的系统稳定情况提出了风电场绝对安全容量 的概念。文献【19 】概述了目前投入市场的各种不同类型的风电机组，详细讨论了其 不同的结构，原理以及彼此相应的对比。针对双馈型风力发电机组，文献【2 0 】提出 了利用暂态稳定指标与极限切除时间( c r i t i c a lc l e a r i n gt i m e ，c c t ) 共同来评估系统 的暂态稳定性。文献【2 l 】基于功角，频率两种稳定判据，提出了一个在两种运行方 式下，采用三种扰动方式的风电场极限穿透功率计算方法，并且通过仿真得到了 影响该系统并网容量的主要因素是频率波动的结论。文献【2 2 】介绍了双馈感应发电 机与直驱同步发电机两种变速风机的数学模型，并通过比较模型对风速的响应数 据与实际中测量的响应数据，证明了模型的可用性。但上述文献都没有对不同类 型风电机组本身的暂态稳定性及其对系统的暂态稳定性进行对比研究。文献 2 3 】 对联网双馈风机的动态稳定性进行了简单的评估与验证。文献 2 4 】对异步风机接入 对系统振荡模式的改变展开了讨论，得到桨距角控制模型的引入能够改善系统阻 尼，加强系统动态稳定性的结论。文献【2 5 】与 2 6 分别分析了大受端电网小干扰稳 硕十学位论文 定性与大容量风电场对电力系统小干扰稳定和阻尼特性的影响，得出了系统内会 增加与风电场强相关的振荡模式，且这些振荡模式具有较好阻尼特性的结论。这 些文章虽然指出了风电接组接入会引起振荡特性的变化，但没有深入讨论三种机 组分别会引起怎样的变化。指出这三种机组对系统低频振荡特性的不同影响是十 分必要的。文献 2 7 至【3 3 讨论了风电最大注入功率，电压波动等其他方面的影响。 1 2 3p s a t 软件的功能与发展 p s a t ，全称p o w e rs y s t e ma n a l y s i st o o l b o x ，是一款基于m a t l a b 的仿真平 台，能够用来进行电力系统分析与计算。它具有图形化的操作界面，能方便的进 行电力系统单线图的绘制和编辑。它包含潮流计算，连续潮流计算，最优潮流计 算，小干扰稳定分析，时域仿真分析等功能模块，适用于电压稳定性分析，电力 市场分析，暂态稳定及动态稳定分析等各种用途。基于电力系统分析与计算的不 同目的，p s a t 提供了支持不同类型计算的静态与动态元件模块。其模块涵盖全面， 包含了发电机模型，控制器模型，变压器模型以及负荷模型等常用的模块。其模 型种类丰富，例如负荷模型就包含电压控制型负荷，频率控制型负荷，z i p 负荷， 幂函数负荷，温控负荷，j i m m a 负荷，复合负荷等各种类型的模型。 与其他基于m a t l a b 的电力系统仿真平台相比。p s a t 在功能的全面性上胜 出一筹，其对比如表1 1 所示。另一方面，与市场上主流的商业软件相比，p s a t 的有效性与功能性也毫不逊色。文献【3 4 根据相同的算例，将p s a t 与p s s e 进行 对比，结果显示，在小干扰稳定及时域仿真中二者数据的微小误差都在允许的范 围内。文献【3 5 】把p s a t 与p s a s p 在潮流计算与时域仿真方面进行了比较，也得 到了误差小，精确性高的结论。 表1 1 各款基于m a t l a b 的仿真平台功能对比 从2 0 0 2 年f e d e r i c om i l a n o 发布第一个p s a t 版本至今，世界上已经有超过5 0 个国家和地区在使用它。它的应用不仅深入教育科研领域，甚至得到了许多电力 企业的重视。p s a t 应用规模的发展壮大不仅得益于其自身功能的全面与强大，也 风力发电机组对电网稳定性影响的研究 得益于它的免费性与开源性。毫无疑问，免费与开源的特征使得越来越多的机构、 学者使用它，相应的，也将促进p s a t 自身的不断更新与发展。 1 2 4 三种常用风力发电机组的技术特点和研究现状 风力发电系统的基本原理主要包含两个能量转换的过程。首先是风力机将空 气流动蕴含的动能转换为存储在轴系当中的机械能。尔后，发电机再将这种机械 能转换为电能。当前，市场上主流的并网型风力发电机组主要有三种，他们分别 是属于恒速系统的鼠笼型恒速异步发电机，属于变速系统的双馈异步发电机和直 驱永磁同步发电机。这三种机组构成的发电系统，在发电原理以及风能利用率等 方面都存在许多不同。 首先是这三种当中历史最悠久的恒速异步风力发电系统，其构成如图1 2 所 示。机组由风力机，齿轮箱，鼠笼型异步发电机以及补偿电容器组成。由于采用 了鼠笼型异步电机，并且没有经过换流器直接与电网耦合，所以转差随发出的功 率变化而变化。转子转速的变化非常小，通常在1 到2 的范围之内，故而这种 机组类型通常被称作恒速或定速风力发电机组。感应发电机向电网提供有功功率， 从电网吸收无功功率。吸收的无功功率用来为发电机励磁。显然，转子回路短路 的感应发电机不能控制无功功率，因此要求将电网电压保持大约等于感应发电机 的额定电压。带感应发电机的恒速风电机组通常通过并联电容器进行无功补偿， 以降低从电网吸收的无功功率，改善风电机组功率因数。 图1 2 恒速异步风力发电机组 双馈异步发电机组如图1 3 所示。与恒速异步机组的显著区别是，其发电机转 子通过一个背靠背电压源变频器( v s c ) 与电网相连。再加之定子绕组直接与电 网相连，所以称为双馈机组。变频器的作用是为频率变化最高可达l0 h z 的转子回 路与以频率固定为特征的电网之间提供电气耦合。除此之外，变频器还具有其他 重要作用。发电机转子和风力机风轮不要求以固定速度运行，其速度可通过变频 器动态控制调节。这使得风电机组能够在较大的速度范围内运行，因此称为变速 风电机组。通常，双馈异步风电机组的运行范围在同步速度的一4 0 至+ 1 5 范围内。 变频器的控制还可以把风速波动或阵风产生的功率波动转换成风轮的动能，再平 硕十学位论文 滑的转换成电能注入电网。这样，不仅能降低风轮对齿轮箱的冲击和注入电网的 闪变，也能提高风电机组的出力效率。变频器控制可以设置有功功率和无功功率 分别控制，发电机不用通过电网励磁，而是通过带v s c 控制的转子回路励磁。这 也意味着发电机组可以控制一部分无功功率从而在电网无干扰运行的情况下支持 电网电压，因此不需要再用并联电容器组来补偿无功功率。 变频嚣 图1 3 双馈异步风力发电机组 ，第三种类型的机组因其不需要齿轮箱而被叫做直驱型发电机组。它使用同步 发电机，比类似容量的感应发电机更为昂贵，机械上也更复杂，但其明显的优势 是不需要无功励磁电流。同步发电机的磁场通过永磁体产生。只要有合适的极对 数，它就能用于直驱而无需齿轮箱。直驱机组通过变频器并网时，更适合全功率 控制。变频器有两个主要作用：一是能作为能量缓冲器，以缓冲固有的阵j x l 风能 波动和电网侧暂态变化引起的功率波动；二是控制励磁，保持与电网频率同步以 避免故障。此外其具有自励磁特性，能够提高功率因数和运行效率。 图1 4 直驱永磁同步发电机组 这三种风力发电机组各有其优缺点。恒速异步发电机组的优点是结构相对简 单，由于不含变频器，发电系统的造价较低。但缺点是噪声大，因为噪声系数与 叶尖速，转子速度直接相关，而恒速风机无法改变转子速度。两种变速风电机组 转子速度可变，可以实现最大功率追踪，因此能量的利用率更大。发电机与电网 的解耦也使得风机在受到强风冲击时，转子能起到飞轮缓冲作用，从而减小对轴 系的压力。与双馈机组相比，直驱机组的变频器容量通常是其三倍，这也意味着 风力发电机组对电网稳定性影响的研究 直驱机组造价更高，更复杂笨重。但另一方面，由于不存在齿轮箱这个易损部件， 直驱机组的损坏维修率都要低于前两者。三种风电机组更全面的优缺点对比如表 1 2 所示。 表1 2 三种风力发电系统优缺点对比 三种风力发电机组并网后的暂态稳定性及小干扰稳定性差异以及其他方面的 对比将在后续章节讨论。 1 3 本文的主要研究内容 ， 一， 本文基于p s a t 这一仿真平台，针对恒速异步风电机组，双馈变速风电机组 以及直驱同步风电机组等三种风电机组接入电网后对电力系统稳定性的影响展开 研究工作。 第一章阐述了本文的选题背景以及开发清洁能源、发展风力发电的重要意义。 通过对国际国内风力发电发展现状的分析，指出了本文所研究的风力发电并网暂 态稳定性问题的重要性和迫切性。与此同时，本文还根据近两年风电的研究发展 情况指出了今后的发展趋势。 第二章详细介绍了p s a t 中所使用的恒速异步，双馈变速以及直驱同步三种风 电机组的数学模型。恒速机组侧重考虑轴系模型以及发电机模型，因为它们会对 感应发电机组的稳定性产生重要的影响。双馈机组与直驱机组则侧重分析其换流 器模型。因为解耦效应，这两种机组本身的稳定性体现在其换流器电流上。最后， 每节都分别给出了p s a t 仿真中所需的各种机组的数据及其格式。 第三章首先介绍了小干扰稳定分析的基本概念及数学模型，阐述了参与因子 及振荡模式在低频振荡分析中的作用。然后从原理上分析了风电机组的接入可能 对小干扰稳定产生的影响。接着，通过两个两区域系统的算例，得到三种风机并 网后，增加了与风电机组强相关的振荡模式，且有很好的阻尼特性的结论以及恒 速机组系统穿透功率的提高有助于改善其振荡特性，双馈机组穿透功率的增加会 减弱新增局部振荡模式的阻尼，直驱机组穿透功率增加能提高区域内发生的与风 电机组相关的局部振荡的阻尼等结论。 硕士学位论文 第四章首先简要介绍了电力系统暂态稳定分析理论与p s a t 仿真构建规则与 设置。然后讨论了含风电机组的潮流计算问题，提出了适用于p s a t 恒速机组的 潮流初始化处理方法。接着针对一个含恒速风机三机九节点的算例进行了仿真分 析，着重讨论了其动态稳定极限的判定方法，轴系松弛过程对其动态稳定性的影 响，以及发电机组参数对恒速机组暂态稳定性的影响。得出了轴刚度系数k s ，转 子电阻r ，越高，定子电抗x s ，转子电抗勋越小，风电机组故障后的加速越小， 越有利于机组动态稳定的结论。接下来本章又对单台机组等值多台机组在仿真中 的输出电压和输出功率进行了对比，得到了对故障时的响应，采取这种等值方法 基本可行的结论。最后本章探讨了三种风电机组对电力系统暂态稳定性的影响， 得出了与风电机组电气联系紧密的同步机组稳定性对恒速机组的稳定性影响最 大。直驱机组系统与双馈机组系统的暂念稳定性要好于恒速机组系统的结论。 最后是对全文研究内容和成果的总结，以及对今后进一步研究工作的展望。 风力发电机组对电网稳定性影响的研究 2 1 引言 第2 章各种风电机组的数学