风电场电压闪变与无功管理研究

摘要

随着不可再生能源的日渐枯竭，风电等新型可再生能源正在被不断引入，并网风电场的数量与日俱增，给电网带来了种种迫在眉睫的问题。
　　 本文在提出若干问题解决方案之前，回顾了当前风电机组的种种结构模型，并重点讨论了当前使用最为广泛的双馈异步风力发电机组的模型及其两个变流器控制策略。
　　 为解决风电场并网引起的并网点电压闪变快速评估问题，可以拟合风电机组出力曲线并使用电网络理论。根据电网络理论，风电场可以等效为一台风力发电机及其相关阻抗。在分析相关文献后，探讨了风电场网络的等效问题，从理论上证明了较小容量的风电场不会引起较大的电压闪变;详细描述了IEC61400-21风电场电能质量评估标准，其包括在风电场运行时和切换操作时对电压闪变的评估;同时简略描述了相关国家标准中对电压闪变限值的要求;通过使用IEC61400-21和IEC61000-4-15对其开展了分析，提出了一种评估风电场电压闪变的实用方法。最后，以某风电场为例，使用该方法进行了电能质量评估;并基于相关国家标准，对评估值作出了评价。研究结果表明，该风场运行时短时电压闪变值只有0.009185，切换操作时产生的短时电压闪变值更小，远低于限值0.8。
　　 在下面两个论题开始之前，对最优潮流(OPF)理论作了一个回顾。最优潮流问题就是试图在电力系统内种种等式和不等式的约束下，在目标函数达到一个最优值时，得出一组解。第四章讨论了当前的最优潮流种种算法。
　　 为解决风电场机组无功出力协调的问题，并使得风电场在并网点不与电网交换无功功率，将成熟的最优潮流理论及其常用的内点法，应用到风电场内部的特定网络模型中。基于随机给定的有功出力和一种特殊的不等式约束条件——每一台机组的视在出力要满足箱式变压器的容量要求，对某个典型的风电场模型开展分析，并提出一个典型并网风电场系统的接线图和内部元件参数。图中机组一共132台，符合实际的大型风电场规模和结构。使用牛顿——拉夫逊法进行计算，根据节点线路、变压器编号的规律等式和不等式约束的特点，将目标函数定为风电场并网点向外输送的无功功率的平方的最小值，编制了C程序。建立了和节点电压幅值、相位和机组无功功率出力相关的状态变量向量，提出了一种有效的确定风电机组最优无功出力的方法。基于具体的结果和目标函数值，对这个方法进行了评价。在C环境下随机给定该风电场的所有机组有功出力，进行了仿真。结果表明，尽管有时候某几台机组无功出力为负值，目标函数能够接近于零。编制的程序能够达到很好的效果。
　　 第六章考虑储能装置变流器效率等因素，基于最优潮流理论，提出一种并联于发电机组储能装置出力的实用调节方法和容量的确定策略。可以使得某一时间段内吸放能量的总代数和趋近于0，可以基于当前的PSS/E、BPA、PSAT、MATPOWER等计算最优潮流的工具完成。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景——风力发电的必要性

1．2 风力发电机组的分类

1．3 风轮的结构

1．4 本文的主要工作

第2章 双馈机交流器的原理和发电机组模型搭建

2．1 仿真工具PSCAD简介

2．2 异步电机的基本方程

2．3 双馈电机的基本结构图

2．4 电网侧变流器控制流程

2．5 转子侧变流器控制流程

2．6 abc-dq变换的原理

2．7 变流器的基本结构和跟踪直流电流信号的基本方法

2．8 电网侧变流器dq框架下的电流跟踪策略

2．9 电网侧变流器直流电压控制策略

2．10 转子侧变流器控制策略

2．11 双馈异步发电机变流器的优势

2．12 仿真案例

第3章 风电场电压闪变的实用评估方法

3．1 该研究的必要性及前人的工作

3．2 电压波动和电压闪变

3．3 闪变觉察率F(%)和瞬时闪变视感度S(t)

3．4 视感度系数K(f)

3．5 IEC61000-4-15推荐的模拟闪变评估仪模型

3．6 风电场的建模与简化

3．7 IEC61400-21规定的风电场正常运行时引起电压闪变的评估过程

3．8 IEC61400-21规定的风电场机组切换操作时引起电压闪变的评估过程

3．9 国家标准规定的闪变限值

3．10 算例系统

3．11 闪变评估过程

3．12 评估结果

3．13 结束语

第4章 最优潮流(OPF)理论

4．1 求解方法之一——梯度法

4．2 求解方法之二——牛顿法

4．3 求解方法之三——内点法

4．4 本章小结

第5章 风电场机组无功出力协调策略

5．1 一典型132台机组的风电场结构

5．2 适应该风电场最优潮流数学模型

5．3 适应该案例的无功出力程序开发的具体思路和公式推导

5．3．1 准备工作

5．3．2 公式推导

5．4 模型参数

5．5 适应该模型的编程注意之处

5．6 数据处理

5．7 本章小结

第6章 确定并联发电机组的储能装置容量的实用方法

6．1 以往研究成果

6．2 理论依据

6．3 需要说明的问题

6．4 算例

6．5 结果

6．6 储能装置容量的选定

6．7 进一步讨论

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

致谢