风电并网对系统稳定性的影响及改善措施研究.docx
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风电并网对系统稳定性的影响及改善措施研究
国内图书分类号:
TM
国际图书分类号:
621
硕士学位论文
风电并网对系统稳定性的影响
及改善措施研究
硕士研究生:
康潇
导W-尹忠东教授
申请学位:
工学硕士
学科:
电气工程
专业:
电力电子及电力传动所在学院:
电气与电子工程学院答辩日期:
2011年2月授予学位单位:
华北电力大学
ClassifiedIndex:
TM47
U.D.C:
621.38
ThesisfortheMasterDegree
ResearchontheEffectofGrid.ConnectedWindFarmsonPowerSystemStabilityandImprovementMeasuresCandidate:
KangXiao
Supervisor:
Prof.YinZhongdongSchool:
SchoolofElectricalandElectronic
Engineering
DateofDefence:
February,2011Degree-Conferring-Institution:
NorthChinaElectricPowerUniversity
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《风电并网对系统稳定性的影响及改善措施研究》,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:
像寿1日期:
土一l1年z月昂日华北电力大学硕士学位论文使用授权书
《风电并网对系统稳定性的影响及改善措施研究》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,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本,同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,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、缩印或扫描等复制手段保存、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“√”):
保密口,在年解密后适用本授权书
不保密日
作者签名:
麻痹1日期:
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华北电力火学硕卜学位论文
摘要
大规模风电机组的接入是在工业化国家中现代电力系统的一大特征。
风力发电目前是绿色能源发电的最大来源,因为风力发电与其他对自然环境基本没有破坏的能源相比效率最高。
风力发电技术是能够替代传统能源的目前较有前途的技术,但其对接入电网的运行稳定性的影响还是目前存在的有待解决的重要问题。
本篇论文从以下几个方面论述了风电并网的一些问题:
首先,概括的论述了风电并网的一些问题,如采用集中的风力发电要比单个的风力发电更能改善并网的稳定性:
风电并网对系统各方面的影响;风力发电对原系统保护会产生的各种问题及一些并网的技术要求。
其次,现代的风电场多采用变速恒频风力发电机组,其中双馈异步风力发电机组是应用最为广泛也是现代的主流机型。
本论文从双馈异步机的基本结构出发,分析了它的静态模型和动态模型。
最后通过PSCAD仿真进一步验证了其特性。
然后,分别讨论了双馈异步风力发电机组并入电网后其与电网之间的静态稳定性、动态稳定性和暂态稳定性,以及会对系统原有保护产生的不利影响。
并通过PSCAD仿真和算例验证了各种不同稳定性中存在的问题。
最后,从系统中的线路保护和原有的同步发电机保护方面讨论了应采取的措施和提高系统稳定性的一些措施及采用FACTS柔性输电改善风电并网所带来的一系列问题的好处。
关键词:
风电并网;双馈异步风力发电机组;电力系统稳定性;系统继电保护;
powersystemfromthefollowingaspects:
First,Asurveyofsomeproblemmatwindpowergenerationconnecttothepowersystem.Forinstance,centralizedwindpowergenerationsaremorestablethansinglewindpowergeneration;grid-connectedwindfarmsaffectthepowersystemstability.;grd・-connectedwindfarmsaffecttheprotectionsysteminpowersystem;grid-connectedwindfarmshavesometechnicallydemanding.
Second,up-to—datewindfarmsmostlyadoptvariablespeedconstantfrequencywindturbine.Doubly-fedvariablespeedconstantfrequencywindturbineisextensivelyusedandismainstream.Thepaperbydiscussingdoubly-fedvariablespeedconstantfrequencywindturbineconstruction,analyseit’Sstaticmodel,dynamicmodelandthepropertyofpowerregulation.FinallyitiSVerifiedbytheresultsofPSCADsimulations.
T11ird,discussionthestaticstability,dynamicstabilityandtransientstabilityarebetweendoubly-fedvariablespeedconstantfrequencywindturbinegridinterconnectionandthepowersystem.Analysetheeffectofdoubly-fedvariablespeedconstantfrequencywindturbinegridinterconnectiontotheprotectionsysteminthepowersystem.FinallyitisverifiedbytheresultsofPSCADsimulationsandnumericalexamples.
Intheend,discussionitshouldtakemeasuresthatlineprotectionandprimarysynchronousgeneratorinthepowersystem.Analysesomewaystoenhancesystem
andadoptFACTSflexibleexchangetransmissionCanslovesomeproblemthatfarmsconnecttothepowersystem.
Keyword:
windpowergridintegration,DFIG,stabilityofpowersystems,
systemIlwindreliabilityprotection
华北电力人学硕l’学何论文
目录
摘要…………………………………………………………………………….IAbstract..................….......................................................…................II第1章绪论……………………………………………………………………………..11.1风电发展现状及长远规划………………………………………………………..11.2国内外风电技术发展情况………………………………………………………..21.3风电在电网中的角色和对电网的影响…………………………………………..41.3.1风电的波动性及其在电力系统运行中的特点………………………………。
41.3.2风电对系统稳定性的影响……………………………………………………..51.4课题研究内容及意义………………………………………………………………5第2章风电并网概论…………………………………………………………………..62.1大规模集中风力发电……………………………………………………………..62.1.1采用大容量风电场……………………………………………………………..62.1.2增大风电场面积………………………………………………………………..62.2风力发电并网的基本问题………………………………………………………..62.2.1对负荷电压的影响……………………………………………………………..72.2.2可并入电网的特性……………………………………………………………..72.3风力并网对电网的影响…………………………………………………………..82.3.1对备用容量的影响…………………………………………………………….82.3.2对系统参数的影响……………………………………………………………..82.4风力发电对系统继电保护的影响………………………………………………..92.4.1会导致自动重合闸不成功…………………………………………………….92.4.2会使已设定好的保护范围缩小………………………………………………..92.4.3使系统中配置的继电保护装置误动作……………………………………….92.4.4短路电流超标………………………………………………………………….92.5本章小结…………………………………………………………………………10第3章双馈异步风力发电机组………………………………………………………113.1基本结构………………………………………………………………………….113.2双馈异步发电机模型…………………………………………………………….12
4.4本章小结…………………………………………………………………………47第5章风电场接入系统保持系统稳定性的措施……………………………………485.1系统振荡问题……………………………………………………………………485.1.1风场提供的振荡电流及振荡电压问题………………………………………485.1.2自适应过电流保护…………………………………………………………….495.2系统频率异常保护……………………………………………………………….505.3系统保护方案……………………………………………………………………5l5.3.1失步保护……………………………………………………………………….525.3.2风电场配备低电压穿越能力…………………………………………………525.3.3系统中原有保护定值更改……………………………………………………535.3.4柔性交流输电…………………………………………………………………545.4本章小结………………………………………………………………………….58第6章结论与展望……………………………………………………………………59
华北电力大学硕十学位论文
参考文献………………………………………………………………………………..61攻读硕士学位期间发表的论文及其它成………………………:
…………………….64致谢………………………………………………………………………………………65V
华北电力人学硕f‘学化论文
第1章绪论
1.1风电发展现状及长远规划
社会的发展和生产力的进步使人类对化石能源的依赖越来越大,环境污染、全球气候变暖等问题随之出现。
化石能源已被大量的开采,人类面临着能源危机的挑战,为了保护环境、抑制全球气候变暖、保障能源安全、维护人类社会的可持续发展,世界各个国家开始重视对可再生能源的开发和利用。
风力发电被看作是其中最廉价、最有发展潜力、技术相对成熟的绿色能源。
进入20世纪90年代,世界各国为了应对全球性的能源危机和温室效益,加强了对可再生能源的开发利用,并且提供了大量的优惠政策,风电进入了快速发展时期。
20世纪80年代末90年代初出现了100kW以上的商业化机组,到90年代中期出现了兆瓦级的商业化机组。
如今,已经出现了6---7MW的大型机组。
随着大型机组技术的成熟,风电的装机规模也大幅增长。
1995-,-.2008年,全球风电装机容量增长了33.17倍,年均增长28.4%t11。
近年来全球的风力发电迅速发展,无论在发展规模还是发展水平上,都有了很大的提高。
从国际风力发电技术发展的趋势来看,风力发电机组单机容量越来越大,陆地风力发电机组主力机型单机容量在1.5MW、2MW,近海风力发电机组的主力机型单机容量多为3MW以上。
发电机类型从定桨距失速型风力发电机发展到了变桨距变速恒频运行的双馈感应发电机和直驱型风力发电机。
随着风力发电机组单机容量的提高和控制技术的发展,风力发电系统也从原来的户用分布式能源向集中式大规模风电场发展。
目前我国风力发电还处在起步阶段,风力发电机组装机容量占总发电量的比重还比较小,但随着国家能源需求的不断扩大,风力发电在我国的发展速度日益加快,尤其是兆瓦级风力发电机组的引进,新建风电场规模的成倍增长,我国风力发电的规模化发展将很快到来。
权威统计数据显示,2007年风电装机容量新增3300MW,超过以往20多年的累计装机容量,是2006年新增装机容量1340MW的两倍多,达5900MW;2008年我国风电场建设“井喷式"增长的基本情况仍然持续。
但我国风电产业仍处于发展初期,产业基础薄弱、自主创新能力不足、产业体系不尽完善,这种“井喷式’’发展在一定程度上会加剧风电产业发展的风险。
随着机组单机容量的不断增大,其相应的体积、重量等都大幅增大,不仅给运输、吊装带来困难,而且随着单机容量的增大,需要采用一些新型的技术,比如变桨距调节技术、高叶尖速比技术、柔性传动技术等,其对应的发电形式也有所不同:
失速型、双馈型、直驱型、半直驱型等。
单机容量设计多大最为合理,业界还未有共识,或者该依据哪些因素柬确定某地到底安装何种机组最为合适,是风力发电领域的一大
:
I
华北电力人学硕十学位论文
难题。
与之对应,由风力发电机组组成的风电场所发电量与电网之间的比例关系到底多少最为合理,国内外学者也没有一个统一的定论,这也是当今的一大难题,制约着我国风力发电产业的发展。
1.2国内外风电技术发展情况
全球风能理事会预测,未来全球风电还将保持20%以上的增长速度,到2012年全球风电装机容量将达到2.4亿kW,年发电5000亿kW,风电约占全球电力供应的3%。
其中,欧洲、亚洲和北美市场的风电装机容量预测分别为1.02亿kW、6600万kW和6130万kW,占全球市场的份额依次是42.5%、27.5%和25.5%,亚洲的市场份额明显上升,其次是北美,而欧洲在全球风电市场中的分额明显下降。
据官方预测,若采取积极措施,2030年和2050年,全球风电装机容量将分别达到2l亿kW和30亿kW,发电量分别达到5万亿kW和8万亿kWtll。
丹麦是世界上最早利用风能的国家之一。
丹麦风电装机容量一直都位居世界前列,人均风电装机容量长期居于世界首位。
2009年,丹麦风电总装机容量达到了348.7万kW。
丹麦风电并网的发展在世界上处于领先地位。
截至2008年低,丹麦并网风电机组总装机容量为239.3万kw。
美国是当今世界上最强大的国家,截至2010年底,美国风电总装机容量已达,到4018.0万kW,位居世界第二。
2009年美国新增风电装机容量达992.2万kW,位列全球第二。
中国新增量为1380万kW,位列全球第一。
美国对于并网风电场的要求包括低电压穿越能力、功率因数设计准则和监控与数据采集能力。
德国截至到2010年底,风电装机总容量2721.4万kW,位居世界第三。
德国的并网风电机组可接入超高压、高压、中压、低压不同的电压等级,具体接入的电压等级根据风电场装机容量大小而定。
中国截至到2010年底,风电装机总容量为4182.7万kW,已超过美国,现已跃居世界第一。
风电未来发展的国内外宏观政策比较清晰和稳定,影响风电市场发展规模和速度的因素主要在于近中期产业政策的力度,包括电价水平、电网建设以及诸如海上风电发展的起步时间等。
我国风电发展的预测目标是如表1.12
年份装机年新均增装机均增装机年新均增
年增速均长度年新
年增速均长度年增速均长度全平增速球均长度
纵观世界风电产业技术现实和前沿技术的发展,目前全球风电制造技术发展主要呈现的特点是:
1)水平轴风电机组技术成为主流。
其具有风能转换效率高、转轴较短的优点。
2)风电机组单机容量持续增大。
2001年的安装风电机组平均单机容量为852kW,
2002年安装的机组平均单机容量为974kW,2005年安装的机组平均单机容量为1.32MW,2007年新安装的机组平均单机容量为1.49MW。
3)变桨变速功率调节技术得到广泛采用。
由于变桨距功率调节方式具有载荷控制
平稳、安全和高效等优点,近年来在大型风电机组上得到了广泛采用。
电力电子技术的发展,使得变速恒频技术应用在了风电机组的风能转换部分。
从当前世界的发展趋势来看,容量小于750kW的系统尚可以用定桨距失速调节技术,结构一般采用鼠笼型异步发电机,发电机定子直接和电网相连接,不能够调节有功和无功功率,对风能的利用效率较低。
当容量大于750kW时,大多要采用主动失速调节、变桨调节或变速恒频调节技术。
近年来,变速恒频风力发电技术在兆瓦级以上风力发电机的应用成为研究热点,变速恒频风力发电系统是一个综合了电力系统、电机电器、电力电子、控制理论、空气动力学等多学科只是的复杂系统。
双馈异步发电技术已占主导地位。
其可以提高风能捕获能力和转换效率,改善并优化风力发电机组的运行条件,使得发电机组与电力系统之间能实现良好的柔性连接,便于顺利实现并网操作,是一种优化的具有良好应用前景的风力发电解决方案。
风电接入电网有两种模式:
一是小容量风电场通过低压配电网分散并入电网;二是大容量风电场集中并入输电网络。
欧美都经历了风电接入模式由分散式向集中式转变的过程。
1.3.1风电的波动性及其在电力系统运行中的特点
风能资源具有不稳定性,导致风电出力也具有不稳定性。
由于电力系统电量平衡的要求,大规模风电的接入使电网调峰、调频成为一个重要难题。
此外,有功功率的大幅度波动会导致无功功率和电压的大幅波动,给电力系统的稳定运行带来隐患。
系统调度部门需要随时平衡不断变化的计划和非计划变动,以保持系统的安全
华北电力大学顾十学f{7:
论文
性和稳定性,功率的波动性是电力系统的一个本质特性,电力供应和需求都是随时变化的,关键是如何预测、管理并改善这种波动性,运用何种工具以提高效率。
风电出力是变化的,但在很大程度上也是可以预测的。
电力系统的规模及灵活程度决定了其是否能够容纳大量的风电,应将风电的波动性作为电力系统的一部分进行考虑【21。
1.3.2风电对系统稳定性的影响
电力系统的动态稳定性主要取决于系统中的发电机,这个问题可从两方面考虑:
一是风电场和风电机组如何响应电网的事故和故障;二是风电场如何影响电力系统的稳定性,对电力系统暂态稳定、电压稳定、频率稳定和关键故障清除时间等有哪些影响。
风电场与传统机组的不同主要体现在:
风电场的位置、风电机组技术和大型风电场并网的电压等级。
1)风电场的位置对电力系统暂态稳定性有非常大的影响,尤其是当某一特定区域
的风能资源非常丰富时,联络线的潮流大大增加,故障切除时间大大减小,并需要架设额外的输电线路。
2)风电场采用的风电机组技术对暂态稳定性也有相当的影响。
若风电场采用双馈
风电机组,当风电机组具备低电压穿越能力和快速电压控带I…。
力,将提高系统的暂态稳定裕度。
3)风电场接入较低电压等级时将对暂态稳定产生负面影响。
1.4课题研究内容及意义
本论文主要以双馈异步变速恒频风力发电系统为研究对象,首先论述了其电量的输出特性及其连网后和电网之间的互动稳定性问题。
然后讨论了其可能会对系统中的原有继电保护装置产生的影响。
最后阐述了系统中的继电保护的改进措施及采用柔性交流输电对有风电接入的电网的改进增加了系统的稳定性。
2.2风电并网的问题
风力发电并网带来的特点可用图2.1说明。
图中,各种形式的负荷消耗功率为PD,风电场的输出功率为Pw,功率PG为电网上同步发电机的输出,阻抗Z1一Z3为不同部分间传输线和变压器上的阻抗。
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图2.1风电并网连接图
因为系统中的能量要时刻保持平衡,所以有
Pc=PD+PL—Pw(2-1)
式(2.1)说明,电力系统中电力需求的任何变化必须同时由系统中的其他电源进行功率平衡。
当风力发电出力多而负荷不变时,就要相应的减少传统发电厂的出力,而当风力发电出力减少或退出运行时,又必须能快速增加传统发电厂的出力。
这样的情况就要求总有一定容量的传统发电厂在系统中充当热备用,这反而造成了能源的浪费,并未体现出风力发电并网的优势。
所以最好的解决办法第一就是能使风力发电的输出不会随着风速的变化而变化,保持相对平稳的输出量。
第二是风力发电机组不要出现大规模集群式的突然投入或退出。
2.2.1对负荷电压的影响
如图2.1中所示,当风力发电Pw发生变化,电流12将随之变化,会引起Z,上的电压降。
U1将发生变化,用户连接点处的电压U3也可能变化。
风力发电变化对电压U3变化的影响程度主要取决于阻抗Z,。
如果Z,很大(弱电网),风力发电变化对电压U3变化影响就会很大。
反之,如果Z,很小(强电网),电压U3受风力发电变化的影响就会较小。
实际上,离风电场越近的用户受到风力发电变化的影响较明显,由此可以看出,风力发电变化对配电网的影响更大。
2.2.2可并入的电网特性
风电场建成后总是希望能时刻输送功率到并入的电力系统中。
但由于目前风力发电技术的一些局限性可能会引起传输障碍及系统稳定性问题。
风电场要想并入到系统中运行正常,需要考虑两个问题:
一是电力系统中某一个节点允许接入的风电最大容量,一般用风电的穿透功率极限表征。
穿透功率的确定要考虑到风电的自保护特征即其会由于并入点电压的降低突然退出也会在电压恢复后突然投入,这就要求系统中的传统发电机的一次和二次调频能保证系统的频率的变化在允许范围之内。
二是对于给定的电力系统,允许的最大风力发电比例,一般用风电场的短路容
:
+7
2.3.2对系统参数的影响
2.3.2.1对电网短路电流水平的影响
目前国内的广泛应用的机型是双馈异步变速恒频风力发电机。
其转子侧和电网侧的双P删变频器的快速控制能力能够抑制电网故障时风电机组提供的短路电流的幅值,使其短路电流周期分量初始值小于普通异步风力发电机提供的短路电流周期分量的初始值,风电机组短路电流在几个周波内可以降低至一个稳态的短路电流值,若变频器能够一直提供励磁电流,则双馈异步风力发电机可以提供稳定的短路电流。
2.3.2.2对电网电能质量的影响
广泛采用的双馈异步风力发电系统的电力电子变频装置的开关频率如果没有躲开产生谐波的范围,则会产生大量的各种频次的谐波。
风电机组配置的用于无功补偿和滤波等作用的并联电容器可能会和线路的电抗发生谐振。
风电场对其接入电网电能质量的影响除风机自身的特性外还与接入电网的电压等级,接线方式等系统结构有较大关系,还与所并入系统的电网强弱有较大关系【4】。
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华北f乜力犬学硕十学佗论文
2.3.2.3风电接入电网对电网稳定性的影响
在风电穿透功率较大的电网中,风电并入系统除了会影响系统电压的稳定,还会改变电网的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量。
因此风电接入电网的暂态稳定性和频率稳定性都会发生变化。
由于风电并入系统后势必替代部分传统的同步发电机组的出力,对于双馈异步变速恒频风
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