风电场穿透功率极限研究学士学位论文.docx

1、风电场穿透功率极限研究学士学位论文学士学位论文风电场穿透功率极限研究摘 要 风能是一种可再生无污染的绿色能源。它是一种取之不尽、用之不竭、无需开采、运输的新能源。利用风能发电则是当今世界各国为解决能源紧缺，提高环境质量的一项有效措施。风资源最大的特点就是风速的大小和方向的随机性，风的这种特性决定了风力发电厂输出功率的随机性。随着国内风力发电事业的不断发展，百兆瓦级的风电场将会越来越多，这种大型风电场并网运行将会对系统造成较大的影响。对于大型并网风电场并网对系统正常运行造成的影响，可以通过计算并网风电场的最大穿透功率，来解决大型风电场并网给系统带来的电压和频率扰动等问题，进而提出了一种风电场穿透

2、功率极限计算的优化方法。论文主要内容如下：1通过介绍风电场并网对电力系统的电压和频率等一系列的影响，来引申出计算风电场并网的极限穿透功率的重要性；2介绍了计算风电场极限穿透功率的几种方法，通过对这些方法的认识，了解到这些方法中的不足之处，进而去寻求一种更准确、更快速的方法来计算风电场极限穿透功率；3由于求解风电场穿透功率极限时，如若考虑到系统各种运行方式的话，计算量将会很大，为了能够减少计算量，本文提出了一种基于近似线性规划的风电场穿透功率极限优化的改进算法，通过近似线性规划方法，将原计算风电场穿透功率极限的非线性目标约束函数作线性化再应用线性近似解去逼近非线性真实解。应用该方法可以快速准确地

3、求取风电场穿透功率极限。通过在IEEE39节点系统上仿真计算，验证了所提方法的有效性及其快速准确的特点。关键词：电力系统，风力发电场，穿透功率极限，近似线性规划ABSTRACTThe wind power is a kind of renewable green power resources. It is a permanent source with not to exploiting and transporting. To solve the problem of energys shortage and improve the environment quality, a lot o

4、f countries use wind power to produce electricity. The power output of a wind power plant is stochastic, which is determined by the wind and wind turbine generators. With the development of wind industry, there will be more wind plants of 100MW.This kind of large wind plants will bring many problems

5、 to the power systems operating. About the normal operating influence of large wind plants interconnected the power system, can solve the problems about the voltage and frequency waves through calculating the wind farm penetration. The paper introduces an optimal method based on approximate linear p

6、rogramming for calculating the wind farm penetration. The major research and contributions are as follows:1. Through with introduces of series influences about system voltage and frequency when the wind farm interconnected the power system, put out the important of calculating the wind farm penetrat

7、ion. 2. Introduce series measures about calculate the wind farm penetration, through recognize this measures, to understand the shortcomings of it, and look for a more accuracy and more faster measure to calculate the wind farm penetration. 3. If more system operation modes are taken into account, t

8、he calculation of wind farm penetration will be more complicated. This paper introduces an optimal method based on approximate linear programming for calculating the wind farm penetration. This method gets the object function and constraint function approximately linearized first. Then it uses the l

9、inear solution to find the accurate solution. The results on New England 39 system demonstrate that this method is rapid, precise and effective.Keywords: Power systems, Wind Farm, Penetration, Approximate Linear Programming目 录摘 要.IABSTRACT.II目 录.III1 绪言1.1 课题背景 11.2 课题研究的目的和意义 11.3国内外概况 21.3.1国外风力发电

10、发展概况 21.3.2国内风力发电发展概况 31.3.3国内外现状和发展 41.4大型风力发电场的并网主要问题 51.5论文的主要工作 71.5.1研究主要内容 71.5.2研究方案路线 71.5.3论文主攻方向 82风力发电系统介绍2.1简述 92.2风资源特性 92.2.1高度的影响 92.2.2风功率密度 102.3风力发电机介绍 102.3.1风力发电机的类型 112.3.2风力发电机的调速装置 142.3.3风力发电机的运行与控制 142.3.4风力发电机并网控制方式 152.4风力发电机的功率特性 163风电场穿透功率极限计算3.1简述 173.2风电场穿透功率极限定义 173.3

11、影响风电场穿透功率极限的主要因素 183.4风电场穿透功率极限计算方法 183.4.1基于电力系统暂态稳定算法 193.4.2基于机会约束规划算法 203.4.3基于随机规划的并网算法 213.4.4基于二阶泰勒展开式搜索计算方法 223.4.5基于静态安全约束的方法 224风电场穿透功率极限的近似线性规划优化算法4.1概述 244.2 近似线性规划 244.3设计步骤与框图 254.4极限穿透功率的近似线性优化计算方法 264.5风电场极限穿透功率优化计算步骤 274.6算例仿真分析 284.7结论 305总结与展望31致 谢.32参考文献.33附 录.351 绪言1.1 课题背景目前,并网

12、型风力发电机组是风力发电的主流形式。风能的随机性特点使并网运行的风力发电机组对电网的电能质量及安全稳定构成威胁。一方面，风力资源较好的地区往往人口稀少、负荷量小、电网结构相对薄弱，风电功率注入电网会改变了局部的潮流分布，对局部电网的电能质量和稳定性有很大影响，因而限制了风电场接人系统的方式和规模。另一方面，风力发电的原动力是不可控的，它所处的发电状态以及出力的多少决定于风速的大小，风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组的出力也具有波动性和间歇性。单机容量很小的风力发电机组，对于大电网的影响可以忽略。但是，随着风电机组单机容量增大和风电场规模的扩大，大型风电场并网运行对电力系统的影响也越来越明显。

13、电力公司十分担心大规模风电并网运行会影响系统的供电质量和可靠性。因此，确定系统在正常运行前提下可以接受的最大风电装机容量。即系统的穿透功率极限计算，是当前十分紧迫的研究课题。1.2 课题研究的目的和意义风能是一种可再生无污染的绿色能源。它是一种取之不尽、用之不竭、无需开采和运输的新能源。利用风能发电则是当今世界各国为解决能源紧缺，降低温室气体排放，提高环境质量而采取的一项非常有效的措施。风力发电可以取得显著的能源效益和环境效益。中国风能资源丰富，为了充分利用风能，需要大力发展我国的风力发电事业。并网风力发电是大规模利用风能的最经济的方式。随着技术的发展和规模的扩大，风力发电的成本将会继续下降，

14、这必将进一步推动风电的发展，使整个风电发展进入一个良性的循环。中国电力部，为了改善电力结构，于1993年决定加快风电的产业化进程，开始大规模开发风电，将清洁的风能作为21世纪能源可持续发展的一个重要组成部分。1995年11月，国家科委、国家计委和国家经贸委共同制定了新能源和可再生能源发展纲要(1996-2010)，把“大型风力发电机制造”和“风电场及其与电力系统相关的技术研究”定为新能源和可再生能源发展优先项目。“十五”期间，我国计划新增风电1192MW ，其间，风力发电发展重点是，新建设100MW风电场约3-5座(包括海上风电场)，并取得规模效益1。风力发电作为一种新能源，具有许多与常规发电

15、方式不同的特点：风电是一种间歇性能源，风电机组的启停及其出力具有随机性；目前风力发电一般采用异步发电机，在向系统送出有功的同时还要从系统吸收无功；在现有的技术水平下风力发电还无法预报，因此，风电基本上是不可调度的。风电的这些特点将影响到电力系统的安全性。当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不明显。随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风力发电对系统的影响就会越来越明显。大风速扰动会使系统的电压和频率产生很大的变化，严重时可能使系统失去稳定。另外，风电机组的运行受制于系统的运行条件，当系统运行条件比较恶劣，如电压水平比较低时，风电机组就很容易在系统扰动或风速波动下停机，从而使系统造成

16、有功缺额，不仅给风电场带来经济损失，也可能使系统失去稳定。为了描述某一电力系统中能够承受的风电场容量，因而引入了风电场穿透功率极限的概念。 近年来，随着我国风力发电事业的不断发展，新建风电场的规模越来越大。大型风电场并网运行，将会对系统的稳定性和可靠性造成一定的影响，且风电场容量越大,对系统的影响也越大。为了确保系统的正常运行，有必要对系统中风电场的容量作一定的限制。通过对风电场穿透功率极限的分析研究，可为有关部门制定风力发电场发展规模提供科学的分析手段和理论依据，也可用于电力系统规划和运行调度。1.3国内外概况1.3.1国外风力发电发展概况20世纪初，法国出现了第一台用现代快速风轮驱动的发电

17、机。到了20世纪30年代，各国已开始研制中型、大型风力发电机。从70年代能源危机以来，许多国家都更加重视新能源和可再生能源的研究、开发和利用，使得风能、太阳能和生物质能等发电技术取得了长足的进步。以风力发电为例，商品化并网型风力发电机组，单机容量已由80年代的几十kW发展到1.5MW，容量更大的风力发电机组也在试验研究之中。1999年全世界风力发电总装机容量约13400MW，比1998年增长了38%，超过了任何一种电力增长的速度，其中装机容量较多的国家是：德国4074MW、美国2622MW、丹麦1600MW4。目前，在新能源领域，风力发电技术已经比较成熟，经济指标逐渐接近清洁煤发电，因此，许多

18、国家都把发展风力发电作为改善能源结构，减少环境污染和保护生态环境的一种措施纳入国家的发展规划。美国能源部期望2010年风电至少能达到国内电力消耗的10%。近十年里，美国在大型风力发电机组生产方面的投资年平均增长率达22%，1997年投资4.25亿美元，加上软件则达7.5亿美元，近期目标是使风电成本降到4美分千瓦时。已有5个欧洲国家计划使风电达本国总发电量的10%左右，丹麦甚至计划2030年达到40%，欧盟目前风力发电市场规模已达到80100亿美元，已成为欧洲的新兴经济领域。亚洲近两年虽受金融危机的冲击，但日本、印度、韩国、泰国和巴基斯坦等国家在风力发电方面的投资有增无减。1999年日本在北海道

19、毡前町投资45亿日元，安装20台1MW风力发电机组，建成了日本最大的风力发电场，预计未来几年的投资将达到1000亿日元。拉丁美洲地区目前已有19家企业生产中、小型风力发电机组，总产量超过25万台，一个重要特点是私人投资风电比例大，发达国家的私人资本也迅速涌入，巴西、阿根廷、委内瑞拉等均有美、欧商人投资于风力发电行业。2002年4月2日，在首届世界风能大会上欧洲风能协会宣布，截至2001年底，全球风力发电能力已经达到2400万kw，比上一年增长650万kw，创下世界风力发电功率年增长的最高记录。尽管全世界风力发电增长幅度很大，但是各个地区的发展并不平衡。在首届世界风能大会上国际能源署署长普里德尔

20、表示，使人们普遍接受风力发电的办法之一是继续降低风力发电的成本。为了普及风力发电，就必须加强风力发电的研发工作，降低风力发电的成本，提高风力发电的稳定性。1.3.2国内风力发电发展概况中国10m高度层实际可开发的风能储量为250GW，这说明中国风能资源丰富。但是我国目前已安装的风电容量只有350 MW，这又说明了我国风力发电事业还有待发展。新疆北部、内蒙古、甘肃北部，东南沿海及其附近岛屿是中国风能资源丰富地区。在这些地区冬春季风大，降雨量少，夏季风小，降雨量大，这与水电有较好的互补性，可以考虑建设风水互补的混合系统。并网风力发电是大规模利用风能最经济的方式，随着技术的发展和规模的扩大，风电成本

21、将继续下降。为了改善电力结构，中国电力部于1993年决定加快风电的产业化进程，开始大规模开发风电，将清洁的风能作为21世纪能源可持续发展的一个重要组成部分。1986年国内投资在山东荣城创建了我国第一座风电场，选用了当时比较成熟的商品机型，3台丹麦Vestas55kW定桨距失速调节型机组，虽然容量较小，但它体现了政府对于风力发电事业的重视。这是中国并网风电发展过程中的一个里程碑5。到1998年底，全国风力发电总装机容量达223.6兆瓦。此后，在国家有关部委的领导和支持下，中国的风电事业开始稳步发展。为满足可持续新能源，尤其是对风电发展越来越高的要求，我国明确“十五”期间风力发电发展目标。“十五”

22、期间，我国计划新增风电1192MW。其中达板城及阿拉山口地区新增98.7MW，内蒙古辉腾锡勒及赤峰地区新增138.5MW，吉林通榆地区新增92.8MW,黑龙江富锦及木兰地区新增61.8MW，河北张北、黄骅及承德地区新增91.8MW，江苏如东和启东地区新增90 MW,辽宁营口、大连、沈阳等地新增97.6MW，广东南澳、惠来和湛江等地新增90.4MW，上海崇明和南汇等地新增80MW，其余省份“十五”期间合计新增350.4MW。“十五”期间，风力发电发展重点是:一是新建设100 MW风电场约3-5座(包括海上风电场)，并取得规模效益，二是鼓励有风能资源但还未建设一座风电场地区的电力企业或非电力企业开

23、发风电项目，尤其在经济发达地区，风电上网电价也较易分摊，更需加快速度开发风电1。风力发电迅速发展的主要原因是各国政府的鼓励政策和风电机组制造技术的进步。国外许多发达国家都有鼓励风力发电发展的优惠政策。优惠政策是发展风力发电的主要动力。为了大力发展风力发电，我国也出台了鼓励风力发电税收的优惠政策。1.3.3国内外现状和发展在爱尔兰的西北地区的Donegal郡，当地的风电场使用了风电场控制系统。电网公司担心它们的电网电压会越限，所以要求Donegal郡的风电场容量不可超过4*600KW，或是风电场主必须采用智能型风电场控制系统来确保风电场端的电网电压不会超过指定的最大值。为了充分的利用当地的风能资

24、源，风电场安装了5台600KW的风力发电机，还有风电场控制系统，控制系统会在风电场端的电网电压过高的情况下减少风电场电能的输出。风电场控制系统如图1.1所示6。图1.1 风电场控制系统风电场控制系统己根据丹麦电力系统操作人员提出的要求作了改进，这些要求都是关于大型风电场与电网连接的问题。这些要求明确了风电场在电网正常运行和故障时的运行方式。为了能大规模利用风能，风电场的电能的输出应该得到控制，控制装置应该可以在2秒钟内将风电场的输出降到额定值的20%，控制装置还应可以将电场的总输出控制在一个定值7。我国对于大型风电场的控制亦在积极研究。在九五期间，我国研制出采用微机控制的SJ-50A型大型风力

25、发电机组微机控制装置，可对大型风力发电机组实现自动监测。该控制装置的主要功能有:风力发电机组的自启动，停机顺序控制，双向可控硅软并网，电气保护和安全保护8。2001年，由中国科学研究院电工所承担的国家“大型风力发电系统关键技术的研究”的两个关键性专题项目通过了专家验收。这两个项目是600kW风力发电机组单机电气控制技术及装备的研制和风电场集中和远程控制技术。大容量、低成本半导体设备的持续发展开辟了一条通向变速恒频电力系统的大门。由于在生产线上调速电机使用的快速增长说明了现今的电力电子的高可靠性。现在发电过程中应用此项技术使用的最多的两个方法是:将风机输出的变动电压和变动频率完全转换为直流，在将

26、它转换为交流，或者另一种方法，当变速感应电机的绕线式转子通过一个半导体系统的合适的变频电流调制，定子将会向内部联接的母线提供恒压、恒频的功率。这个装置通常被称为感应电机双向调制，它拥有电力电子设备额定功率小的优点。近年来，风力发电的研究和开发人员越来越注重风电系统的设计分析工具的开发，通过使用这些工具来改进规范设计准则。现在己有一些设计和分析工具。分析与大电网相连的风电场在故障中和故障后的暂态特性的分析工具可9现己开发出，此工具己被用于评估故障对风电场的影响和评价提高风电场运行特性的方法。另外，还有估计风电场电能质量的改进工具。在这些模型中，重点是单个风力发电机、整个风电场、所有风电场的风况模

27、型10。国内也有些这方面的研究。用于分析异步风力发电机组接入系统的动态稳定性以及计算风电场接入电网的穿透功率极限的异步风力发电系统动态稳定数学模型11。还有风电场的发电可靠性模型，模型考虑了风速的随机变化、不同风电场之间风速的相关性、风电机组的功率特性及其强迫停运率、风电机组的布置和尾流效应以及气温等因素对风电场输出功率的影响，该模型可用于随机生产模拟和随机潮流分析等方面12。文献13中采用已建立的风电系统数学模型，结合一实际风电场接入运行情况，研究了风电机组引起的电网电压波动现象。1.4大型风力发电场的并网主要问题风能由于其自身特性使得它未被人们充分利用。风能资源通常远离负荷中心，风电场的输

28、出随着风速风向的变化而变化，风力发电的特性目前尚未完全明确，所以制约了风力发电的发展。由于风的不可控性和不可预知性，风电场不能像常规电厂一样拥有稳定的可靠性。同时，系统需要有与风电场额定容量相当的备用容量，在风停时替代风电场。这样的话，风电在电网中占的比率将会限制在较小的范围内，由于其与电网相联成本较高，这往往会超出能量本身的价值。上述考虑的情况都是在最差的条件下，之所以在最差的条件下考虑是因为我们未能很好的了解风与真实系统间的相互影响。风电场接入系统会给系统带来谐波；同时它要从系统吸收无功功率；会引起电压的波动；需要频率控制。谐波上世纪80年代建造的第一代风力发电场，使用老式的双向变换系统，

29、变换器使用全桥电路，无附加的谐波矫正和滤除设备，产生了低阶的谐波。今天，改进的变换器产生的谐波分量非常小，低于IEEE推荐的电能质量监测标准。随着谐波治理设备和先进的电力电子设备在变速风力发电机中的应用，谐波不再是系统注重的焦点。无功功率早期的风电场里，使用的异步发电机，没有安装无功补偿设备。所以，在系统运行中，线路上的损失加大，风电场与电网连接点的功率因素难以控制。现在，电网都要求风电场确保其与电网连接点的功率因数。通过电力电子技术的应用，现代变速风力发电机可在足够的范围内控制功率因数。电压波动将风电场建在偏远地区时，通过原先电网向当地负荷供电的传输线与电网相连，电压波动难以控制成为人们关注

30、对象。解决的办法包括，减少风电场的容量，架设新的传输线，添加静态无功控制器和自适应无功控制器。显然，减少风电场的容量非人所愿，架设新的传输线成本太高。频率控制 当风电场与脆弱、孤立的电网相连时，要保持系统的正常电压就有困难。当阵风使得风电场的输出迅速变化时，系统的频率就会发生变化。在加利福尼亚的风电场地区，维持正常的系统频率已不再是一个问题，但在夏威夷，问题就不同了。美国电能研究所(EPRI)研究表明，在夏威夷，由于风电场输出功率变化导致系统容量每分钟减少达10兆瓦时，或是系统负荷增加每分钟达10兆瓦时，系统就会失去维持频率在一定范围内的能力14。为了能向系统提供更多的风能，就需要有一定的解决

31、措施。如采用电力电子控制并网的现代变速风机，或是采用附加旋转备用的自动发电控制系统。1.5论文的主要工作1.5.1研究主要内容系统的风电场穿透功率极限计算一直是人们非常关心的课题。以往的研究表明，影响风电场穿透功率极限的因素很多，这些因素包括系统运行的稳定性、经济性和可靠性的约束，此外还有系统的运行方式、系统的旋转备用、风能资源及风电场分布、常规机组出力限制等。由于风电场穿透功率极限计算牵涉的因素较多，目前尚没有一个统一适用的算法和公式。采用常用的一种方法是，应用动态仿真，检验系统在几种典型的运行方式下，在某种风电比率下，系统的安全稳定性，进而求得系统可以接受的最大风电装机容量，算出风电场穿透功率极限。本文运用近似线性规划优化的方法对风电场并网运行进行了动态仿真。通过对风电场并网运行的动态研究，计算了风电场穿透功率极限。1.5.2研究方案路线在对风电场容量值不断修正的过程中，修正值的选取是风电场穿透功率极限计算的关键。仅靠人为地修正风电场容量，即不科学也很难快速准确的求得风电场最大容量。当系统十分复杂时，仿真次数的增多会使计算量变得很大。为了克服上述不足，本文应用近似线性规划方法，对风电场穿透功率极限求解进行了优化。通过近似线性规划方法