大容量风电并网对电力系统安全稳定的影响研究

摘要

大量的大容量风电场直接接入高压输电网络将对我国电力系统的安全稳定、调度运行等诸多方面带来越来越大的影响,迫切需要开展相关的理论研究和实际系统分析工作。本课题针对接入大容量风电场的电力系统安全稳定分析问题,建立了完整的数学模型,并通过对实际运行电网的大量模拟计算和理论分析,提出了满足电网安全稳定运行的风电接入容量确定方法和系统运行控制措施。本文的工作对风力发电的规划设计、生产运行和政策制定具有重要的理论意义和实用价值。
　　论文研究工作取得以下创新性研究成果:
　　1、将目前国际上较为成熟的风速模型、定桨距异步风力发电机组模型、变速恒频双馈风力发电机组模型及风电场建模处理方法加以适当改进，构建了适用于我国的含有风电场的电力系统稳定分析数学模型。在定桨距异步风力发电机组模型中，增加了一种新的功率系数拟合公式，以适应不同风能功率转换特性仿真;在变速恒频双馈风力发电机组模型中，增加了功率因数控制环节，以适用风电场恒机端电压和恒功率因数两种运行控制模式的仿真需要。
　　2、建立了实用化的含有风电场的电力系统大扰动稳定数学模型，通过微分方程和代数方程的交替迭代，完成含有风电场的电力系统大扰动稳定计算。结合内蒙古电网，分析了接入大容量风电场的电力系统功角稳定和电压稳定问题，提出了利用风力发电机组的低电压保护和电力系统安全自动装置相互配合的控制策略。
　　3、建立了实用化的含有风电场的电力系统小扰动稳定数学模型，将线性化的风电机组方程与系统原有线性化方程联立，形成含有风电机组的电力系统增广状态矩阵，采用PsAsP软件的逆迭代转瑞利(Rayleigh)商迭代算法和稀疏矩阵技术求取大型状态矩阵特征值。结合内蒙古电网，分析了风电接入对电力系统振荡模式和振荡特性的影响及满足系统小扰动稳定要求的风电接入规模和运行控制方案;提出了风电场对电力系统阻尼特性的影响不会大于相同容量同步发电机组的观点。
　　4、研究了风速扰动对系统调压和调频的影响。提出了互联电网间联络线潮流调整限制风电接入容量的观点;结合内蒙古电网运行实际，提出一种工程实用方法，计算受此约束的风电接入容量，并分析了风电接入容量与系统旋转备用容量的关系及各种相关因素对风电接入容量的影响。研究了风速扰动对风电场所在地区电压稳定性的影响。

目录

摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 风力发电的发展状况和激励政策

1.2.1 世界风力发电的发展状况和激励政策

1.2.2 我国风力发电的发展状况和激励政策

1.3 风电并网技术问题研究动态

1.3.1 潮流分析

1.3.2 静态电压稳定性

1.3.3 静态安全性

1.3.4 动态稳定性

1.3.5 风电功率预测

1.3.6 发电计划安排

1.3.7 容量可信度与供电可靠性

1.3.8 风电机组控制技术

1.4 本文的主要工作

第二章 风力发电机组的工作原理及动态建模

2.1 并网型风力发电机组的主要类型

2.1.1 定桨距风机+感应发电机

2.1.2 变桨距风机+可变电阻感应发电机

2.1.3 变桨距风机+双馈发电机

2.1.4 变桨距风机+同步发电机

2.2 风速模型

2.2.1 风的基本性质

2.2.2 风速的时间序列模型

2.3 定桨距异步风力发电机组的动态数学模型

2.3.1 鼠笼异步电机的工作原理

2.3.2 模型的总体结构

2.3.3 风力机模型

2.3.4 发电机模型

2.4 变桨距双馈风力发电机组的动态数学模型

2.4.1 双馈异步电机的工作原理

2.4.2 模型的总体结构

2.4.3 风能模型

2.4.4 风力机及控制系统模型

2.4.5 变频器电气控制模型

2.4.6 发电机及变频器模型

2.5 风电场电气接线及风电场模型

2.6 含有风电场的电力系统整体建模

2.7 本章小结

第三章 含风电场的电力系统大扰动稳定分析

3.1 含风电场的电力系统大扰动稳定数学模型

3.2 大扰动稳定的计算方法

3.2.1 微分方程的梯形隐积分迭代法

3.2.2 风电模型的求解方法

3.2.3 网络方程的直接三角分解和迭代相结合方法

3.2.4 微分方程和网络方程交替迭代

3.2.5 含有风电场的大扰动稳定计算

3.3 风电并网后内蒙古电网大扰动稳定分析

3.3.1 内蒙古电网风电场分布

3.3.2 计算条件

3.3.3 风电并网后内蒙古电网大扰动稳定分析

3.3.4 控制常规机组和风电机组出力满足系统稳定要求

3.3.5 低电压保护和安全自动装置相结合提高系统稳定水平

3.4 本章小结

第四章 风电并网对电力系统小扰动稳定的影响研究

4.1 状态空间及系统状态方程线性化

4.2 振荡模式与特征表示

4.2.1 振荡频率及阻尼比

4.2.2 相关因子及机电回路相关比

4.3 含风电场的电力系统小扰动稳定数学模型

4.3.1 异步风力发电机组小扰动数学模型

4.3.2 双馈风力发电机组小扰动数学模型

4.4 风电并网后内蒙古电网小扰动稳定分析

4.4.1 风电并网前后内蒙古电网区域间振荡模式比较

4.4.2 风电机组与同步机组对系统振荡模式的影响比较

4.4.3 锡林地区机组对系统振荡模式运行控制研究

4.5 本章小结

第五章 风速扰动对系统调压和调频的影响分析

5.1 风速扰动对系统调压的影响分析

5.1.1 计算条件

5.1.2 风速扰动后异步风电机组调压计算

5.1.3 满足系统调压要求的异步风电机组接入容量

5.1.4 风速扰动后双馈风电机组调压计算

5.2 风速扰动对系统调频的影响分析

5.2.1 风速扰动过程中风电机组有功功率变化规律

5.2.2 联络线潮流调整决定的风电接入容量

5.2.3 各种相关因素对风电接入容量的影响

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作