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董炜开题报告(草稿) 西安理工大学硕士研究生学位论文开题报告题目中小规模风电场建模及接入配电网系统影响研究学科电力系统及其自动化学号0808080437姓名董炜导师余健明（教授）日期xx-12西安理工大学研究生学院xx年8月填写说明1研究生应根据开题报告各栏目的具体要求，认真撰写开题报告。 2开题报告一式三份，学院、学科、导师各一份。 几个模块，太阳能板，转换器，控制板，研究主线的介绍及作用开题报告内容（包括1.研究背景与意义；2.国内外研究进展；3.主要研究内容；4.研究方案和技术路线；5.课题的主要难点及拟采取解决方案；6.预期研究成果；7.主要参考文献（在正文中必须标注）中小规模风电场建模及接入配电网系统影响研究 一、研究背景与意义近年来，风力发电凭借绿色环保、资源丰富、技术日趋成熟和应用成本不断降低等优势，得到了世界各国的重视，成为非化石燃料发电的重要。 我国目前的能源结构很不合理，新能源所占比重不足1%，风电占有量则更小【1】，这与世界能源发展方向是不相符的，因此应加快中国风电开发和利用的力度，进而缓解电力和电煤供求紧张的局面。 中国风能资源丰富，可开发利用的潜力巨大，截至xx年底，中国风电装机容量达6.053GW，位居亚洲第二，全球第五【2】。 经过十多年的发展，MW级风电机组已经成为工程应用的主流机型，特别是已有若干基于变速恒频双馈式风电机组的大型风电场投入并网发电。 学界对于此类风电场的建模及其并网影响等方面问题进行了深入研究，并已得出大量研究成果。 但是，大型风电场一般均接入高压输电网络，利用巨大的系统容量平衡风电输出功率波动对电网的不利影响，这就需要相应设立较高配额的常规旋转备用以保证电网实时功率平衡，其结果是风电对环保的贡献无法达到预期效果；此外，作为分布式能源的风电并入输电网络后一般不向当地负荷供电，无法解决供电末梢容量不足问题，也不能起到区域电源备用的作用。 因此，应当研究中小型风电场并入配电网后对系统的影响情况以及相关对策。 同时，对中小规模风电场接入配电网影响问题的研究成果也可以为大型风电场前期建设和运行提供参考。 二、国内外研究进展1.风电场建模研究风电场可以定义为若干台连接在一起且同时向外界送出能量的风力发电机组系统，它还应该包括连接风力机组与厂用变电站母线的变压器、联络线和机端无功补偿装置等一系列组件。 自20世纪90年代以来，人们已经对并网发电的风机和风场的建模问题进行了大量研究工作，并且已经取得了初步成果【3，4】。 但是，经过十几年的发展，风机风场建模仍然是一门新型学科，特别是风电场模型，由于牵涉面广，涉及其中的各个学科在发展的过程中产生了大量新方法新理论，反过来影响风电场建模问题的研究。 对于风电机组建模的思想目前已比较统一。 风力发电机组主要由风力机、传动系统和发电机三个部分组成，其中风力机能够捕获风能，应基于空气动力学知识建立它的模型；传动系统是风力机与发电机之间的连接装置，应基于机械理论和结构学知识建立传动系统的模型；发电机是将机械能转换成电能的装置，是风力机的核心部件，应基于电磁场理论和电路知识建立发电机模型【5】。 但是，风力发电机（组）是一个涉及多学科的复杂系统桨叶的制造基于空气动力学；传动系统和塔架的建设涉及到机械理论和结构学；发电机实现机电能量的转换；控制器和保护系统则广泛涉及控制原理与电气相关方面知识。 以上各学科的发展都可能引起单机建模改进，这样导致了目前已发布的模型缺乏通用性和多环境适应能力。 故此，IEEE、IEC等国际电气组织目前正在进行研究试图发布相关的模型标准。 由于建模思路不同，目前风电场模型具体形式尚不统一。 一般可以分为两类一类是基于单个风电机组模型按照场内电气连接得到相应等效模型；另一类则将风电场等效为一台风力发电机，其参数通过系统辨识方法以相关实测数据为依据进行数学估计后得到。 后一种方法大大简化了风电场模型，适合研究风电并入电网后的网侧影响问题，但也存在着不能反映风电场场内电气量波动情况，估计参数存在误差影响分析结果正确性等问题。 第一种方法能够全面系统的反映风电场内部电气量变化情况，可以为研究风电场安全运行策略提供平台，但是由于详细模型会导致计算复杂，仿真时间延长，使得这类模型不适用于实时电网计算。 文献6导出了具有相同运行条件的风机群的变尺度等值。 在所给出的例子中，矩型布置的风场内，根据行/列的风向布置了80台风机，采用变尺度将每行或每列一台发电机。 在文献7，8中研究了风电场的降阶等值模型。 在研究暂态电压稳定性时，可以使用组合模型和降解模型来表示风电场。 风电场组合模型建模包括风电场中的每台风力机、补偿电容器、升压变压器以及内部电网详细模型等。 风电场降解模型建模是指在特定的条件下用一台风力机模型来表示风电场。 虽然风电场建模工作已经有若干年历史，但是一直没有通用性强的模型发布，这已经妨碍了风电接入系统的仿真研究，难以正确评价风力发电场对电力系统稳定性的影响。 在大型互联电力系统中，如果风电场采用详细建模的风场模型（即对每台风力发电机建模），对电力系统的影响可以视为将多台小额定容量的发电机、升压变压器以及大量的短线路等模型加入到电力系统模型中，不仅增加电力系统模型的规模，而且还会带来许多严重问题如模型的有效性，数据的修正等，同时也将增加潮流计算的时间，尤其是增加时域仿真的时间。 因此，风电场的等值建模问题成为当今研究的热点之一。 2.风电并入配电网研究目前，风电并网有两个研究方向其一是大量大型风电场接入高压输电网络，这种形式是当下主流的工程应用；另一方面，中小规模风电场一般接入当地配网，直接向所在地负荷提供电能，但由于配电网本身电压等级较低，容量较小，一定量的风电接入就会对网络有显著的影响。 同时在研究风电在接入大电网时忽略较多条件，如可将电网等效成无穷大电源，PCC（公共连接点）点电压无波动，提供足够的备用能量等，这些将不适用于风电接入配电网的研究中。 故此，应根据配电网自身特点，开展相关风电接入研究。 风电接入配网影响主要集中在对电压，系统网损及接入容量等方面。 国内外文献资料中已经提出了若干配电网电压指标，常见的有电压变化率【9】，描述电网电压静态稳定性的L指标等等。 这些指标可st P，电压暂降幅度及其持续时间以用于分析判断风电接入对电网运行的影响情况。 网络损耗是电力系统的一项重要经济指标，是综合衡量电力企业管理水平的重要标志之一。 经研究发现，风力发电可能增大或减少网损,这取决于风力发电的位置、容量、负荷量的相对大小以及网络拓扑结构等因素【10，11-12】。 由于工程实践需要，已有研究人员关注到有关风电场接入容量计算和评估方面的【13,14,15】,文献13介绍基于静态安全和稳定约束的地区电网接入风电容量算法，问题考虑节点电压和输电线功率两者约束条件给出风电容量计算流程，但其文中的地区电网电压等级较高，实际仍将计算环境设置为高电压网络，没有涉及配电网相关内容。 该文中分析了风电接入对附近常规电源联络线功率潮流影响，但没有考虑地区负荷变化对于容量计算的影响。 考虑到风电场具有明显的波动特性，在容量计算时应该从稳、暂态两方面入手考虑。 有研究表明利用稳态分析法得出的系统最大接受风电容量值大于利用暂态校验法得出的容量值，说明必须对稳态计算出的结果进行校验，将稳态和暂态的分析方法结合起来，才能得出在不同风速变化和系统故障情况下，使系统和风电场都有稳定的【14】。 可靠风电接入容量值计算出的风电接入容量需要进行评估，风电场发电容量可信度是电力系统规划和【15】。 相关评估工作应在考虑不同风电场之间的内在关联特性风电场评估的重要指标基础上，利用可靠性指标，以风电场可替代的常规发电机组容量与风电场额定容量的比值作为定义考察风电场的发电容量可信度，同时利用已有的多风电场系统风电容量可信度的计算方法对之前结算得到的接入容量进行评估。 自20世纪90年代以来，人们已经对并网发电的风机和风场的建模进行了大量研究工作，并且已经取得了初步成果。 但是，由于缺少合适的风场等值模型，已经妨碍了风电系统接入电网的仿真研究。 同时，大量研究都集中在接入高压输电网络环境下的风电场特性问题上，缺少对在工程实际中大量存在的中小规模风电场接入当地配电网相关问题的研究。 故此，解决在这种相对较弱系统中风电接入影响问题具有较高的研究价值和现实意义。 三、主要研究内容1.建立适宜配网分析用中小规模风电场模型风电场模型一般包括场内风能资源分布，风电机组模型，风机阵列排布，场内联络电气系统等要素，当所处地形较为复杂时，模型还应考虑地形因素对风电场出力的影响。 针对配电网存在的网络容量小，负荷波动等特点，在考虑风电场建模时，不能再将电网定位为无穷大电源，亦即在考虑风电场对接入电网产生影响的同时也应考虑配电网波动性对风电场自身的影响。 基于此，常见的将风电场等效为单台发电机组的建模方法不能满足课题需要，应建立能够较为全面反映风电场内部器件相互影响的细节模型，同时该模型应具有良好的并网分析借口，满足接入网络后计算分析要求。 2.利用改进随机潮流法计算分析含风电场配电网潮流风电输出功率具有明显的波动性，而作为决定风场出力主要因素的来风速度具有不可预测性，仅表现出在概率上符合Weibull分布，而在以往多数研究中，仅采用一系列的风速样本作为研究依据，其计算结果以确定性数据给出，不能全面客观反映出风电并网影响情况。 随机潮流依据大量抽样样本计算系统潮流，计算结果以概率形式给出，可以考虑到风电接入后系统各种运行状态，结果较以往可信度大大增加。 注意到在配电网中，由于网架结构、接线方式多样，负荷随时有可能切除或是并入等特点使得系统实时处于三相不平衡状态，计算时不能再按照传统高压输电网络三相等效一相的做法计算潮流，应当针对三相不平衡问题改进潮流计算算法，使其更适合于配电网系统分析要求。 3.基于随机潮流计算结果分析系统接入风电容量及其相关问题由于功率输出波动性明显且具有不可预测性等原因，针对风电接入网络容量问题一直没有适宜的算法解决。 利用随机潮流计算给出的概率统计结果，对接入一定容量后系统能否安全运行进行考量。 随机计算能够最大程度反映接入后的各种系统运行情况，故此可以风电机组台数为变量，风速等系统参数为状态参量，采用随机计算方法考察系统运行，最后给出对应系统安全运行的安全容量。 同时，注意到在接入配电网之后，风电场会因系统波动而受到影响，特别是由于场端电压变化会引起场内发电机组极端电压变化。 由于随机采样样本数量较大，有可能会有极端情况样本作为系统初始条件，因此课题中所述系统稳定运行概念应当包括场内风电机组能够在设计要求环境条件下运行。 这就要求风电场各个机组极端参数也应在接入容量评估时加以考虑。 四、研究方案和技术路线课题准备通过建立反映场内电气量的简化风电场模型，利用若干配电网算例，应用随机潮流算法，计算大量采样风速样本，得到潮流统计结果，再依据系统运行指标进行风电接入容量评估。 风电场的风速因具有随机性一般是不可预测的，但是产生特定风速的概率是可以【16】。 风速概率分布一般遵循威布尔（Weibull）分布，可以按照此分布在一定估计的风速范围内抽取风速样本。 一般采用三参数Weibull分布作为随机风速模型js RsX/RRsRjXMjXsURU?sDCU1RjCXCU?2R?1exp()f v0vvvv? (1)?1exp?vF v? (2)式中v为风速；?为位置参数，表示分布曲线的起始位置；?为形状参数，?为尺度参数，0?，曲线随着?的增加变宽，反映风电场的平0?，表示曲线的形状；均风速。 考虑到场内复杂地形以及风机尾流影响，在风电场建模时也应当针对风机排列分布情况修正单台机组输入风速，使得输出结果较为精确。 由于双馈式变速恒频发电机组(DFIG)已经成为工程应用的主流机型,图1是基于DFIG的变速、变桨距控制风电机组示意图。 图1变速变桨距双馈感应风力发电机发电机组的静态等效电路如图2所示【17】。 图2DFIG静态等值电路利用叠加原理分析电路可知定转子的有功功率和无功功率的一般表达式为CR?222M1312123221312123222S3()(sincos)?()()()(cossin)?SRsSSRMMRsRMSRMSRSMMRRRRSSMMSMSMRURPRRXXXCssUUXCCC sURQXXXXXXXXXCSUUXCCC sURRRPRXXXXRXXXC ssss?12123222S312123sincos()()(cossin)?MRRMSMSRMSRMUUXCCCUQXXRXXX XXXXCsUUXCCC? (3)其中，相关系数可用发电机电器参数电气参数表示为?1222231SSSRMSRSRSMSRCRX XXXXsRCRXXXRssCCC?RRR? (4)由以上两式就可以用定子电压和转子电压、发电机转子滑差和发电机电气参数来表示定子和转子上的功率分布情况。 其中发电机参数可以从发电机厂商公布的资料中得到，电压值可以从初始潮流计算中得到。 简化的风电场模型是基于若干台发电机、风轮和轴系等参数相同的机组生成的。 这里以一个机组台数为n的风电场为例，给出一组关系式如下 （1）简化模型的视在功率（MVA） （2）简化模型的有功功率（MW）1niiSS? (5) （3）简化模型的无功功率（MVar）1niiPP? (6)Q1niiQ? (7)注意到配电网网侧波动会对场侧运行产生影响，故应当关注场内电气量变化，课题将考虑场内连接线阻抗对单台机组机端电压的影响。 由式 （3）可知，风电机输出功率有机端电压密切相关，如果忽略机端电压变化得出相应输出功率会有较大误差18。 为了描述方便，场内线路使用RL模型（忽略线路电容影响）,iiiZRjX in? (8)机组在场内联络形式一般可以分为串、并联两种，通过戴维南等效定则可以分别导出两种形式机端电压表达式 （1）串联模式下等效电压和电阻? （2）并联模式下等效电压和电阻?nPP?基于上述论述构建起适合配网分析用简化风电场模型后，就可以将其作为电源?11111itjjjtiiiinnititjjijeqneqtiiNP ZPZUUUUPP ZZPP? (9)11tiiinntitiiieqneqtiiP ZUUPP ZZPP? (10)其中tikk i。 并入配电网进行系统分析。 课题采用基于牛顿-拉夫逊法的改进随机潮流法计算并网前后系统潮流，特别针对配网三相不平衡问题给出解决方法，并根据计算结果结合相关系统运行指标给接入容量安全限度。 潮流计算初步流程如图3所示。 配网三相不平衡一般是由三相支路参数不平衡和三相负荷不平衡结构造成的。 ，课题采用参与因子法解决配网潮流计算三相不平衡问题。 根据有功网损、负荷位置和电源变电站容量等参与因子定义电源控制域概念，并基于此概念按相计算配电网潮流，如此就可以很好解决三相不平衡问题。 通过随机潮流计算，我们可以得到包含有风电场的配电网系统节点电压、支路和全网功率流动以及网损等潮流统计信息，据此得出节点电压越限、输电线功率超载及网损变化等统计概率。 有了以上计算结果，可以用系统电压限制范围，输电线载流限值，以及在满足安全运行条件下尽量满足网损较小等条件组成一组判据，同时考虑风电场内电压分布状况，亦即由场内网侧两方面入手对风电接入容量进行计算评估，具体过程如图4所示。 开始初始化风电场参数风场建模根据风速概率分布抽样风速样本风电场场端参数计算含风电场的电力系统潮流计算是否满足预设抽样次数对随机计算结果进行概率统计计算并分析结束NY图3含风电场随机潮流计算分析流程图图4接入容量计算流程图开始预设风电场接入容量（台数）预设若干可能接入系统节点数N系统随机潮流计算是否满足全系统安全条件增大风电接入容量（台数）N=N-1选择一点作为接入点修改接入点YN0?NYN取多种情况下最小值即为安全容量结束 五、课题的主要难点及拟采取解决方案在完成课题过程中，预计会遇到以下几个方面的难点1.风电场初始化时的参数计算问题当风电机组运行于同步转速时，式 （3）计算时会出现数值发散，无法得到对应机端功率。 解决此问题可以采用对式 （3）求取极值的方法，具体由式 （10）所示? (10)注意到式 （3）中量数量多于方程式数量，需引入下式补足方程式数量?1122Sxx22S202200limS?sincos()limS?sincos()limS?limS?0SSMsSMSMRRSMSSSMMSMRRRRRRXXUPU RUXRXXRRXXRUQUXXU XRXXRRUPRQ?ESESRPPQ? (11)通过对定转子中有功和无功功率表达式进行数值迭代计算，并根据式 （11）给出的控制条件，就能最终解决机组参数计算问题，进而联合场内电压分布计算完成风电场初始化问题。 2.配电网潮流计算中的三相不平衡问题目前解决三相不平衡问题的方法主要有两类第一种是基于按相计算原则，即将一个网络按照ABC三相拆分计算；第二种是引入对称分量法，变不平衡为平衡，建立系统三序等效电路，按照三相平衡状态是方法计算。 后者算法理论正确，但是由于需要完善的系统模型，特别是负荷模型进而建立三序网模型，但目前负荷模型研究还不成熟，已有的模型还存诸多问题，不能保证计算结果精确度。 故此，课题拟基于按相计算的原则加以电源控制区法修正的方式进行计算。 传统的按相计算除了存在计算量较大外，亦没有考虑风电等分布式电源接入特性，特别是此类电源接入后对系统功率流向和网损变化的影响。 课题拟引入相网损因子和电源控制区的概念，对所要计算的配网系统按照所接风电场和馈电变电站影响范围分区，计算区内各相网损因子，即两类电源对该区网损贡献率，进而得到各电源对于全网的网损贡献率。 通过对系统划分，能在提高网损计算精度同时有效降低计算复杂度，方便程序的编写。 3.安全容量判断方法课题拟选择系统节点电压越限、线路输送功率超限以及在满足前两个条件下系统网损较小等指标作为判断安全接入容量依据，依照首先保证电压、线路输送功率参数不越限为小概率事件，在此基础上寻找较低的网损时容量值即为所求安全容量。 需要说明的是，由于配电网系统电气参数之间耦合关系复杂，寻找最优判据比较困难，故拟将其列为课题研究的内容之一。 说明的是在完成课题的过程中，肯定还会遇到现在不可预测的困难。 但是在老师的帮助下一定能够找到解决困难的方法，最终顺利完成课题研究。 六、预期研究结果1.建立适用于配电网分析的中小规模风电场模型2.利用改进随机潮流算法全面分析含风电场的配电网系统，最大程度反映包含风场在内的全系统运行状态3.能够根据基于概率统计结果的安全容量判据给出配电网系统风电接入容量问题，为具体工程实践提供参考。 七、参考文献1国家电网公司.各区域电网装机容量EB/OL.sg.xx-05-082Global WindEnergy Council.GWEC ReleaseGlobal WindxxReportEB/OL.gwec.xx-04-013IEA annexXXI.Dynamic modelsof wind farms forpower systemstudiesR.SINTEF.4Pller M.Doubly fedinduction machinemodels forstability assessmentsof wind farmsC.Bologna:IEEE Powertech conference(proc.),xx.5田春筝，李琼林，宋晓凯.风电场建模及其对接入电网稳定性的影响分析J.电力系统保护与控制，xx，37 （19）46-516Akhmatov V.Analysis ofdynamic behaviorof electricpower systemswith largeamount of wind powerD.Rsted-DTU Technische.Universiteit ofDenmark,xx7Akhmatov V,Knudsen H.Modeling andtransient etabilityof largewindfarmsJ.Electrical Powerand EnergySystem,xx，25 (1),123-144.8Achilles S,Pller M.Direct drivesynchronous machinemodels forstability assessmentsof windfarmsC.Billund:4th internationalworkshop onlarge-scale integrationofwindpower andtransmission worksfor offshorewindfarms(Proc.),xx.9雷亚洲与风电并网相关的研究课题J电力系统自动化，xx，27 (8)84-8910Ackermann TInteraction betweendistributed generationand thedistribution workoperationaspectsCIEEE PowerEngineering SocietyTransmission andDistribution Conference，Asia Pacific，xx，21357-136211Costa PMLoss allocationin distributionworks with embedded generationJIEEE Transon Power Systems，xx，19 (1)384-38912J.Mutale，G.Strbac，S.Curcic andN.JenkinsAllocation oflosses indistribution systemswithembeddedgenerationJIEE Proceedings-Generation，Transmission andDistribution，2000，147 (1)7-1413赵海翔,关宏亮,范高锋,戴慧珠.基于静态安全和稳定约束的地区电网接入风电容量算法J.中国电力,xx,40 (3):79-83.14李强，张洋，宋晓凯.风电场接入电力系统容量的研究J.电力系统保护与控制,xx,36 (16):20-24.15王海超，