浅谈电力电子技术在电力系统中的应用

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 浅谈电力电子技术在电力系统中的应用 东北大学信息科学与工程学院 自动化 摘要 摘要 电力系统自动化是指应用各种具有自动检测 决策和控制功能的装置对 电力系统各元件 局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视 调节和控制 以 保证电力系统安全经济的运行和具有合格的电能质量 而电力电子技术对输电有着 巨大影响 在电力系统中的应用涉及到提高输电能力 改善电能质量 提高电网运 行稳定性 可靠性 控制的灵活性及降低损耗等重大问题 文章首先介绍了电力电 子技术在电力系统发电 输电 配电和节能等各个环节的具体应用 然后以风电为 例介绍了电力电子技术在可再生能源发电中的应用前景 控制技术及遇到的问题和 挑战 最后对电力电子技术在未来智能电网中的应用前景进行了展望 关键字 电力系统关键字 电力系统 直流输电直流输电 风力发电风力发电 Abstract Abstract The power system automation means that the device automatically detect control and decision making functions of the application of various elements each having the power system the local system or full system for automatic monitoring locally or remotely the regulation and control to ensure the safety and economic power system 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 operation and with acceptable power quality The transmission of power electronics technology has a huge impact on the application in the power system of the major issues related to improving transmission capacity improve power quality and improve grid operation stability reliability flexibility and control to reduce wear and tear The article first introduces the specific application of power electronics technology in all aspects of power system generation transmission distribution and energy and the like Wind power for example and then introduced the power electronics technology applications in the renewable energy power generation the control technology and the problems and challenges encountered Finally the application prospect of power electronic technology in the future smart grid is discussed Keywords Keywords powerpower systemsystem HVDCHVDC windwind powerpower 0 0 引言引言 电力电子技术是电工技术中的新技术 是电力与电子技术的融合 已在国民经 济中发挥着巨大作用 对未来输电系统性能将产生巨大影响 本文将首先就电力电 子技术在电力系统中的应用研究现状进行一个具体阐述 而作为国家能源战略的一 部分 新能源发电在电力系统中的发电比重已日益增加 而风力发电无疑是其中的 一颗耀眼的新星 由于其清洁无污染 具有良好的社会效应和经济效益 已受到世 界各国政府的高度重视 然而随着风力发电技术的发展和应用推广 对风力发电的 效率和电能质量的要求越来越高 而应用电力电子技术和控制技术则是实现这些目 标的最有效的手段 本文将就电力电子技术在风力发电中的相关应用对电力电子技 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 术在可再生能源发电中的应用前景进行一个较为详细的论述 1 1 电力电子技术在电力系统各个环节中的应用电力电子技术在电力系统各个环节中的应用 1 11 1 发电环节发电环节 电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备 电力电子技术的应用以改善这 些设备的运行特性为主要目的 1 1 1 大型发电机的静止励磁控制 静止励磁采用晶闸管整流自并励方式 具有结构简单 可靠性高及造价低等优点 被世界各大电力系统广泛采用 由于省去了励磁机这个中间惯性环节 因而具有其 特有的快速性调节 给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的 有利条件 1 1 2 水力 风力发电机的变速恒频励磁 水力发电的有效功率取决于水头压力和流量 当水头的变化幅度较大时 尤其 是抽水蓄能机组 机组的最佳转速亦随之发生变化 风力发电的有效功率与风速的 三次方成正比 风车捕捉最大风能的转速随风速而变化 为了获得最大有效功率 可使机组变速运行 通过调整转子励磁电流的频率 使其与转子转速叠加后保持定 子频率即输出频率恒定 此项应用的技术核心是变频电源 1 1 3 发电厂风机水泵的变频调速 发电厂的厂用电率平均为 8 风机水耗电量约占火电设备总耗电量的 65 且 运行效率低 使用低压或高压变频器 实施风机水泵的变频调速 可以达到节能的 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 目的 低压变频器技术已非常成熟 国内外有众多的生产厂家 并有完整的系列产 品 但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多 国内有不少院校和企业 正抓紧联合开发 1 1 4 太阳能发电控制系统 开发利用无穷尽的洁净新能源 太阳能 是调整未来能源结构的一项重要战 略措施 大功率太阳能发电 无论是独立系统还是并网系统 通常需要将太阳能电 池阵列发出的直流电转换为交流电 所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统 的核心 我国实施的送电到乡工程以 10 15kW 的独立系统居多 而大型系统有在美 国加州的西门子太阳能发电厂 7 2MW 等 1 21 2 输电环节输电环节 电力电子器件应用于高压输电系统被称为 硅片引起的第二次革命 大幅度改 善了电力网的稳定运行特性 1 2 1 柔性交流输电技术 FACTS 柔性的交流输电技术问世于 20 世纪 80 年代后期 近年来在世界上发展迅速 柔性交流输电技术是一项基于电力电子技术与现代控制技术结合 以实现对电力系 统电压 参数 如线路阻抗 相位角 功率潮流的连续调节控制 从而大幅度提高 输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平 降低输电损耗 传统的调节电力潮流 的措施 如机械控制的移相器 带负荷调变压器抽头 开关投切电容和电感 固定 串联补偿装置等 只能实现部分稳态潮流的调节功能 而且由于机械开关动作时间 长 响应慢 无法适应在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流 阻尼系统振荡的 要求 因此 电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用 自 1986 年美国专家 N G H iogorani 提出了 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 FACTS Flexible AC Transmission System 这个完整的概念以来 FACTS 的发展越 来越受到全世界的重视 到目前 FACTS 控制器已有数十种 按其安装位置可分为发 电型 输电型和供电型 3 大类 但共同的功能都是通过快速 精确 有效地控制电 力系统中一个或几个变量 如电压 功率 阻抗 短路电流 励磁电流等 从而增 强交流输电或电网的运行性能 已应用的 FACTS 控制器有静止无功补偿器 SVC 静 止同步补偿器 STATCOM 静止快速励磁器 PSS 串联补偿器 SSSC 等 近年来 柔性交流输电技术已经在美国 日本 瑞典 巴西等国重要的超高压输电工程中得 到应用 国内也对 FACTS 进行了深入的研究和开发 1 2 2 高压直流输电技术 HVDC 直流输电具有输电容量大 稳定性好 控制调节灵活等优点 对于远距离输电 海底电缆输电及不同频率系统的联网 高压直流输电拥有独特的优势 新一代 HVDC 技术采用 GTO IGBT 等可关断器件 以及脉宽调制 PWM 等技术 省去了换流变压器 整个换流站可以搬迁 可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力 此外 可关断器件组成的换流器 由于采用了可关断的电力电子器件 可避免换相 失败 对受端系统的容量没有要求 故可用于向孤立小系统 海上石油平台 海岛 供电 今后还可用于城市配电系统 并用于接入燃料电池 光伏发电等分布式电源 目前 全球已建成的直流输电工程超过 60 项 近年来 直流输电技术又有新的发展 轻型直流输电 HVDC Light 采用 IGBT 等可关断电力电子器件组成换流器 应用脉 宽调制技术进行无源逆变 解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题 同时大幅度简化设备 降低造价 世界上第一个采用 IGBT 构成电压源换流器的轻型 直流输电工业性试验工程于 1997 年投入运行 1 31 3 配电环节配电环节 配电系统需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量 电能质量控 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 制既要满足对电压 频率 谐波和不对称度的要求 还要抑制各种瞬态的波动和干 扰 电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用 即用户电力技术 用户电 力技术 CP 和 FACTS 技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术 采用 FACTS 的 核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力 发展 CP 的目的是在配电 系统中加强供电的可靠性和提高供电质量 CP 和 FACTS 的共同基础技术是电力电子 技术 各自的控制器在结构和功能上也相同 其差别仅是额定电气值不同 目前二 者已逐渐融合于一体 即所谓的 DFACTS 技术 具有代表性的用户电力技术产品有 动态电压恢复器 DVR 固态断路器 SSCB 故障电流限制器 FCL 统一电能质 量调节器 PQC 等 1 41 4 节能环节节能环节 1 4 1 变负荷电动机调速运行 电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面 通过变负荷电动机的调速技术 节电又是另一个方面 只有将二者结合起来 电动机节电方较完善 目前 交流调 速在冶金 矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用 首先是风机 泵类等变负 荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果 国外变负荷的风机 水泵大多采用了交流调速 我国正在推广应用中 变频调速的 优点是调速范围广 精度高 效率高 能实现连续无级调速 在调速过程中转差损 耗小 定子 转子的铜耗也不大 节电率一般可达 30 左右 其缺点主要为 成本 高 产生高次谐波污染电网 1 4 2 减少无功损耗 提高功率因数 在电气设备中 变压器和交流异步电动机等都属于感性负载 这些设备在运行 时不仅消耗有功功率 而且还消耗无功功率 因此 无功电源与有功电源一样 是 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 保证电能质量不可缺少的部分 在电力系统中应保持无功平衡 否则 将会使系统 电压降低 设备破坏 功率因数下降 严惩时会引起电压崩溃 系统解裂 造成大 面积停电事故 所以 当电力网或电气设备无功容量不足时 应增装无功补偿设备 提高设备功率因数 2 2 电力电子技术在双馈风力发电机电力电子技术在双馈风力发电机组中的应用组中的应用 风力发电综合利用电力电子技术 自动控制等方面研究成果 发展成为电力系统 中一个最新的研究领域 风力发电包括两个过程 一个是风能转化为机械能 另一 个是机械能转化为电能 变速恒频风力发电系统主要分为双馈异步风力发电机和直 驱永磁同步发电机两种 随着大规模电力电子技术的发展 双馈异步发电机的风力 发电系统成为发电设备的主要选择方向之一 该类风力发电系统不必使风力机转速 保持恒定 而是通过其他控制方式使得频率保持恒定 该类风力发电系统的主要优 点如下 1 采用该风力发电技术运行效率高 由于风轮变速运行 因此 可在较大的风 速范围内保持最大功率点和最佳的叶尖速比运行 从而使机组发电效率得到了提高 风力机的运行条件也得到了优化 2 采用该风力发电技术使得功率因数可调 该类风力发电通过在异步电机的 转子侧施加三相低频电流来实现交流励磁 并且控制励磁电流的频率 幅值 相位 从而实现输出电能的恒频恒压 3 采用该风力发电技术使变桨距调节更加简单 当风速很高时 可以通过调 节桨距角来限制最大输出功率 当风速很低时 装距角是固定的 4 采用该风力发电技术使得风电并网实现了很好的柔性连接 在并网操作及运 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 行上较普通异步发电系统更容易 2 12 1 双馈风力发电机组变速恒频运行的基本原理双馈风力发电机组变速恒频运行的基本原理 双馈电机的结构类似于绕线式感应电机 定子绕组也由具有固定频率的对称三 相电源激励 所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励 一般采用交 交 变频器或交 直 交变频器供以低频电流 转子的旋转速度 转子外加励磁电源产 r n 生的旋转磁场相对于转子的旋转速度与定子同步磁场的旋转速度之间的关系为 e n s n 2 1 res nnn 当风速变化时 转速随之而变化 在变化的同时 通过改变转子电流的频 r n r n 率和旋转磁场的速度 可以补偿电机转速的变化 达到保持输出频率恒定不变的 e n 目的 与转子相连接的双电压源变换器是电力电子电源变换装置 为了获得较好的 输出电压和电流波形 其输出频率一般不超过输入频率的三分之一 其容量一般不 超过发电机额定功率的 30 双馈风力发电机运行时 变速运行的范围比较宽 定子输出电压和频率可以维 持不变 既可调节电网的功率因数 又可以提高系统的稳定性 这种控制方案除了 可实现变速恒频控制 减小变流器的容量外 还可实现有功 无功功率的灵活控制 对电网而言可起到无功补偿的作用 与式 2 1 相对应 2 2 0rs 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 其中 为转子机械旋转角速度 为定子磁链旋转角速 度 为转子旋 r s 0 转磁场角速度 即转差角速度 超同步运行时为负 亚同步运行时为正 当定子旋 转磁场在空间以的速度旋转时 转子旋转磁场相对于转子的旋转速度 00 2 f 应该是 s 2 3 0000 1 sr ss 其中 s 为变速恒频双馈发电机转差率 按照通常转差率的定义 2 4 sr s nn s n 转子转差角转速与转差率 s 成正比 如果交流励磁发电机的转子转速低于同步 转速 那么转子旋转磁场和转子的旋转方向相同 而当转子的转速高于同步转速时 则二者的旋转方向相反 根据可推出励磁电流频率和定子电流频率之间存2f 在如下关系 2 5 0s ff s 其中 为转子励磁电流的频率 为定子电流的频率 s f 0 f 2 22 2 双馈风力发电机系统的基本结构双馈风力发电机系统的基本结构 双馈感应发电机的基本结构类似绕线式感应电机 其定转子上都具有三相对称 绕组 且磁路 电路对称 气隙分布均匀 与绕线式感应电机的不同之处在于转子 绕组增加了电刷和滑环 当采用交流励磁时 转子的转速与励磁频率有关 因此双 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 馈发电机的内部电磁关系既不同于感应发电机又不同于同步发电机 而是同时具有 二者的某些特点 双馈风力发电机系统的示意图如图 2 2 1 所示 图 2 2 1 双馈风力发电机系统示意图 由图 4 4 1 可以看出 在双馈风力发电系统中 发电机的定子直接与电网侧相 连接 转子侧采用三相对称绕组 经过交 直 交变流器与电网侧相连接 以提供发 电机交流励磁 励磁电流的幅值 相位 频率均可变 其励磁频率为转差频率 其 中交 直 交变流器由两组电压源 PWM 变换器组成 可实现四象限运行 一般情况下 电网侧变流器的主要任务是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线电 压的稳定 转子侧变流器的主要任务是调节有功功率 实现最大风能捕获以及为转 子回路提供励磁 同时调节定子无功功率 风轮机采用变桨距控制 当风速小于额 定风速时 桨距角为 0 变桨距装置不动作 采用最大功率跟踪策略来实现最大 风能的捕捉 当风速增加到额定风速以上时 变桨距装置动作 桨距角逐渐变大 将发电机的输出功率限制在额定功率附近 但由于风轮机的转动惯量较大 因此 变桨距装置动作具有一定的时延 2 32 3 双馈风力发电机的等效电路双馈风力发电机的等效电路 双馈式感应发电机 T 型等值电路如图 2 3 1 所示 规定各绕组电压 电流 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 磁链正方向如图所示并符合右手螺旋定则 图中参数为绕组折算后到定子侧的参数 s U s R 1s X 1r Xr R s s E m I r E r U s m R m X 图 2 3 1 双馈感应发电机的 T 型等效电路图 2 42 4 双馈风力发电机的功率关系双馈风力发电机的功率关系 双馈型变速恒频风电机组 其发电机的转子电路具有功率双向流动的能力 这 使得发电机既能运行在次同步模式 也能够运行在超同步模式 双馈发电机的运行 工况主要分为四种 次同步电动 次同步发电 超同步电动 超同步发电 在不同 的运行工况具有不同的功率传递关系 下面从双馈发电机的等效电路来研究其功率 平衡关系 根据功率守恒关系 经气隙磁场传递的电磁功率从定子方和转子方可以分别表 示 2 6 2 P P Re U I R P esCuFes sssFe P PI 2 7 2 r RU Re I rr er PI ss 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载 式 2 6 又可以重写为 2 8 2 r 1 s R Re U I Re U I ers sr r PI s 由上式可以看出 分别为定 转子铜耗 为定子铁耗 2 Rs s I 2 r RrI Fe P 为定子端输出的有功功率 为励磁系统向发电机转子回路输入的 Re U I s s Re U I r r 功率 记为 即 为发电机轴所产生的机械功率 r P 2 1 rr s R I s Re U I r r mec P 式 2 7 又可以重写为 2 9 2 r R Re U I err r sPI 因此可以得出 2 10 1 s mece PP 2 11 2 rr s R er PPI 由此得出 稳态运行时 双馈异步发电机的能量传递和发电机的运行状态有关 在忽略定转子回路损耗及铁耗的情况下 可以得出定转子回路功率关系的表达式为 2 12 r P s sP 当 0 s 1 双馈电机处于次同步运行状态 当 s 0 时 双馈机处于超同步运行状态 可以看出 当 0 s0 0 发电机定 r sP mec P 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载 子端向电网输出有功功率 电网通过变流器向转子回路溃入功率 当 s0 0 发电机定子端向电网输出有功功率 转子回路通 r sP mec P 过变流器向电网输入功率 实际上 双馈电机在滑差为 0 的情况下也可实现发电 这时转子励磁电流为直流电 转子回路溃入电网的有功功率为 0 双馈电机的运行状 态等同于同步发电机 由于其特殊性 一般不将其列为一种独立的运行状态 对于 双馈电机的次同步超同步电动运行状态 不做讨论 3 3 双馈风力发电系统的数学模型双馈风力发电系统的数学模型 本部分以变速恒频双馈型异步风力发电系统为对象 介绍双馈型异步风力发电系 统的几个主要环节 并对其动态数学模型做详细阐述 3 13 1 风速模型风速模型 风速是风力机的原动力 它的模型相对于风力机组比较独立 使用四分量模型 即基本风 阵风 渐变风和随机风 其中 基本风可认为是常量 不做讨论 3 1 1 阵风 图 3 1 1 描述了模拟的阵风风速时间序列 其中基本风速为 8m s 阵风最大 值为 14m s 阵风启动时间是在第 3s 时 阵风作用时间为 6s 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载 0246810121416 0 2 4 6 8 10 12 14 16 图 3 1 1 阵风风速时间序列 3 1 2 渐变风 为了反映风速的渐变特性 可在平均风速上叠加一渐变风分量 渐变风用来 r v 描述风速缓慢变化的特点 其具体数学公式如公式 3 1 3 1 Tttt ttt Ttttt R vv rr rr r r rampr 22 21 21 max 0 式 3 1 中如公式 3 5 ramp v 12 1 max rr r ramp tt tt Rv 3 2 为渐变风开始时间 单位 s 为渐变风终止时间 单位 s 为不 r t1 r t2 r v ramp v 同时刻渐变风风速 单位 m s 为渐变风的最大值 单位 m s T 为渐变风保持 max R 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载 时间 单位 s 图 3 1 2 是模拟的渐变风风速时间序列 其中基本风速为 8m s 渐变风最大值 14m s 渐变风起始时间是第 5s 渐变风终止时间是第 11s 0246810121416 0 2 4 6 8 10 12 14 16 图 3 1 2 渐变风风速时间序列 3 1 3 随机风 随机风风速变化的随机特性可用随机噪声风速成份来表示 噪声风速模型如图 3 1 3 所示 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载 012345678910 0 2 4 6 8 10 12 14 16 图 3 1 3 随机风风速时间序列 3 23 2 双馈异步发电机及其控制系统模型双馈异步发电机及其控制系统模型 双馈异步风力发电系统主要由以下几个组成部分 风力机 轴系 即机械传动系 统 和桨距角控制系统 转速控制系统 双馈异步发电机 无功功率控制系统 变频 器及其控制系统 双馈异步风力发电系统模型结构图如图 3 2 所示 关于变频器及 其控制系统的模型在此不做详细介绍 风速模型风力机模型轴系模型 浆距角 控制 基频电网 双馈异步发电 机模型 变流与保护 系统 转速控 制 电压控制系 统 w V w P m P e P Q gen S ref P r I ref Q f V 图 3 2 双馈异步风力发电系统模型结构示意图 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载 4 4 风电场并网对系统影响仿真分析风电场并网对系统影响仿真分析 本部分将在前面介绍的基础上对算例进行仿真分析 主要分析根据第三部分建立 的风速模型及风电系统模型 采用 MATLAB 中的风力发电机组模块结合风速模型 建 立了含有风电场的系统模型 模拟仿真风电场并网运行后的情况 其中包括各种风 速变化和线路故障的影响 15 4 14 1 仿真模型及系统描述仿真模型及系统描述 仿真实验采用由 6 台相同型号的 1 5MW 双馈型异步风力发电机组构成的风电系 统 应用 MATLAB Simulink 对含大型并网风力发电场的电力系统运行进行动态仿真 等值电路如图 4 1 所示 电网 风电场 9MW 接地变压器T3 4 321 L 500kW 2MW发电 机组 575V10kV10kV110kV T2 T1 30km Xs 图 4 1 风电系统接线图 4 24 2 仿真结果及分析仿真结果及分析 在风电场的出口处采用两种控制方式 一种是有载调压模式 Voltage Regulation Mode 另一种是静止无功补偿模式 Var Regulation Mode 有载调压 是静态调节 是通过调节变压器的抽头来改变输出电压 而静止无功补偿则为动 1 T 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载 态调压 是通过在风电场出口侧投切电容器来提供无功 维持电压在额定值附近 选取几种典型的 对系统影响较严重的运行方式作仿真 考虑的四种方式为 风 速从 8m s 变化到 14m s 时 渐变风 风电场和电网能否正常运行 平均风速为 8m s t 3s 时风速开始增大 t 6s 时 风速达到 14m s t 9s 时风速又恢复至 8m s 时 阵风 风电场和电网能否正常运行 10kV 系统节点 2 3 之间的输电线路发生单 相接地时风电场和电网运行情况 10kV 系统节点 2 3 之间的输电线路发生三相短路 故障时风电场和电网运行情况 利用 MATLAB Simulink 对风电系统进行仿真的模块图如下图 4 2 所示 图 4 2 风电场仿真模块图 4 2 1 风速变化对风电场的影响 图 4 2 1 1 是在有载调压模式下 风速从 8m s 变化到 14m s 时 风电场出口 电压 输出有功功率和无功功率的变化曲线 在仿真过程中假设风速相同 可以看 出 因为采用了有载调压控制 风电场的电压基本维持不变 说明系统是稳定的 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Pos seq V1 B575 pu 0 2 4 6 8 10 Generated P MW 1 0 5 0 0 5 Generated Q Mvar 051015202530 8 10 12 14 16 Wind speed m s 图 4 2 1 1 风速变化对风电场影响仿真图 有载调压模式 在静止无功补偿模式下 可以看到 在风速达到 14m s 以后 风电场输出的有 功功率达到 9MW 并保持不变 节点 l 即风电场出口电压上升到 1 031 p u 无功功 率在 t 20s 时出现微小的波动 变化不大 基本保持在 0 附近 可以得出 在静止 无功补偿模式下 系统的无功基本维持不变 风电场出口电压略有增加 总体而言 系统是稳定的 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Pos seq V1 B575 pu 0 2 4 6 8 10 Generated P MW 1 0 5 0 0 5 Generated Q Mvar 051015202530 8 10 12 14 16 Wind speed m s 图 4 2 1 2 风速变化对风电场影响仿真图 静止无功补偿模式 4 2 2 风速变化对电网的影响 图 4 2 2 1 和图 4 2 2 2 是风速从 8m s 变化到 14m s 时 电网运行情况 的仿真曲线 图 4 5 是有载调压模式下风速变化对节点 4 节点 2 电压及节点 2 的有 功功率和无功功率的影响 在仿真图中 风速变化引起的局部电网电压波动并不显 著 由于风电场出力大幅度增加引起其他发电厂 节点 2 的出力大幅度降低 从对系 统提供有功功率到吸收系统的有功功率 功率的缺额由风电场提供 另外 为了补 偿风电场的无功功率需求 其他电厂发出的无功功率明显增多 仿真结果表明 这 样的风速变化对系统的稳定运行没有明显影响 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载 5 0 5 Vabc B110 pu 5 0 5 Vabc B10 pu 10 5 0 5 P B10 MW 2 0 2 Q B10 Mvar 051015202530 8 10 12 14 16 Wind speed m s 图 4 2 2 1 风速变化对电网的影响仿真图 有载调压模式 图 4 2 2 2 为静止无功补偿模式下 风速变化对节点 4 节点 2 电压及节 点 2 的有功功率和无功功率的影响 风速的变化时 与有载调压模式相比较 节 点 2 节点 4 的电压基本不变 有功功率和无功功率的变化与图 4 5 相似 由于 采用了无功补偿模式 其他发电厂发出的无功功率由有载调压模式的 1 87Mvar 降 到 0 98Mvar 同时 节点 2 的电压略微有些增加 最后稳定在 1 011 p u 由 此可见在静止无功补偿模式下 系统的运行是稳定的 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载 5 0 5 Vabc B110 pu 5 0 5 Vabc B10 pu 10 5 0 5 P B10 MW 2 0 2 Q B10 Mvar 051015202530 8 10 12 14 16 Wind speed m s 图 4 2 2 2 风速变化对电网运行的影响仿真图 静止无功补偿模式 4 2 34 2 3 单相接地故障对风电场的影响单相接地故障对风电场的影响 图 4 2 3 1 和图 4 2 3 2 所示的是 10kV 系统节点 2 3 之间的输电线路发 生单相接地故障时风电场出口的电压 电流 有功功率和无功功率的变化曲线 故 障发生时间为 t 5 1s 故障切除时间为 t 5 2s 故障持续时间为 100ms 图 4 7 为 在有载调压模式下 风电场的出口电压降至 0 8 p u 仍能在低电压保护的门槛 值 0 75 p u 之上 故障切除以后 风电场依然能够正常运行 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载 0 0 5 1 Pos seq V1 B575 pu 0 0 5 1 Pos seq I1 B575 pu 0 5 10 Generated P MW 012345678910 0 2 4 6 Generated Q Mvar 图 4 2 3 1 单相接地故障对风电场影响仿真图 有载调压模式 图 4 2 3 2 所示的是静止无功补偿模式下 单相接地故障对风电场影响仿真 曲线 由图可知 在故障切除后风电机组并网点电压经过一个短暂的震荡过程后能 够恢复至额定值 风电机组发出的功率也能恢复至正常值 此可见在静止无功补偿 模式下 系统的运行也是稳定的 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载 0 0 5 1 Pos seq V1 B575 pu 0 0 5 1 Pos seq I1 B575 pu 0 2 4 Generated P MW 012345678910 1 0 1 2 Generated Q Mvar 图 4 2 3 2 单相接地故障对风电场影响仿真图 静止无功补偿模式 4 2 4 单相接地故障对电网的影响 下面观察 10kV 系统节点 2 3 之间的输电线路发生单相接地故障对电网节点 4 节点 2 电压及节点 2 的有功功率和无功功率的影响 故障发生时间为 t 5 1s 故障 切除时间为 t 5 2s 故障持续时间为 100ms 图 4 4 2 4 1 所示为有载调压模式 下 节点 2 3 间出现单相接地故障对电网节点 2 节点 4 的电压及有功功率和无功 功率的变化影响 节点 2 的电压波动很大 但故障一经切除 系统又恢复了正常运 行状态 由此可见 这样的故障对系统的正常运行影响不大 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载 0 0 5 1 1 5 Vabc B110 pu 0 0 5 1 1 5 Vabc B10 pu 5 0 5 P B10 MW 012345678910 4 2 0 2 4 Q B10 Mvar 图 4 2 4 1 单相接地对电网的影响仿真图 有载调压模式 图 4 2 4 2 是在静止无功补偿模式下 节点 2 3 之间的输电线路出现单相接 地故障时的仿真曲线 由图可知 风电场输出的有功有所减少 功率差额由电网的 其他发电机组承担 电网的输出的有功功率较静止调压模式有所增加 故障期间电 网发出的无功功率大量增加 有利于维持风力发电机机组出口电压稳定 精品文档 26欢迎下载26欢迎下载 0 0 5 1 1 5 Vabc B110 pu 0 0 5 1 1 5 Vabc B10 pu 4 2 0 2 P B10 MW 012345678910 2 0 2 4 6 Q B10 Mvar 图 4 2 4 2 单相接地对电网的影响仿真图 静止无功补偿模式 4 2 5 三相接地故障对风电场的影响 图 4 2 5 1 和图 4 2 5 2 所示为节点 2 3 之间的输电线路发生三相短路 故障时 风电场出口的电压 电流和有功功率及无功功率的变化曲线 故障发生时 间为 t 5 1s 故障切除时间为 t 5 2s 故障持续时间为 100ms 有载调压模式下的 变化曲线如图 4 2 5 1 所示 从仿真曲线看出 在故障时刻风电场出口电压大幅 下降至 0 风电场的有功功率和无功功率也降为 0 从仿真曲线可以得出结论 风电 场与电网解列 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Pos seq V1 B575 pu 1 0 5 0 0 5 1 Pos seq I1 B575 pu 0 1 2 3 4 5 Generated P MW 012345678910 1 0 1 2 Generated Q Mvar 图 4 2 5 1 三相短路对风电场的影响仿真图 有载调压模式 在静止无功补偿模式下风电场并网点电压 电流 有功功率和无功功率的变化 曲线如图 4 2 5 2 所示 风电场在故障时刻电压急剧下降至零 风电场的有功功 率和无功也降为零 风电场与系统解列 0 0 5 1 Pos seq V1 B575 pu 1 0 1 Pos seq I1 B575 pu 0 2 4 Generated P MW 012345678910 1 0 1 2 Generated Q Mvar 精品文档 28欢迎下载28欢迎下载 图 4 2 5 2 三相短路对风电场的影响仿真图 静止无功补偿模式 4 2 6 三相接地故障对电网的影响 图 4 2 6 1 和图 4 2 6 2 所示为节点 2 3 之间的输电线路发生三相短路 故障时对电网中节点 4 节点 2 电压及节点 2 有功功率和无功功率的影响 故障发生 时间为 t 5 1s 故障切除时间为 t 5 2s 故障持续时间为 100ms 在有载调压模式 下的变化曲线如图 4 2 6 1 所示 从仿真曲线看出 故障时刻节点 2 电压大幅下 降至 0 保护动作 风电场与电网解列 故障切除后 风电场重新投入运行 需要从 系统吸收大量的无功 所以 Q 10 在 t 5 2s 时剧烈上升 风电场稳定之后开始为系 统提供无功 电压得到恢复 输出的有功功率变化不大 0 0 5 1 1 5 Vabc B110 pu 0 0 5 1 1 5 Vabc B10 pu 5 0 5 P B10 MW 012345678910 2 0 2 4 6 8 Q B10 Mvar 图 4 2 6 1 三相短路对电网的影响仿真图 有载调压模式 在静止无功补偿模式下 在故障时刻节点电压同