1、硕士学位论文大量风电并网后华北电网适应性的研究Adaptability of North China Power Grid after A large number of wind power integration于啸2010 年 12 月国内图书分类号：TM 614 学校代码：10079国际图书分类号：621.3 密级：公开 硕士学位论文大量风电并网后华北电网适应性的研究硕士研究生 ： 于啸导 师 ： 常鲜戎教授申请学位 ： 工学硕士学科 ： 电气工程专业 ： 电力系统及其自动化所在学院 ： 电气与电子工程学院答 辩 日 期 ： 2011 年 3 月授予学位单位 ： 华北电力大学Class
2、ified Index: TM614 U.D.C: 621.3 Thesis for the Master DegreeAdaptability of North China Power Grid after A large number of wind power integrationCandidate： Yu XiaoSupervisor： Prof. Chang XianrongSchool： School of Electrical and Electronic EngineeringDate of Defence： March, 2011Degree-Conferring-Inst
3、itution： North China Electric Power University华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大量风电并网后华北电网适应性的研究 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日华北电力大学硕士学位论文使用授权书大量风电并网后华北电网适应性的研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完
4、成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“” ）：保密，在 年解密后适用本授权书不保密作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要 I摘 要作为一种可永久续用的清洁能源，风能得到了越来越多的重视，然而由于风速的不可控性且难以准确预测，风力发电具有很强的随机性，风电
5、场出口母线降低到一定程度时发电机会表现出与稳态时不同的运行状态甚至脱网运行。因此，准确的分析并网运行的双馈型风力发电机组对电网安全稳定运行的影响是十分必要的。本文首先介绍了双馈发电机组的结构与原理，对 PSASP 中双馈风机模型进行了分析，提出了风机关键参数并对其进行了灵敏度分析，分析了这些参数的物理意义。随后结合两次工业试验即风电场投切电容器试验与风电场 35kV 母线三相短路试验实测数据进行分析，并应用风电场 35kV 母线三相短路试验数据对 PSASP 中双馈风机模型的相关参数进行了修正，使仿真曲线更加逼近实测曲线从而提高了变速风电机组仿真模型的准确度。最后利用华北电网 20112012
6、 年规划数据展开风电入网的安全稳定控制分析，考察了华北电网中风电装机容量较多、受风电影响较大的内蒙外送通道和张家口电网安全稳定性，提出了保证电网故障后电网维持稳定运行的措施，研究了提高系统稳定水平的控制方法，并对风电并网运行的电网小扰动稳定问题进行了研究，分析了华北电网存在的主要振荡模式及风电并网运行对其的影响。关键词：双馈型风力发电机；PSASP；工业试验；模型验证；安全稳定分析AbstractIIAbstractWind energy is gaining more and more attention.However, due to the uncontrollable of wind,
7、 wind power is difficult to predict, When the wind farm exports bus down to a certain extent， generator will show a different operating with the steady-state even off-grid operation. Therefore, the accurate analysis of the double-fed wind turbine operation on the impact of network security and relia
8、bility is essential.First, this paper introduces the structure and principle of double-fed generator and analyses the doubly-fed wind turbine model in PSASP, the key parameters of the wind turbine were proposed and the sensitivity analysis of these parameters was carried out. the physical meaning of
9、 these parameters was analyzed.Second, wind farm capacitor test and wind farm 35kV bus three-phase short circuit test were introduced. Relevant parameters were modified according to the data of wind farm 35kV bus three-phase short circuit test. The simulation curve is closer to the measured curve, s
10、o the accuracy of the DFIG model was improved.Finally, wind power networks security and stability control are analyzed under the North China Power Grid 2011 to 2012 planning data. The effects of power transmission passage-way of Mongolia and Power Grid of Zhangjiakou in security and stability was an
11、alyzed. The measures to maintain stable operation after failure was proposed. The methods to improve the level of system stability was studied. And the power grid of small signal stability problem was studied, and the main oscillation mode of the North China Power Grid And the effects of wind power
12、was analyzed.Keywords: Double-fed wind generator； PSASP；Industrial test； model validation; Security and stability analysis目 录 i目 录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪 论 .11.1 课题的选题背景与研究现状 .11.1.1 风电机组建模研究 .21.1.2 风场试验及仿真对比分析研究 .21.1.3 风电并网后对电网运行的影响分析研究 .31.2 课题的主要研究工作 .41.2.1 风电场扰动试验分析 .41.2.2 风电机组模型分析 .41.2.3
13、风电机组外特性仿真分析 .41.2.4 风电接入华北电网后的安全稳定控制研究 .5第 2 章 PSASP 双馈风电机组模型分析 .62.1 双馈型风力发电机的结构与原理 .62.1.1 双馈风电机组的结构 .62.1.2 双馈型风力发电机工作原理 .72.1.3 双馈风电机组矢量控制技术 .82.2PSASP 双馈风机模型介绍 .82.1.1 发电机与变频器模型 .92.1.2 电气控制系统模型 .102.1.3 风力机模型 .112.3PSASP 双馈风机模型参数灵敏度分析 .11第 3 章 风电场试验及仿真分析 .143.1 风电场 35kV 母线投切电容器试验 .143.1.1 中节能港
14、建单晶河风电场调研 .143.1.2 系统运行方式 .153.1.3 试验录波结果 .163.1.4 风电场投切 24MVAR 电容器仿真分析 .193.2 风电场 35kV 母线进行三相短路试验 .203.2.1 中节能满井风电场调研 .203.2.2 系统运行方式 .213.2.3 试验录波结果 .22目 录 ii3.2.4 风电场三相短路试验仿真分析 .24第 4 章 大规模风电接入后电网安全稳定研究 .284.1 风电接入电网后稳定分析 .284.1.1 计算条件 .294.1.2 内蒙外送能力稳定分析 .304.1.3 张家口电网安全稳定分析 .344.1.4 小结 .344.2 风
15、电接入电网后提高电网稳定水平的控制措施研究 .354.3 风电接入电网后小扰动安全稳定控制研究 .374.3.1 风电机组正常出力方式下小扰动稳定分析 .384.3.2 风电机组不出力方式下小扰动稳定分析 .394.4 本章小结 .39第 5 章 总结 .415.1 研究结论与成果 .415.2 进一步工作的展望 .41参考文献 .42攻读硕士学位期间发表的论文 .46致 谢 .47华北电力大学硕士学位论文 1第 1 章 绪 论1.1 课题的选题背景与研究现状随着国际上风电技术和装备水平的快速发展，风力发电已经成为目前技术最为成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源技术。华北地区风力资
16、源丰富，境内内蒙古自治区和河北省均为风能资源富集地区，其中内蒙古自治区风能资源可开发量高达 1.5 亿千瓦，约占全国陆地风能资源可开发量的50%。河北省风能资源丰富，总储量达 8690MW，是全国风能资源较丰富的省区之一，风能开发前景可观。近年来华北地区风电迅速发展，截止 2009 年底，华北电网风电装机达到 2800MW，约占全国风电装机总量的 23.3%，风电在华北电网电源装机比例达到 1.8%。河北省风能资源主要集中在张家口、承德和沿海地区。张家口坝上地区和承德地区位于内蒙古高原的南缘，地势平坦，境内多为低山丘陵和高原台地，平均风速可达 5.4-8m/s，风能资源丰富；东部沿海的秦皇岛、
17、唐山、沧州等东部沿海地区年平均风速为 5m/s 左右，属于风资源的次丰富区或可利用区，距离京津唐电网负荷中心较近，地理条件优越，具备开发大型风电基地的资源天赋和地理条件。然而，风电机组并网容量的不断增加将给电网的安全经济运行造成诸多不利影响，引起电网规划、设计、生产、运行等部门的广泛关注，如何认识风电机组的运行并网特性是目前电力运行调度部门面临的急切问题 1-6。目前，从全国范围风电接入电网状况来看，风电机组运行与常规水电、火电机组相比，具有以下几个特点。首先，无功调节能力不强，如恒速恒频异步风机（简称“常规异步风机” ）仅能通过调整、投切电容器，使其等效功率因数接近 1.0；变速恒频双馈异步
18、风机（简称“双馈风机” ）能提供一定动态无功支持，但通常采用恒定无功控制方式，其无功调节能力有限。其次，有功出力随风速变化而随机波动。一方面，风电场有功波动引起沿线无功损耗变化，导致系统电压波动，且难以控制；另一方面，其潮流波动对同一送电通道上的常规火电机组而言，相当于扰动源，可能引发低频振荡。此外，风电机组的电力电子设备所设置的保护门槛比较灵敏，而且在我国的一些地区，风电机组的低电压穿越功能模块大都没有投入，在电网发生扰动时风机可能自动脱网。若出现大容量风机脱网，引起系统过电压，可能导致常规火电机组励磁系统控制切换为恒定无功控制，一些自动电压调节器功能可能被屏蔽，系统静态、动态稳定水平显著降
19、低，可能引起系统振荡事故。因此，风电场接入系统的分析是风电场规划设计和运行的必要步骤，大量华北电力大学硕士学位论文 2文献对风电并网后系统安全稳定控制问题进行了讨论，热点研究内容主要有以下几方面：1.1.1 风电机组建模研究随着风力发电机技术的发展，无论是风力发电机的单机装机容量，还是风力发电在电力市场中所占的比例都在不断的提高，与此同时，电力系统对风力发电的要求也在不断的完善和提高，越来越多的学者开始关注风电并网及其稳定性研究问题 7-12。为了反映风电机组、风电场与电力系统的相互作用，建立能够准确反映风电机组特性的模型至关重要，因此，对风电机组建模分析成为风电研究中的一个重要领域。文献13
20、-16中对异步发电机模型进行了研究。文献13，14使用异步发电机状态方程中忽略了定子磁链的暂态过程的三阶模型来分析风电机组并网的暂态特性；文献15 考虑了桨距角控制系统的时间延时常数，风电机组的轴系模型则按照单质量模块考虑；文献16建立了异步风电机组的开环传递函数模型，通过开环频率响应来分析系统的动态特性，评价系统对机组参数的敏感性。文献17-23中对双馈感应发电机建模问题进行了探索。文献17-18中的双馈机组模型相对简单，没有考虑变频器及各类控制器模型。文献19详细推导了双馈变速风电机组的轴系模型和发电机模型，同时给出了单质量块与双质量块轴系模型，在双馈感应发电机模型中对定子暂态过程进行了分
21、析。文献20在转子磁通的幅值和矢量控制方案基础上，建立了包括电压调整、频率控制以及机组稳定控制等控制环节的数学模型，较为全面地描述了双馈变速风电机组所有控制功能。文献21-23 讨论了变速风电机组参数优化问题，提出了控制器参数设计原则和方法。目前，在电力系统风电仿真研究中广泛使用的国内外风电程序主要有美国商用软件 PSS/E、国内研制开发的风电软件 BPA、PSASP，以及德国西门子公司开发的软件 DlgSILENT/PowerFactory。其中，前三个软件（PSS/E、BPA、PSASP）为机电暂态仿真程序，具有相近的双馈风机模型，均依据变频器控制的高速响应特性而忽略发电机转子磁链动态过程，进而将风机等效为受控电流源。因此，模型相对简单，多用于研究风机并网后对系统机电暂态稳定特性的影响 24-27。1.1.2 风场试验及仿真对比分析研究目前，国内外专家对风电机组联网运行特性虽作了大量的研究，但在这一领域还缺乏实际的现场扰动试验来验证有关研究成果。现场试验是检验仿真模型的重要手段，通过对比分析仿真结果与实测结果可以校验仿真软件的有效性
