风电并网后电网适应性.docx

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风电并网后电网适应性

硕士学位论文

大量风电并网后华北电网适应性的研究

AdaptabilityofNorthChinaPowerGridafterAlargenumberofwindpowerintegration

于啸

2010年12月

国内图书分类号：

TM614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

ClassifiedIndex:

TM614

U.D.C:

621.3

ThesisfortheMasterDegree

AdaptabilityofNorthChinaPowerGridafterAlargenumberofwindpowerintegration

Candidate：

YuXiao

Supervisor：

Prof.ChangXianrong

School：

SchoolofElectricalandElectronicEngineering

DateofDefence：

March,2011

Degree-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《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

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2011~2012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

Abstract

Windenergyisgainingmoreandmoreattention.However,duetotheuncontrollableofwind,windpowerisdifficulttopredict,Whenthewindfarmexportsbusdowntoacertainextent，generatorwillshowadifferentoperatingwiththesteady-stateevenoff-gridoperation.Therefore,theaccurateanalysisofthedouble-fedwindturbineoperationontheimpactofnetworksecurityandreliabilityisessential.

First,thispaperintroducesthestructureandprincipleofdouble-fedgeneratorandanalysesthedoubly-fedwindturbinemodelinPSASP,thekeyparametersofthewindturbinewereproposedandthesensitivityanalysisoftheseparameterswascarriedout.thephysicalmeaningoftheseparameterswasanalyzed.

Second,windfarmcapacitortestandwindfarm35kVbusthree-phaseshortcircuittestwereintroduced.Relevantparametersweremodifiedaccordingtothedataofwindfarm35kVbusthree-phaseshortcircuittest.Thesimulationcurveisclosertothemeasuredcurve,sotheaccuracyoftheDFIGmodelwasimproved.

Finally,windpowernetwork'ssecurityandstabilitycontrolareanalyzedundertheNorthChinaPowerGrid2011to2012planningdata.Theeffectsofpowertransmissionpassage-wayofMongoliaandPowerGridofZhangjiakouinsecurityandstabilitywasanalyzed.Themeasurestomaintainstableoperationafterfailurewasproposed.Themethodstoimprovethelevelofsystemstabilitywasstudied.Andthepowergridofsmallsignalstabilityproblemwasstudied,andthemainoscillationmodeoftheNorthChinaPowerGridAndtheeffectsofwindpowerwasanalyzed.

Keywords:

Double-fedwindgenerator；PSASP；Industrialtest；modelvalidation;Securityandstabilityanalysis

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、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[13-16]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和准确性，从而能够更好的分析评价风电场并网后带来的各种问题。

目前，国内外一些应用于电力行业的分析软件均推出了适合自身使用的应用于不同分析领域的双馈型风电机组模型，如EMTDC/PSCAD搭建了用于分析电磁暂态过程的模型；PSS/E、PSASP搭建了用于机电暂态分析的模型。

相关的模型验证分析也随之展开。

文献[28]从分析电力系统稳定性的角度验证了PSS\E所搭建的风电机组模型的有效性；文献[29][30]介绍了东北电网白城地区洮南风电场进行风电场短路试验，该试验的内容包括风场出口三相、两相短路接地试验，试验机型为西班牙产G58-850双馈风机，测试并录制风电机组定子、转子和主变高压侧的动态信息，并且在PSCAD/EMTDC仿真平台上，对短路故障下双馈感应风电机组的动态特性进行了仿真分析，揭示了风电机组电磁暂态过程特性，对风电机组联网运行短路试验进行仿真重现，结果显示仿真波形与实测波形相吻合。

由于风电仿真软件的有效性和准确性对研究并网风电系统的安全稳定性至关重要，因此，在各种通用风电仿真平台上（如PSS/E、BPA、PSASP、DlgSILENT）通过与现场试验数据的对比仿真分析，修正通用风电仿真软件的风机模型参数并提出其关键参数，能够为更准确的开展风电并网稳定计算分析提供技术保证。

1.1.3风电并网后对电网运行的影响分析研究

随着并网风电场装机容量的不断增加，风电场输出功率的间歇性和波动性给电力系统的稳定性造成严重影响。

国内外对风电并网后电力系统稳定的影响研究也取得了系列成果。

对于风电并网引起的电压稳定问题。

通常采用在风电场母线上安装电容器组，以补偿风电机组的无功需求[31-33]；而随着技术的成熟，SVC、STATCOM、超导储能单元SMES（SuperConductingMagneticEnergyStorage）的应用使风电机组具有快速调节无功功率的能力，这极大改善风电机组输出电压的稳定性[34-37]。

另外，不同风电机组（恒速和变速风电机组）对电网稳定性影响的研究也引起了大量的关注。

恒速风电机组接入电网后，对电网稳定的影响主要表现在恒速风电机组运行时需吸收大量无功功率，整个风电场的无功需求较大，导致接入风电地区电网稳定性降低，同时稳定问题还与并网点的短路容量、风电场的无功补偿措施有一定的关系[38-40]。

文献[41-45]研究了基于双馈感应电机的交流励磁控制技术及其对电网电压稳定性的贡献，指出双馈电机的有功、无功解耦控制使其具有一定的无功调节能力。

按照系统运行方式的要求的不同，风电机组可以采用不同的策略，对吸收或发出无功功率进行控制。

对于风电并网引起的功角稳定问题。

文献[46][47]基于实际电网，考虑在电网不同位置发生三相短路后系统的暂态稳定特性，风机在故障的情况下由于自身保护动作而被切除，由于故障情况不同，切除的容量也不同，从电网的角度出发，相当于减少了部分容量的电源，从而导致其他火电机组功角发生摇摆，影响系统的稳定。

对于风电并网引起的频率稳定问题。

传统的双馈风力发电机的有功控制与电网运行的情况无关，仅仅取决于风速的大小，这不利于对风力发电的控制，具有很大的随机性。

文献[48][49]利用桨距角控制，更改设定的风机运行曲线，使其在运行时留出一定的有功裕度，从而可以根据要求更改出力，当系统频率出现波动或调度员需要对潮流进行调整时，可以通过调节桨距角满足系统运行需要。

文献[50][51]指出双馈发电机转子转速变化范围很大，其中蕴含大量的动能，在系统频率降低时，可以采用降低转速释放动能的方法增加有功出力，从而为电网提供频率支撑。

1.2课题的主要研究工作

为尽可能准确地分析大规模风电接入电网后对电网安全稳定运行的影响，本文首先利用试验数据对PSASP中双馈风机模型进行校验，提出模型的典型参数，随后对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进行考察。

具体分为以下四个步骤。

1.2.1风电场扰动试验分析

在风电场调研基础上，通过计算分析、比较论证，选择确定华北电网风电小扰动及短路试验方案，成功进行了现场试验。

这两次试验实测了有关风机短路电流、机端电压跌落幅度等信息，获取了单台风机响应特性，掌握了双馈风电机组在小扰动及大扰动下的运行特性，为下一步校验与调整仿真模型参数提供了技术依据。

1.2.2风电机组模型分析

GE双馈风机模型可以适用于风机接入大系统的仿真计算，分析风机并网后对电网的影响。

目前，国内外的许多主流电力系统分析软件如：

BPA、PSASP、PSS/E均使用该模型对双馈型风力发电机进行仿真计算。

本部分内容以GE双馈风机模型为研究对象，根据风机提供的短路电流水平、对系统的无功支撑能力、励磁系统响应特性等指标，提出了风机仿真关键参数，分析了其中各关键参数的灵敏度，解释了这些参数的物理意义，指导与现场试验数据的仿真对比分析。

1.2.3风电机组外特性仿真分析

为更准确的研究风电场和火电场混合发电方式下风电机组的安全稳定性。

基于双馈型感应发电机的变速风电机组所构成的风电场为研究对象，在PSASP仿真平台上，进行风电场试验与仿真的对比分析，修正通用风电仿真程序的模型参数，提高仿真精度与可靠性。

1.2.4风电接入华北电网后的安全稳定控制研究

采用由风电场短路试验修正所得模型参数，在PSASP平台上分析2010年大规模风电接入后的电网安全稳定问题，包括内蒙电力外送通道以及张家口电网安全稳定性。

以风电场目前实际运行情况为基础，对可能导致大量风电机组由于电压跌落而脱网的故障情况进行仿真分析。

对大量风电机组接入电网后存在的安全隐患进行评估。

研究提高系统稳定水平的控制措施。

另外对风电并网运行的小扰动稳定问题也进行了仿真分析。

第2章PSASP双馈风电机组模型分析

变速恒频双馈发电机组（DFIG）可以对有功、无功进行解耦控制，具有独立、灵活的无功功率控制能力，这也使其在维持电网电压稳定方面优于传统的恒速恒频机组，但DFIG向电网放出的无功受其控制方式及自身容量的限制不可能无限的向电网提供无功功率，当发电机发出的无功功率达到其控制的设定值时，风电场无法维持附近母线的电压，也会导致系统失稳。

双馈发电机由于可以独立控制无功出力，理论上风电场可以不装设并联电容器，在电网发生故障时其电压跌落幅度会大于异步发电机，因此对双馈机组电网故障时的动态行为的研究尤为重要。

本章将对该模型进行研究，分析了其中各关键参数的灵敏度，解释了这些参数的物理意义，为根据试验数据对模型参数进行调整提供理论基础。

2.1双馈型风力发电机的结构与原理

双馈型风机的定子侧直接与电网连接，转子由两个“背靠背”连接的电压型PWM变换器即转子侧变换器和网侧变换器进行励磁，转子侧变换器完成定子磁链定向矢量控制任务，实现最大风能捕获和定子输出无功的调节。

网侧变换器控制维持直流母线电压并控制交流侧电压与电流的相位[52-54]。

2.1.1双馈风电机组的结构

双馈风力发电机主要由双馈发电机、风轮、变频器、励磁系统几个部分组成。

双馈风力发电机的定子侧直接接入电网系统，转子侧则通过双向变频器接入所需低频励磁电流。

因此，定子与转子两侧都可能向电网馈送电量,所以称为双馈风力发电机，变速双馈风电机组的基本结构如图2.1所示：

图2-1变速双馈风电机组的结构示意图

变速双馈风电机组的特性由双馈感应发电机、叶片、轮毅、齿轮箱联轴器、变频器和桨距控制系统等单元的工作特性共同作用决定，各个组成部分的具体具体功能如下：

（1）风力机与机械传动部分：

捕获风能和传递能量的装置，它主要包括叶片、轮毅及齿轮箱到发电机转子轴之间的机械部分具有较大的转动惯量。

（2）双馈感应发电机：

双馈感应发电机是目前被广泛应用于风力发电的一种变速恒频发电机，它可以根据风速调节风力机转速，并能在较宽的风速范围内实现最大风能捕获，从而大大提高风能的利用率。

此外，由于双馈发电机能实现对有功、无功的解耦控制，可以对电网起到无功补偿的作用。

（3）变频器：

变频器是双馈感应发电机的交流励磁电源，它不但能满足交流励磁变速恒频发电所必需的功率双向流，其优良的输入、输出特性同时也确保了生产高质量电能的要求。

（4）电气控制部分和桨距角控制部分：

变速双馈风电机组的控制主要包含了转子励磁电压的控制和风力机叶片桨距角的控制两个部分。

他们共同的控制目标是使风电机组机械部分与电气部分配合，提高风能利用效率及改善风电供电质量。

当风速低于额定风速时，机组状态控制由双馈感应发电机转子励磁电压调节实现，表现为变频器的控制。

而高于额定风速时，机组状态控制则由桨距角与变频器共同控制实现[55]。

2.1.2双馈型风力发电机工作原理

变速恒频双馈风力发电机组定子侧直接接入电网，转子侧则通入频率、相位、幅值都可调节的三相低频交流励磁电流。

发电机稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止，当定子旋转磁场以

的速度旋转时，则转子的励磁电流形成的旋转磁场的旋转速度

为：

（2-1）

式中：

——定子磁场旋转角速度；

——转子旋转角速度；

——励磁电流形成的旋转磁场的旋转速度；

——转差率。

上式说明转子电流形成的旋转磁场的角频率同转差率成正比，若交流励磁发电机的转子转速低于同步速，则转子电流形成的旋转磁场与转子旋转的方向相同，如果转子转速高于同步速，则两者旋转方向相反。

转子绕组中的励磁电流的频率与定子侧电流的频率之间的关系为：

（2-2）

式中：

——定子电流频率；

——转子励磁电流频率。

双馈风力发电机的定子绕组与电网有直接的电气联接，而转子绕组通过变频器与电网相联。

风速较低时风机运行在低于同步速的状态，为维持发电机机械转矩与电磁转矩的平衡，转子绕组从电网吸收一定数量的功率，再通过定子绕组送回电网；当风速较高时风机运行在高于同步速的状态，在这种情况下一部分功率将直接通过转子绕组送入电网；当风机运行在同步转速时，如果忽略损耗，转子绕组通过的功率为零，风电机组与电网的全部功率交换都通过定子绕组完成。

额定状态下，通过转子绕组及变频器的功率约占全部功率的20%[56,57]。

2.1.3双馈风电机组矢量控制技术

双馈机的主流控制技术是矢量控制技术，使用发电机某一旋转的空间矢量为参考坐标，利用坐标变换技术，将定子电流中的有功分量与无功分量独立起来，对有功、无功进行解耦控制，从而