风力发电并网分析

1、 新型风电并网技术 题 目：新型风电并网技术 姓 名：马崟 班 级：2013级自动化4班 学 号：2013550413 日 期：2015年12月8日 摘 要 随着我国大规模风电基地的建设，风电已成为一种最有前景、技术较为成熟的新能源。我国幅员辽阔横跨亚洲西部至东部，风能资源丰富，政府对环境保护日益重视，发展新型能源刻不容缓。所以由于最近几年政府对风力发电的大力支持，风电激素发展迅猛。截止到2015年初，黑龙江省风电总装机容量为1000余万kW，比2014年底增长至300多万kW。 风电是一种清洁能源，但风是随自然条件变化的，风速与风向的随机变化、不可控、不可调的特征，造成了风力发电机组出力的随

2、机性和间歇性。然而，电网必须按照发电、供电的一定规律连续、安全、可靠、稳定地向客户提供频率、电压优质的电能。但由于风电的随机性不稳定性和传统并网技术的局限性，我国每年有百分之40以上的风电不能并网，造成能源浪费的现象。基于此问题一种新型的风电并网技术诞生了柔性直流输电技术。关键词：风电、电能质量、并网、柔性直流输电。 目 录1 风电对电网的影响311 风电对电网稳态频率的影响312 风电对电网动态电压特性的影响32 风电场电能质量技术规定43 预测分析风电场对电网产生的电能质量影响实例431 风电场布置情况432 风机运行情况44 柔性直流输电技术74.1柔性直流电的原理74.2柔性直流输电技

3、术的研究现状74.2.1 高压大容量电压源变流器技术74.2.2多端柔性直流输电技术104.3柔性直流输电技术的应用规划124,3.1国外应用规划124.3.2国内应用规划135 结论161 风电对电网的影响 风电场接入电网后，向电网提供电能时会给电网的运行带来一些负面影响。随着风电场装机容量的加大和风电装机容量在电网中所占比例的增加，风力发电的定性问题会加大电网负荷预测管理的难度，从而使电网的调度和运行方式进一步复杂。特别在电网的频率控制、电网的电压调整、电网的潮流分布、电网的电能质量及电网对故障的控制水平和电网的稳定性等方面造成的影响不可忽视。11 风电对电网稳态频率的影响 间歇性和不稳定

4、性是风能的显著特点，风速是影响风电场发电出力波动的主要因素。由于风电场的集中建设和装机容量在系统中所占比例不断增加，因此大风速扰动会使系统的电压和频率产生较大影响，甚至危及系统稳定；另外，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扰动条件下停机，这不仅会给风电场带来经济损失，也可能影响系统稳定。12 风电对电网动态电压特性的影响 风电场风速扰动除引起风电功率的波动外，还将导致电网电压的波动，特别是阵风和渐变风的影响。波动的幅度不但与风电功率大小有关，而且与风电场分布和变化特性等有关。目前并网运行的风力发电机组部分是异步发电机，机组启动时从电网大量吸收无功，并

5、网瞬间产生的冲击电流为额定电流的23倍，造成电网电压水平降低。随着风电机组无功补偿电容器组的相继投人，电网电压将逐渐得到恢复，但脱网时又将引起电网电压升高，严重时电压升高超过10 ，特别是在突发事故时，情况更为严重。2 风电场电能质量技术规定 目前，风力发电在电网中所占比例不断提高，正在由小规模、分散开发、就地消纳，逐步向大规模、集中开发、远距离、高电压输送方向发展，国家电网公司颁布了【2009】1465号文件，规范风电场并网工作，指导风机设备制造和风电场建设，促进风电科学、健康、可持续发展，确保风电场和电网安全稳定运行。3 预测分析风电场对电网产生的电能质量影响实例31 风电场布置情况 某风

6、电场装设33台1 500 kW 风机，容量为495 MW，采用华锐风电科技有限公司配套生产的FL150077型风力发电机，属变速变浆距型风力发电机，每台风机由各自配置的容量为16 MVA升压变压器将机端电压(690 V)升至35 kV后汇集到35kV汇流母线上，再通过升压站容量为1台55 MVA的升压变压器(3566 kV)接人系统运行，66 kV主接线采用线路变压器组接线方式，线路导线截面为240 mm ，长度约为11 km。其升压站35 kV母线装设无功补偿电容器组。32 风机运行情况 FL150077为三叶片、水平轴式风力发电机组，采用变速变桨双馈的发电技术，风力发电机机组转速可变，切人

7、风速为30 ms，切出风速为20 ms，在此风速之间以最佳效率运行。当风速达到1 1 mS时，达到其额定输出1 500 kW，风速在1120 ms范围内，风力发电机组保持恒定的输出功率。为了把不同的风速和风向变成恒定的输出功率，一方面，各个叶片可以按照风向进行调节，另一方面，整个机舱可以按照风向的不同进行偏航调节。从20 rmin开始(电机转速通过1：1041齿轮箱与风机连接)，发电机可运行于恒转矩工作模式，使系统运行于恒负载状态下，阵风的影响不会传递到电网上。极限速度以下的风力发电机组速变无需频繁的桨矩调节，其功率曲线如图1所示。 该风力发电机组采用双馈感应发电机(DFIG)，DFIG的定子

8、直接连接在三相电网上，电压源型IGBT变频器控制转子部分(实际所配的变压器容量为1 600 kVA)。DFIG拥有类似同步电机的控制性能，转子侧逆变器的控制参量为转矩和励磁。其中励磁分量控制定子侧的无功分量。双馈发电机功率流如图2所示。双馈发电机组有以下几个特点：a转子绕组通过变频器与电网相连，实质上是1个有源网络，其电流由2部分组成：气隙磁场在转子绕组感应电压和变频电源提供的电压。b电机磁场由定子和转子共同励磁。C定子、转子侧的输出功率不仅由原动机来调节，还要通过调节转子电流的频率幅值及相位来实现。d电机通过定子和转子与电网进行功率交换，如果电机在次同步转速运行，转子就吸收有功功率，即定子发

9、出的有功功率将有部分进入转子回路来建立励磁和调解转矩；如果电机运行在超同步转速，转子就会发出有功功率，即电机发出的有功功率来自转子和定子。e该类型机组根据需要，功率因数可在额定电压下最大达到容性095或感性095。fDFIG在并网前有1个与系统间同步化过程，即通过控制装置调解风电机组的励磁电流，使定子电压与电网电压幅值相同、相位相同，再通过接触器与系统相连，其并网过程理论上是无冲击的。4 柔性直流输电技术4.1柔性直流电的原理 柔性直流输电技术（Voltage Sourced Converter, VSC）是一种以电压源变流器、可关断器件（如门极可关断晶闸管（GT

10、O）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。国外学术界将此项输电技术称为VSC-HVDC，国内学术界将此项输电技术称为柔性直流输电，制造厂商ABB 公司与西门子公司分别将该项输电技术命名为HVDC Light 和HVDC Plus。与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，柔性直流输电技术在高压直流输电领域受到越来越广

11、泛的关注及应用。传统的低电平VSC 具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器等缺点，而且存在串联器件的动态均压问题；多电平变流器提供了一种新的VSC 实现方案。它通过电平叠加输出高电压，逼近理想正弦波，输出电压谐波含少，无需滤波设备。 4.2柔性直流输电技术的研究现状 4.2.1 高压大容量电压源变流器技术 a. 模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC） 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 2 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压

12、通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。图2 模块化多电平变流器拓扑示意图 b.混合多电平技术（Hybrid Multilevel Technology, HMT） 另一种可被应用于柔性直流输电系统的变流器叫混合多电平变流器。该技术将开关器件和半桥或全桥构成的多电平单元组合构成一种新的变流器拓扑；由多电平单元产生电压波形，再由串联的开关器件将电压波形接入交流或直流网络。混合多电平变流器的一种典型的电路拓扑如图 3 所示，每一相由 IGBT

13、 与多电平单元串联构成桥臂。该拓扑可以实现串联 IGBT 的零电压动作，同时多电平单元可以降低串联 IGBT的电压应力，从而减少 IGBT 的串联个数。图3 混合多电平变流器拓扑示意图 c. 两电平级联型变流器（Cascaded Two-Level Converter, CSL） 两电平级联型变流器的原理和模块化多电平变流器类似，使用另一个名称是为了强调换流阀中使用了串联压接式 IGBT。两电平级联型变流器利用 IGBT 压接技术将两电平电压源型变流器扩展到级联型多电平变流器。典型的拓扑如图 4 所示，每相拓扑分为两个桥臂，分别与直流母线的正负极相连。每个桥臂由多个两电平单元构成，每个单元可独

14、立控制以产生需要的交流基波电压，实现对有功功率和无功功率的输出控制。图4两电平级联型变流器 d.大规模多节点模块化多电平系统实时动态仿真技术 实时数字仿真系统已广泛应用于传统超高压系统的在线仿真研究，这类数字仿真系统硬件通常采用基于共享存储器的多 CPU 并行计算机，核心程序包含丰富的电力系统及控制系统元器件模型。以 RTDS 为例，其仿真步长为20-70微秒，包含的数据转换软件能将PSS/E和EMTDC格式的数据和模型转化为RSCAD格式，可实时仿真大型交直流混合系统的电磁和机电暂态现象。 但对基于 MMC 的柔性直流输电系统来说，由于其变流器由数百甚至数千个独立控制的电压源子模块组成，在运

15、行过程中，每个子模块的投切都是随机的，难以对其出口特性进行等值，且求解等值网络变量的导纳矩阵规模过大,精度难以保证。此外，变流器每个子模块与阀基控制设备之间通过独立的光纤进行通信，信道多、数据量大，难以通过现有的仿真接口进行转换，因此需要开发新的仿真系统。 在此背景下，中国电力科学研究院开发了双站多电平 MMC-HVDC 系统的动模仿真平台的研究。该系统可用于精确验证具有较多电平数(40 以上)换流阀的 MMC-HVDC 系统及控制保护平台设计，从而检验工程的主电路参数设计、控制器性能和交直流系统的动态特性。动模仿真平台主要由换流站交直流场(包括换流变压器、交直流开关场)、多电平电压源变流器、

16、交直流线路数模转换接口、阀基控制器 VBC 等组成。 动模仿真平台的创新有：以弱功率电子器件实现了对大功率 MMC 子模块的模拟，具有优良的外特性和控制性能； 首次实现了 49 电平调制的模块化多电平变流器； 实现了对 VBC和 PCP的实时闭环在线验证； 实现了对电压电流平衡控制算法的验证；实现了对启停控制流程、运行方式切换的试验；实现了对直流和交流故障控制保护算法的验证。 基于通过对双端柔性直流输电工程的故障态仿真，得出了相应的试验结果，并与电磁暂态仿真软件PSCAD 的仿真结果进行了对比，证明了该系统为 MMC-HVDC 的动态特性和控制保护平台提供实时在线验证的有效性。4.2.2多端柔

17、性直流输电技术 多端直流输电系统(Multi-Terminal Direct Current，MTDC)是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统，其最显著的特点在于能够实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活、快捷的输电方式。传统的 MTDC 输电系统采用基于晶闸管的电流源型变流器，其只能依靠电网电压的过零变化换流，只能工作在有源逆变状态，且需要电提供大量的换相所需无功功率，这些固有缺陷大大影响了整个 MTDC 系统的运行性能，降低整个 MTDC 系统的适用范围。图5 三端柔性直流输电系统示意目前国际上关于多端柔性直流输电系统的研究中，不同应用场合下的变流器设计是一个研究热点,包括：建

18、立多端柔性直流系统的动态模型；多种基于坐标变换的控制器设计和仿真验证；在各种应用场合多端柔性直流的仿真精度的提高和仿真时间缩短等方面。 柔性直流输电技术由电压源型变流器构成， 其对交流侧故障的鲁棒性较强； 当发生交流侧永久故障时，多端柔性直流输电系统在设计时一般已满足 N-1 法则，可以通过故障换流站退运，以达到新的稳定运行状态，此时需要注意的是过渡过程中直流线路的过压抑制。当故障发生在直流侧则有很大不同，由于 IGBT反并联二极管的续流作用，会对换流阀产生很大的冲击。 国内学者对多端柔性直流输电技术的研究主要集中在系统控制保护策略设计及其仿真验证等方面。与国际先进水平相比，我国对多端柔性直流

19、输电技术的研究尚存在较大差距。一方面，研究内容不够全面；另一方面，已有研究开展不够深入。目前的研究成果鲜有从基本数学模型入手，以建立多端柔性直流输电各子系统模型及整体模型为基础，系统地讨论控制器结构及设计思路。而对柔性直流输电保护技术的研究一般都是基于双端系统，以稳定运行时离散控制器为基础，通过设计双序电流控制器，实现柔性直流换流站在交流侧暂态故障期间的持续运行，然而对直流侧故障时多端柔性直流系统的运行特性的研究并不多见。 多端柔性直流输电技术的研究可以参照双端系统已有成果，在此基础上建立基于不同变流器技术下多端网络的等效数学模型；对比分析不同控制策略下各换流站外特性；设计满足系统稳定运行的多

20、端柔性直流输电系统协调控制策略； 系统地研究多端柔性直流输电系统交直流侧故障特性以及相应保护动作机制。4.3柔性直流输电技术的应用规划 截至 2011 年 8 月，世界上已经投运的柔性直流输电工程共有 13 条，仅 2011 年就已投运 3 条，在建柔性直流输电工程 12 条。而目前在的柔性直流输电工程最大工程输送容量已达到 2000MW，总输送容量超过 10000MW，相当于前十几年已建工程容量的 4 倍多，这些工程均显示了发达国家对于柔性直流输电在可再生能源利用和智能电网发展中所起作用的重视。 4,3.1国外应用规划 欧洲的多个国家都已经建设和规划了大量的海上风电场，其容量都在数百兆瓦等级

21、，并且已经有部分使用了柔性直流输电技术实现系统的接入。英国国家电网输电公共有限公司（NGET plc）规划到 2025 年建设柔性直流近 50 条，以鼓励和促进新能源的发展。目前德国在建用于海上风电接入的柔性直流输电项目共 4 项，总容量约 2600MW。北欧地区规划到 2030 年通过多端柔性直流（MTDC）实现海上风电的接入，柔性直流输电被认为是最适合的实现手段。图 6 英国柔性直流规划 图7 北欧地区海上直流线路规划美国电科院（EPRI）也推出了其智能电网的发展规划蓝图，在未来 20年，美国计划建设 60 多条柔性直流输电线路。图 8 美国地区发展规划4.3.2国内应用规划 截止 2010 年我国风电装机容量超过 3000 万千瓦，预计 2020 年将突破 1.5 亿千瓦。这些风能资源集中度高，并且很多都远离负荷中心，需要使用先进的输电技术进行并网接入和电力传输。柔性直流输电技术以其显著的技术特点和优势必将取得越来越