（电力系统及其自动化专业论文）风电场并网运行电压稳定性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 关键词：风力发电；异步发电机；双馈异步发电机；潮流计算；电压稳定性；仿 真 分类号：t m 6 1 4 ；t m 7 6 1 a bs r n 认c r a b s t r a c t a b s t r a c t ：d u et ot h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e mo ft h ee n v i r o n m e n ta n d f e s o u r c 韶r e n e w a b l er e s o u r c ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o nh a v eb e e np a i dm o r e a t t e n t i o nt o t h ei 1 $ eo f w i n de n e r g yf o re l e c t r i c i 够g e n e r a t i o na sam a t u r et e c h n o l o g yo f r e n e w a b l ee n e r g yu s ep a t t e r n sh a v ed e v e l o p e dr a p i d l y 1 n h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n d p o w e ri n c r e a s e dc o n s t a n t l yy e a rb yy e a r i nt h ew o r l d ，w i n dp o w e ri st h em o s tr a p i d l y g r o w i n gr e n e w a b l ee n e r g yb e s i d eh y d r o e l e c t r i c i t y t h ei n t e g r a t i o no fl o t so fw i n d p o w e ra n dg r i dc h a n g e do r i g i n a ll o a df l o wo f t h ep o w e rs y s t e m m o r e o v e r , w i n de n e r g y i sr a n d o ma n dw i n df a r mi sc o m p o s e do fl a r g en u m b e ro fi n d u c t i o ng e n e r a t o r sw h i c h a r ed i f f e r e n tf r o ms y n c 址o n o u sm a c h i n e t h e r e f o r e , w i n dp o w e rw i l li n f l u e n c et h e s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m w i t ht h ei n c r e a s i n gs i z eo fs i n g l ew i n df a r ma n dt h e i n c r e a s i n gs h a r eo fw i n dp o w e ri np o w e rs y s t e m t h ee f f e c to fw i n dp o w e rt op o w e r s y s t e mi sm o r ea n dm o r es c r i o u s r e s e a r c h i n go nw i n dp o w e ri n t e g r a t i o nh a sb e c o m ea p r o b l e md e m a n d i n gp r o m p ts o l u t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e r v o l t a g e s t a b i l i t yi s s u e sa b o u tw i n dp o w e ri n t e g r a t i o na r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , a n dt h em a i n c o n t e n t sa a sf o l l o w ： 1 d y n a m i c m o d e lo f f i x e d - s p e e d w i n d t u r b i n e e q l l i p p e d w i t h i n d u c t i o n g e n e r a t o r 0 g 1a n dv a r i a b l e s p e e dw i n dt u r b i n ee q u i p p e dw i t hd o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r f i g ) a r es t u d i e d 狮n ds p e e dm o d e l ，a e r o d y n a m i cm o d e l ，s h a f ts y s t e mm o d e l ，p i t c h c o n t r o l l e rm o d e l i gm o d e la n dd f i gm o d e la r ea n a l y z e d 皿eo v e r a l lm o d e l so ft h e t w ok i n d so f w i n dt u r b i n ea r cg i v e 礼 2 n e wm e t h o d sa r ep u tf o r w a r dw i t c ha r eu s e dt ot r e a td i f f e r e n tw i n df a r m sn o d e i nl o a df l o wc a l c u l a t i o ni np o w e rs y s t e m s ，a n dt h ee n t i r ea l g o r i t h m sa r er e a l i z e dt h r o u g h m a t l a bp r o g r a m s 皿em e t h o d sa r eu s e dt oe a l e u l a t ee x a m p l es y s t e ml o a df l o wa n d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e ya r ev e r a c i o u sa n de f f i c a c i o u s ：t h ea m o u n to fc a l c u l a t i o ni s r e d u c e da n dt h ec o m p u t i n gs p e e di si n c r e a s e di nt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e ec a l c u l a t i o n p r e c i s i o n i naw o r d , t h em e t h o d sa 舱p r a c t i c a l 3 s t e a d ys t a t ev o l t a g es t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e mi n c l u d i n gw i n dp o w e ri ss t u d i e di n t w oa s p e c t s ：v o l t a g es t a b i l i t yo f w i n df a r ma n dh o w v o l t a g es t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e mi s i n f l u e n c ew h e nw i n df a r mi sc o n n e c t e d p vc u r v ei su s e dt oa n a l y z ev a r i o u sf a c t o mw h i c hi n f l u e n tw i n df a r mn o d ev o l t a g e ； p - vc u r v ea n dq vc h a r a c t e r i s t i co fw i n df a u na r ec o m b m e dt oa n a l y z es t e a d y - s t a t e 北京交通大学硕士学位论文 v o l t a g es t a b i l i t yo fa ne x a m p l es y s t e m ，a n dv o l t a g es t a b i l i t yl i m i t so ft h ew i n df a r ma r e g i v e nu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e m o d a la n a l y s i si si n t r o d u e e dt ot h ef i e t do fr e s e a r c ho ne f f e c to fw i n dp o w e r i n t e g r a t i o nt og r i dv o l t a g es t a b i l i t y t h em i n i m u me i g e n v a l u ea n dp a r t i c i p a t i o nf a c t o ro f i e e e3 9 - b u st e s ts y s t e mi n c l u d i n gw i n df a r ma r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d 4 t r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e mi n c l u d i n gw i n dp o w e ri ss t u d i e d n e s i m u l a t i o nm o d e lo fe x a m p l ep o w e rs y s t e mi sd e s i g n e db ym a t l a b s i m u l i n kt 0 0 1 u n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n ss u c ha sv a r i o u sw i n ds p e e da n d 们n s m i s s i o nl i n ef a u l t , t h es y s t e m i ss i m u l a t e da n da n a l y z e d i na d d i t i o n , t h ee f f e c to fs t a t i cv a rc o m p e n s a t o ra n du s i n g d f i gi n s t e a do f l g0 1 3t r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t ya l er e s p e c t i v e l ys t u d i e d k e l n o r d s ：w i r l dp o w e r , i n d u c t i o ng e n e r a t o r ；, d o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ； l o a df l o wc a l c u l a t i o n ；v o l t a g es t a b i l i t y ；s i m u l a t i o n c l a s s n 0 ：t m 6 1 4 ：t m 7 6 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刍i 耗棱 导师签名： 立南 l 签字日期：加7 年j 2 月2 2 日 签字日期：7 年2 月二j 日 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：壶j 翟旅 签字日期： 2 。口7 年2 月2 2 日 北京交通大学硕士学位论文 致谢 本论文的工作是在我的导师王玮教授的悉心指导下完成的，王玮教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。王玮教授悉心指导我完成 了实验室的科研工作，无论是在学习上还是生活上都给予了我很大的关心和帮助， 在此衷心感谢王玮老师两年多来对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，吴振升老师和胡卫红、黄凌洁、王伟等同学 给予了热情帮助，在此向他们表达我真挚的谢意。 另外也特别感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 1 1课题背景及意义 1 绪论 能源是国民经济发展和人民生活所必需的重要物质基础，对社会、经济发展 和提高人民物质文化生活水平极为重要，现代社会的生产和生活，依赖于能源的 大量消费。随着世界能源消费量的与日剧增，生态环境不断恶化，尤其是温室气 体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类强烈地意识到对已遭破坏的地球环境 必须进行保护，为此，对可再生能源的开发利用日益受到关注。 作为一种重要的可再生能源的利用形式，利用风能进行发电越来越多地受到 重视。尤其是二十世纪八十年代以来，风力发电技术迅速发展，风力发电成本快 速下降，大、中型风电场并网容量发展迅猛，风力发电成为发展最快的新型能源。 由于风力发电的特殊性，有许多不同于常规能源发电的特点，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 亟待解决的、重要的课题。 1 1 1世界风力发电发展现状 人类利用风能的历史已有数千年，然而现代风力发电技术的发展兴起于2 0 世 纪7 0 年代。自1 9 7 3 年世界石油危机以来，在常规能源告急与全球生态环境恶化 的双重压力下，风能作为新能源的一部分有了长足发展，2 0 世纪9 0 年代中后期进 入迅速发展时期。并网风电机组的单机容量不断增大，单机容量5 兆瓦的风电机 组已投入运行，风电场建设已从陆地向海上发展。全球风电新增装机容量逐年上 升，最近5 年来平均年增长率达3 0 。 根据全球风能理事会( c w b c ) 的统计数据显示，截至2 0 0 6 年底，全球总装 机容量达到7 42 2 3 兆瓦，比2 0 0 5 年装机容量5 90 9 1 兆瓦新增了1 51 9 7 兆瓦，增 长率达到3 2 。自1 9 9 5 年来的全球累计装机容量情况如图1 1 所示。按照总装机 容量排序，排在前列的国家依次是：德国( 2 0 6 2 1 兆瓦) 、西班牙( 1 1 6 1 5 兆瓦) 、 美国( 1 1 6 0 3 兆瓦) 、印度( 6 2 7 0 兆瓦) ，丹麦( 3 1 3 6 兆瓦) ，中国以总装机容量 2 6 0 4 兆瓦排列在第六位世界上风能发电能力超过1 0 0 0 兆瓦的国家达到了1 3 个 i , 2 1 。各国风电装机容量占全球风电总装机容量的比例如图1 2 所示。 北京交通大学硕士学位论文 a u w 。 震 7 0 0 l 6 0 3 圉 l； 5 0 0 0 0 l 二 4 0 0 0 3 l三二 3 0 0 0 ：, l 2 0 0 0 3 网圈图图耐 1 0 0 ( ；3 u 1 9 9 5 1 9 9 61 9 9 71 9 9 8 l1 9 9 92 0 0 0 i2 0 0 12 0 0 2 i2 0 0 3 i2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 l 总装机容量 4 8 0 0 6 1 0 07 6 0 01 0 2 0 0 1 3 6 0 01 7 4 0 0 1 2 3 9 0 03 11 0 0 1 3 9 4 3 1 1 4 7 6 2 05 9 0 9 l7 4 2 2 3 图l l1 9 9 5 - 2 0 0 6 年全球风电累计装机容量变化情况( 单位：兆瓦) f i g 1 - lg l o b a li n s t a l l e dc a r a e i t yo f w i n dp o w e rf i o m1 9 9 5t o2 0 0 6 ( u n i t ：m w ) 图1 22 0 0 6 年总装机容量国家分布 r i g 1 2 i n s t a l l e d c a p a c i t y p e r c e n t a g e o f w i n d p o w e r i n d i f f e r e n t c o u a u y i n 2 0 0 6 欧洲风电的发展一直保持稳定持续的增长，与此同时其他地区开始迎头赶上。 亚洲是除了欧洲市场之外风电增长最强劲的地区，2 0 0 6 年新增装机3 6 7 9 兆瓦，增 长率达到了5 3 。 目前，风力发电技术已经比较成熟，随着风电的技术进步和应用规模的扩大， 风电成本持续下降，经济性与常规能源已十分接近，因此，越来越多的国家把发 展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一种措施纳入国 家的发展计划。 1 1 2我国风力发电发展现状与前景 2 我国风能资源丰富，根据最新风能资源评价，全国陆地可利用风能资源3 亿 于瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约l o 亿千瓦。主要分布在两大风带： 一是“三北地区”( 东北、华北北部和西北地区) ；二是东部沿海陆地、岛屿及近 岸海域。 1 9 8 6 年，山东荣成建立了我国第一座并网型风力发电场，中国的风力发电开 始逐步发展。之后的十几年中，风电场的建设虽然取得了一定进展，但是由于技 术、资金、政策和观念等各方面原因，发展速度缓慢。随着国家特许权项目的实 施，以及2 0 0 6 年1 月1 日可再生能源法的正式实施，中国风电场开发建设进 入了快速发展时期。到2 0 0 6 年底，中国除台湾省外共建成风电场9 1 个，累计风 电机组3 3 1 1 台，装机容量2 5 9 9 兆瓦，与2 0 0 5 年累计装机1 2 6 6 兆瓦相比，2 0 0 6 年累计装机增长率为1 0 5 3 1 。2 0 0 6 年总装机容量居世界第六位，而新增装机容量 居世界第五位，表现出我国在风电方面的强劲发展势头。图1 3 表示出了1 9 9 5 年 以来我国风电装机增长情况。另据估计，2 0 0 7 年新增装机容量将达到1 5 0 0 兆瓦。 图1 31 9 9 5 - 2 0 0 6 年我国累计风电装机容量变化情况( 单位：兆瓦) f i g 1 3 i n s t a l l e d c a p a c i t y o f w i n d p o w e a f r o m l 9 9 5 t 0 2 0 0 6 i n c h i n a o j n i t ：n l n 在风力发电机组生产研制方面，我国单机容量7 5 0 千瓦及以下风电设备已批 量生产，兆瓦级( 1 0 0 0 千瓦) 以上风力发电设备正在研制，并且1 2 兆瓦与1 5 兆 瓦风电机组逐渐成为主力枫型，国产化率逐步增强。 根据国家发改委可再生能源中长期发展规划，我国风电的发展目标为：到 2 0 1 0 年，全国风电总装机容量达到5 0 0 万千瓦；到2 0 2 0 年，全国风电总装机容量 达到3 0 0 0 万千瓦。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 3风电场运行的特点 风电场的建设与运行由于受到风资源分布与风能随机性的影响，主要有以下 特点： ( 1 ) 不稳定性。风速具有波动性和间歇性，并难以准确预测，因此风力发电 机组的输出也具有随机性的特点，因此通常认为风力发电只能提供电力而不能提 供有效的发电容量。 ( 2 ) 原动力不可控。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，因此难以像常规能源发电一样根据负荷要求而改变风电机组的出 力，在现有的技术条件下，只能在相当有限的范围内进行调节( 如：通过改变风 力机叶片的浆距角来改变吸收的风能) 。 ( 3 ) 大量风电机组并列运行。风能的能量密度低，要获得相同的发电容量， 风力机尺寸比相应的水轮机大几十倍，限制了风电机组的单机容量，风电场由大 量风电机组并列运行。 1 2与风电并网相关问题及其研究现状 1 2 1风力发电并网相关问题 风力发电在电力中的比例逐年增加，而在风力资源丰富地区，电网往往较弱， 风力发电对电网的影响成为重要课题。与风电场并入电网相关的问题主要有以下 几方面： 1 风力发电场的规模问题 由于风电场的选址受到风资源的限制，而风力资源较好的地区往往人口稀少， 负荷量小，电网结构相对薄弱，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，限制了风电场接入系统的方式和规模 【4 】。 另外由于风速的不稳定性和间歇性，风力发电机组的输出具有随机性，在现 有的技术水平下风力发电还无法准确预报，因此风电基本上是不可调度的。从电 网的角度看，并网运行的风电场相当于一个具有随机性的扰动源，对电网的可靠 运行造成一定的影响由此可见，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。 2 潮流问题 风电场接入电力系统会影响系统的潮流分布和电压水平由于风电场出力随 4 绪论 机变化，造成线路功率和节点电压波动，当风场装机容量较大时，应分析风电场 引起的节点电压变化，校验是否会发生越限，因而在确定方案时，需对含风电场 的电力系统进行潮流计算。 在潮流分析方面，主要的研究热点在于风电场的模型【8 】。由于异步发电机在发 出有功功率的同时吸收无功功率，并且吸收的无功功率与机端电压有关，因此不 能把风电场节点简单地处理为p q 节点或p v 节点。 3 对电能质量的影响 风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动 的，可能影响电网的电能质量【5 】，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性 电压脉动等。电压波动和闪变【6 】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因素有很多：随着风速的增大，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，风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将 会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振 带来的潜在问题。 4 对稳定性的影响 风力发电通常接入到电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，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，严重时会导致电压崩澍习。 由于采用异步发电机，当系统电压水平较低时，异步电机吸收的无功功率可 能增加，同时并联电容器的无功补偿量迅速下降，因此，可能引起局部电力系统 的电压失科n 。 另一方面，随着风电场规模的不断扩大，风电场在系统中所占的比例不断增 加，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，导致整个系统的瓦解。 5 对保护装置的影响 为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损害，在有风期间风电机组都保持 与电网相连，当风速在起动风速附近变化时，允许风电机组短时电动机运行，因 此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 置的配置和整定应充分考虑到这种运行方式。 异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对 称故障时提供的短路电流也非常有限唧。因此风电场保护的技术困难是如何根据有 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。另一方面，尽 管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 北京交通大学硕士学位论文 的正确运行，这在最初的配电网保护配置和整定时是没有考虑到的。 1 2 2研究现状 在确定风电场的装机容量方面，通常用短路容量。国内外的学者和工程技术 人员通常采用风电穿透功率极限和短路容量比两个指标来表征电力系统中风力发 电规模的大小，以此作为计算分析和进行评价的依据。风电穿透功率极限定义为 在满足一定技术指标的前提下接入系统的最大风电场装机容量与系统最大负荷的 百分比f i o 1 ”。短路容量比定义为风电场额定容量与该风电场与电力系统的连接点一 p c c ( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g ) 的短路容量s s c 之比【7 1 4 j 。在欧洲一般规定风电 场的短路容量比为4 ，5 ，但对于我国由于风能资源较丰富地区距离电力主网较 远。在许多情况下不可能满足这个要求，因此需要进行详细的计算。文献【1 1 1 3 】 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。 在潮流计算中风电场节点的考虑方法或者说风电场的模型方面，已有不少文 献对此进行过研究，并且大多涉及的是异步风力发电机。文献 1 5 1 给出了最简单的 p - q 模型，根据风宅场的有功功率和给定的功率因数，估算风电场吸收的无功功率， 然后作为一个普通的负荷节点加入潮流程序。文献【1 6 】以有功功率与无功功率的近 似解析式求得风场无功功率，误差依然较大。另外有些学者建立了r - x 模型【19 1 ， 认为此种模型充分考虑了风力发电机的输出功率特性，比较完善，但由于其在计 算过程中常规潮流计算与转差修正交替进行，反复迭代，计算量较大。文献 7 ，1 7 】 中的方法基于p q 模型，考虑了感应电机的稳态等值电路，把无功功率写成有功 功率及电压的函数，使得模型得以改善，但仍然存在双重迭代、计算量较大的问 题。文献 i 8 】通过修改雅可比矩阵的方法简化了迭代过程。 对于近几年得到快速发展的双馈异步风力发电机组成的风电场在电力系统潮 流计算中的处理方法，国内外关于此方面的文献较少，简化的处理方法是不同运 行方式下采用p q 或p v 节点处理方法，精度较差。文献 2 0 - 一2 1 在恒功率因数方式 下采用了类似于普通异步发电机的p q 模型交替迭代的方法，计算量较大。 进行风电场接入系统动态特性研究的基本内容之一就是发电机组的动态模型 研究。已有研究表明，过于简化的发电机组模型可能使研究结果失真，过于复杂 的模型会加大分析难度，并且会降低仿真效率。文献 2 2 - 2 3 中对异步风力发电机 动态模型进行了研究，表明采用考虑了异步发电机转子电磁暂态过程的3 阶模型 能准确反映风电机组并网的暂态特性文献【2 4 】将双馈电机的动态数学模型简化 为3 阶模型，仿真结果表明与采用复杂模型所终结果之间的误差较小。 在风电场接入电力系统电压稳定性研究方面，文献 2 s - 2 7 研究了采用基于普 6 通异步机的恒速恒频风电机组接入对电网电压稳定的影响，研究表明恒速风电机 组运行中发出有功功率的同时需吸收无功功率，整个风电场的无功需求较大，导 致接入风电地区电网电压稳定性降低；并指出电压稳定问题还与并网点的短路容 量、送出线路的r x 比，风电场的无功补偿措施有一定的关系。文献 2 8 】对比研究 了普通异步机的恒速恒频风电机组与基于双馈异步机的变速恒频风力发电机组对 电网暂态稳定性的影响。 1 3本文主要工作 本文主要在风力发电机组的稳态与动态模型、潮流计算中风电场节点的考虑 方法、含风电系统的电压稳定性等方面进行了研究，具体内容如下： 1 对普通异步发电机与双馈异步发电机的动态模型进行了分析和研究，对风 力发电机的空气动力学模型、机械传动模型、桨距控制模型等进行了分析，给出 了两种类型风力发电机组的总体模型结构。 2 建立了普通异步机与双馈异步机的稳态模型，针对这两种风力发电机组组 成的风电场在潮流计算中的处理方法提出了改进方法，并通过编程进行实现。通 过对算例系统进行潮流计算并与已有方法进行了比较，证明了改进方法的正确性 与有效性。 3 对风电场并网运行的静态电压稳定问题进行了研究。基于潮流计算应用 p - v 曲线法对算例系统在不同运行方式下的静态稳定性进行分析，研究影响风电场 电压水平的多种因素，确定算例系统中风电场的静态稳定极限；引入模态分析法 进行风电场对电网电压稳定性的影响研究，对接入风电场的i e e e3 9 节点系统进行 分析。 4 应用仿真分析法对并网风电场进行了暂态电压稳定性研究。利用 m a f l a b s i m u l i n k 仿真平台构建算例系统的仿真模型，进行阵风扰动、渐变风扰动 以及线路故障等情况下风电场的电压稳定性研究，并对其失稳机理进行分析，提 出应对措施。通过系统仿真对双馈异步机风电场与普通异步机风电场进行比较， 指出双馈异步机的使用在改善电网暂态稳定性方面的作用。 7 风力发电机组与风电场数学模型 2 1引言 2 风力发电机组与风电场数学模型 风力发电是一个将风能转化为机械能，机械能转化为电能的过程，因此风力 发电机组是一个涉及多学科的复杂系统。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力机( 叶片、轮毂及其控制器) ， 起传动连接作用的低速轴和增速齿轮箱，能量转换装置一发电机，以及其它风机 运行控制系统一偏航系统、制动系统、桨距调节系统等。当风吹向叶轮时，在叶 片上产生升力并依靠叶片的空气动力特性而转动，带动低速轴旋转，通过增速齿 轮箱使转速提高，从面带动发电机转子旋转，进行发电。对于并网风电场，所有 风电机组发出的电能最后经过风场升压站升压与电网相连。 本文的主要任务是分析风电并网对电网电压稳定性的影响，这就需要建立合 理的风力发电系统数学模型，进行各种计算与仿真分析。本章首先从总体上介绍 了目前主要的并网型风力发电系统类型，然后进行风力发电系统各部分的建模工 作，包括了风速模型，风力机模型，桨距控制系统模型，两种类型发电机一鼠笼 式异步感应发电机和双馈异步发电机的动态模型，以及风电场等值模型。 2 2风力发电系统类型 并网的风力发电机组主要包括恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系 统两大类。对于恒速恒频的风力发电系统，其功率调节由风轮完成，控制简单， 但是叶片本身结构复杂，并且是大惯性环节，调节一旦失误会引起灾难性后果。 恒速恒频风力发电系统所采用的发电机主要有两种：同步发电机和感应异步发电 机。具有同步发电机的恒速恒频风力发电系统的转速主要由一套精确的调速机构 维持发电机的转速等于同步速；具有感应异步发电机的恒速恒频风力发电系统以 稍高于同步速的转速运行，通常为了充分利用低风速时的风能，采用改变定子绕 组的极对数的方法使发电机能够在两种不同转速下运行，成为双速异步发电机。 由于恒速恒频的风力发电系统是在低风速下追求最优，进入高风速时采用功率最 大限制，其可调节的范围和灵活度有限。随着大规模电力电子技术的日趋成熟， 变速恒频的风力发电机组也成为风力发电设备的主要选择之一。变速恒频风电系 统通过变频装置调节其输出频率，能够进行转速调节，实现风能利用系数的最优 9 北京交通大学硕士学位论文 调节和无功功率的平衡，可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行，提高 风能利用效率。本节将对两种类型中的三种有代表性的风力发电机组进行详细介 绍。 2 2 1采用异步发电机的恒速恒频风力发电系统 此种类型风力发电系统中的异步发电机实际为鼠笼式异步发电机，为了区别 于双馈异步发电机并且便于表述，在后续各章节中称此种发电机为普通异步发电 机。风力发电系统结构如图2 1 所示。 并联宅晷器组 图2 1 基于普通异步发电机( i g ) 的恒速风电机组 f i g 2 1f a e d - s p e e dw i n dt u r b i n ew i t hi n d u c t i o ng e n e r a t o ro g ) 由于风力机是低速运转的动力机械，在风力机与异步发电机转子之间经增速 齿轮传动提高转速以达到适合异步发电机运转的转速。发电机的定子绕组直接与 电网相连，定子绕组频率等于电网频率，而发电机的滑差率s 的绝对值一般取值为 ( 2 5 ) ，即风力机的转速基本上保持不变，因而称此种风力发电系统为“恒速” 型风力发电系统。 恒速型风力机主要分为定桨矩型风力机和变桨矩型风力机两种类型，定桨距 失速型风力机整机的结构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数，利于 市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，如果功率增加，叶片加长，叶片失速的 特性不易控制，使制造更大机组受到限制。而变桨距型风力机能使叶片的安装随 风速而变化，从而使风力机在各种情况下按最佳参数运行但是它的缺点是需要 一种较为复杂的变距调节结构。这两种功率调节方案在技术上都比过去有较大的 改进，都被大、中型风力发电机组广泛采用。 在恒速型风力发电系统中，异步发电机消耗无功功率，当风力发电机组的容 量较大或者是风力机系统是与“弱电网”相连接的时候，需要接入补偿电容器组 来增加异步发电机的励磁电流，提高整个风力发电系统的功率因数。此外，“恒 速”型风力发电机组由于无法采用调节装置来抑制因风速变化、传动轴倾斜度的 l o 风力发电机组与风电场数学模型 变化以及叶片的桨距角变化而引起的力矩的变化。因此在风力发电机组的输出功 率中会反映这些变化，即使是在电压恒定的系统中，功率波动将以电流波动的形 式出现在电网中例这些会引起电网电压的闪变，严重影响了电网的电能质量。 2 2 2采用双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统 此种类型风力发电系统结构如图2 2 所示，风力机经变速齿轮箱驱动双馈电 机，其中双馈电机实质上是由绕线式异步电机与变频装置组成，异步电机的定子 绕组直接与电网连接，转子绕组则通过变频器与电网相连。根据风速的变化和发 电机转速变化，由交频装置调整转子电流频率，实现定子感应电势的恒频控制， 即变速恒频控制。 g a b - c j cd c a c 图2 2 基于双馈异步发电机( d 唧g ) 的变速风电机组 f i g 2 2v a r i a b l e - s p e e dw i n dt l l r b i n ow i t hd o u b l yf e di n d u c t i o ng e a c r a t o r ( d f i o ) 这种系统最大的优点是可实现能量双向流动。流过转子电路的功率是由发电 机的转速运行范围所决定的，转差功率仅为定子额定功率的一小部分，变频器的 容量减少，可实现有功、无功功率的灵活控制。此外，由于风力机变速运行，其 运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值，是风力机 的风能利用系数得到优化，从而充分利用风能资源。 目前此种类型风力发电系统已经得到推广使用。有资料表明，2 0 0 2 年世界风 能市场中双馈异步发电系统占有的市场份额已超过4 0 3 1 】。 2 ，2 3采用同步发电机的直驱式变速恒频风力发电系统 此种风力发电系统采用多极永磁交流发电机，因此风力机与发电机之间不需 安装升速齿轮箱，成为无齿轮的直接驱动，如图2 3 所示。变频器将发电机的定子 绕组与电网连接起来，并将频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能。 北京交通大学硕士学位论文 由于变频器的解耦控制，使得基于同步发电机的变速风电机组与电网完全解耦， 其特性完全取决于变频器的控制系统的控制策略。但同时由于变频器在定子侧， 发电机所发出全部功率都需要通过变频器变换，对于大容量的风力发电系统，变 频器容量要求显著增加。此种结构的风力发电机组的优点主要在于省略了升速齿 轮箱，避免了齿轮箱部件的维修与更换，提高了系统结构的稳定性，从而可靠性 增强。 图2 3 基于永磁同步发电机的直驱式变速风电机组 f i g 2 3v a r i a b l e s p e e dw i n dt u l j o i n ew i t hd i r e r - d r i v ep e r m a n e n t - m a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 2 3风力发电系统模型 本节将针对目前应用较为广泛的普通异步机风力发电机与双馈异步风力发电 机建立动态数学模型由于两种风电机组具有相同的风力机、轴系和桨距角控制 模型，因此对风力机模型、轴系模型、桨距角控制模型以及风速模型将不分机型 统一介绍，随后分别介绍两种发电机及其控制系统模型此外，风速模型也作为 风电系统动态模型中的一部分在本节给出。 2 3 1 风速模型 风是风电机组的原动力，风速直接决定了风电机组的动态特性。要掌握风电 机组的动态特性，就必须获得风电场短期的风速波动数据，如秒级的风速。最早 的风速模型是用于资源规划中，以评价风电的经济性、持久性以及含风电场的电 力系统的可靠性，如文献【l 一3 】中对风速模型进行了详细描述但这些模型是以平 均风速为基础，不适用于风电机组的动态仿真。而且一般气象台站所能提供的风 速数据大都是小时平均风速，因此短时距风速只能根据某种算法模拟或实际测量 获得。在仿真分析中，通过算法建立风速模型更能灵活地模拟风速变化，已得到 较广泛的使用。一般地，用四种风速分量来模拟风速的随机变化情况：基本风矿， 1 2 风力发电机组与风电场数学模型 阵风，渐变风p 赢以及随机风p 篇口蟠”。 l 。基本风 基本风可以由风电场测风数据获得的威布尔分布( w c i b u l l ) 参数近似确定， 由威布尔分布的数学期望值可以得到： 一 ， y = 血( 1 + 軎) ( 2 1 ) a 其中，矿为基本风速( m s ) ；a 和置分别为威布尔分布的尺度参数和形状参 数；f ( i + i k ) ：为伽马函数。当考虑秒级时间段的计算时，基本风可是为常数。 2 阵风 在风速变化的过程中，阵风用来描述风速突然变化的特性。 io ( t 互6 + t d ( 2 2 ) 圪= ( m a x g l 2 ) l - c o s 2 石( t t c ) 一( ) 其中，、互。、忍、m a x g 分别为阵风风速( m s ) ，起动时间( s ) ，周 期( s ) 和最大值( m s ) 。 3 渐变风 风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟。 = 0 f y 晶、z k 、4 分别为渐变风速( m s ) ，渐变风起始时间( s ) ，渐变风终 止时间( s ) ，渐变风最大值( m s ) 。 4 随机风 为反映风速变化的随机特性，在风速模拟中可以用随机噪声风速成分来表示。 p - - 2 e 【品佃，) 叫c o s ( q + 谚) q = a 一亡) m( 2 4 ) 荆= 采篙躲 其中，破为o - 之之问平均分布的随机变量；峨为地表租糙系数；f 为扰动 范围( 所2 ) ；指相对高度的平均风速( m s ) ；n 指频谱取样点数；m 指各个 北京交通大学硕士学位论文 频率段的频率。 综合上述四种风速成分，模拟实际作用在风力机上的风速为： = y + 口+ 巧+ ( 2 5 ) 图2 4 所示为一模拟风速时间序列：基本风4 m s ；渐变风为开始时间3 s ，持 续时间1 2 s ，最大值6 m s ；阵风启动时间5 s ，最大值4 m s ，周期1 0 s ，再加上随机 扰动。 图2 4 风速仿真 f i g 2 4s i m u l a t i o no f g r i n ds p e e d 2 3 2空气动力学模型 风力机的叶片将风能转化为机械能是一个十分复杂的涉及空气动力学、流体 力学的过程。当风电机组电气特性是主要的研究重点时，通常采用简化的建模方 法对风力发电机组的空气动力学特性进行建模。 风力机捕获的风能与风速的立方成比例关系，同时还与风力机叶片的转速及 结构参数有关。根据风力机功率特性方程，有： 1 己= 亡p ，r 2 c ；( 少，五) 口 ( 2 6 ) 相应的机械转矩为： 1 m ，= 寺p 口r r 3 c a p ，五) 嘭；l ( 2 7 ) 二 此处，只是风力机叶片获取风能转化而来的机械功率( w ) ，m 。是叶片的机 械转矩( n o r a ) ，p 为空气密度( k g m 3 ) ；r 为风力机叶轮半径( m ) ；五= r c o t ，圪 为叶尖速比；n k 为风力机叶轮的转速( r a d s ) ；为桨距角( d e g ) ；c 。为风 力机的风能利用系数，是名与卢的函数；圪为风速( m s ) 。 由式( 2 6 ) 可知，当风速一定时，风力机机械功率的大小取决于风能利用系 数。当给定叶尖速比五和叶片桨距角卢时，c 。与五、卢的非线性关系可以参照文 1 4 风力发电机组与风电场数学模型 献【3 1 3 3 删，本文采用文献【3 4 】中的表示方法，如式( 2 8 ) 所示 c 假删2 2 半_ o 妒一5 ) 考 卫= 10 0 3 5 t + 0 0 8 f l 一否丽