风力电力系统分析_李生虎编著_9787030343123

大容量风电并网，给电力系统分析与控制带来许多新的问题。故障后风电机组故障穿越，有利于电网安全稳定，但是增加了分析计算的难度。李生虎编著的《风力电力系统分析》针对风力电力系统，分析潮流、暂态稳定、静态稳定和概率仿真中风电机组的建模及影响。计及风电机组结构和变流器约束，提出扩展潮流模型，建立潮流灵敏度算法；计及绕组和变流器约束，采用优化算法求解稳态出力范围。以内电势为状态变量，提出同步电机精确电磁暂态模型；讨论风电机组故障穿越和参与紧急控制方式。采用 Prony分析，提取风电系统振荡特征参数；区分同步电机和感应电机，分类定义低频振荡模式；推导特征根高阶灵敏度，以及降阶系统特征值灵敏度；探讨潮流收敛性与静态电压稳定关系、电磁暂态模型中定子暂态和转速变化的影响；给出风电系统概率评估算法，推导多状态设备可靠性及其灵敏度算法。《风力电力系统分析》可作为风电系统研究和运行调度人员的参考资料，也可作为高等学校研究生教材。

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第1章风力发电概述
大规模可再生能源接入，给传统电力系统带来巨大冲击和深远影响。风力发电是一种主要可再生能源形式。以下介绍风电发展现状和风电机组结构，分析风电发展主要制约因素。基于风电并网规程，讨论风电机组和同步电网之间的相互影响。
1.1 风力发电简介
能源利用形式从机械能转化为电能，是工业革命过程的一个里程碑。有了电，就可以将能量大规模、远距离输送，驱动电机工作，建设高速高效生产流水线，为计算机、通信、网络等现代科学技术提供必要基础条件。
提起发电厂，人们印象里往往是高大结实的烟囱和冷凝塔，或者雄伟壮观的拦河大坝。确实，目前绝大部分电力供应来自于火力、水力和核能发电。火电厂通过燃烧煤炭、石油、天然气等化石能源，将水加热成蒸汽，由汽轮机带动发电机发电。但是化石能源正在逐渐枯竭，二氧化碳排放造成的温室效应日趋明显，火力发电不能长久持续下去。水电厂在河流上游建设拦河大坝，利用水的高度落差，推导水轮机旋转发电。对于加拿大、巴西等少数国家，水电是主要能源利用形式。但是对其他大部分国家，可利用的水力资源受地理条件限制，并不丰富；而且大型水电开发，对环境、气候和地质条件的影响，一直还存在争议。核能发电曾被认为是解决能源危机的有效方案。但是每一次核泄漏事故，都会加剧民众对于核辐射的恐惧和抵制心理。部分欧洲国家已经开始决定逐渐削减、并最终停止使用核电。
一次能源危机和环境保护，促使人类改变传统能源利用形式，希望得到清洁无污染、可持续再生的能源，如风能、太阳能、潮汐能等［1~6］。这些可再生能源需要初期投资，但是无需燃料，运行成本远低于火电，且比较安全。随着制造成本降低和使用寿命提高，以及电价导向政策，新能源发电技术得到了广泛重视和快速发展。目前很多国家制定了可再生能源规划，希望在未来10~20年内将再生能源占电能比例达到20%以上。由于经济、技术等制约因素，这些规划未必能按期完成；但是从另一方面来说，新能源开发利用的最终目标，应是全部而非部分替代化石能源，因此其发展前景任重而道远。
风力和光伏发电所利用的能量，本质上都源于太阳光照。光伏发电核心技术包括半导体材料、化学电池以及电力变流技术等。在沙漠等人烟稀少地区，可以建设大容量太阳能电站。在城市中的住宅和厂房屋顶，只要有一定日照强度，就可以铺设太阳能电池板，且对容量规模没有明确限制。可以设想，如果绿色建筑技术达到一定水平，采用新型光伏材料敷设民用建筑外表，将有可能实现居民用电的部分自给自足。
风力发电的工作原理，是利用风力机捕捉风的动能，将其转化为旋转动能，然后驱动发电机发电；其核心技术包括风力机材料、机械传动、旋转电机以及变流技术。风力发电需要风速达到一定数值以上，从经济性考虑需要风速常年较为稳定，加上风力机的噪声和视觉污染，大型风电场不大可能建在城市中心，一般都位于沙漠或近海等风能资源丰富、人类活动较少的地方。陆地风电场优点在于建造、安装和并网成本较低，运行维护容易。海上风场可以节约土地，风速大且稳定。［7］
根据中国气象局风能太阳能资源评估中心数据我国陆地技术可开发风能资源约为26.8亿kW，在离岸20km的近海范围技术可开发量，为1.8亿kW，全国总技术可开发量为28.6亿kW。考虑到实际因素，可利用陆地风能8亿kW，可利用近海风能1.5亿kW，共计约9.5亿kW。如果陆上风电年最大利用时间为2000h，每年可提供1.6万亿kW・h的电量；近海风电年最大利用时间为2500h，每年可提供3750亿kW・h的电量，两者合计约2万亿kW・h。折合为人均电量，可见风力发电在我国具有良好的发展前景。
目前在世界上大多数国家，风电、光伏等可再生能源占电能消费的比例仍然很低，但是发展很快，在一些国家建设速度甚至已经超过了其他形式电厂。到2008年底，欧洲和全世界累计装机达64.935GW和120.791GW，比2008年初分别增加14.89%和28.77%呈现加速发展趋势（图1.1）［8，9］。欧盟风电产业发展起步较早，但是世界上其他国家，包美国和中国等，风电建设极为快速，逐渐赶超欧盟。根据中国风能协会（CWEA）统计数据［10］中国风电装机容量，2006年仍在世界前五之外，其后几年都接近翻倍增长，到2009年名世界第二，仅次于美国。在甘肃、内蒙古等省份，出现百万千瓦容量的大型风电基地。更大容量的风电基地也正在规划和建设中。括，底排，只要燃料充足、无设备故障，火电机组可达到或接近额定出力运行。风电机组出力受到风速影响，当风速低于额定风速时，不能按额定容量满发。因此风电场最大发电小时数远小于火电厂。风电占总发电电量的比例，也小于风电装机容量比例。即便如此，风电已逐渐发展为一种不可忽视的能源形式。图1.2给出2009年欧洲部分国家风电量占电量供应的百分比，其中丹麦高达20.3%其次是西班牙（12.3%）、葡萄牙（11.4%）、爱尔兰（9.3%）和德国（6.9%）。我国2009国风电投资超过核电投资，与水电投资差距进一步缩小。2009年全国风电年利用小时数为2077，发电量为276.15亿kW・h［11］，规模也较为可观。
1.2 风电机组简介
从结构上，风力发电机组包括风力机、传动机构、旋转电机，以及其保护和控制设备［12~14］。风力机将空气动能转换为旋转机械能，发电机将机械能转换为电能。风电技术涉及许多工程领域，如材料工程、机械工程和电气工程等。在电气工程领域，主要包括电机、电力电子与电力传动、电力系统三个技术领域，而风力机防雷保护还涉及高电压技术。
风力机可采用水平轴或者垂直轴，大部分为水平轴，有两个或三个叶片，固定在轮毂上。风力推动叶片旋转，带动传动轴旋转。然后通过低速传动轴、增速齿轮箱、高速传动轴，将机械能传递给旋转电机转子，使其旋转发电。受机械特性限制，风力机叶片转速ωt一般不超过20~30r／min。机组容量越大，风力机额定转速越低［15，16］。当电网额定频率为50Hz，发电机额定电角速度为3000r／min。若取极对数p＝2，则电机转子转速ωr的额定值为1500r／min。因此，除了通过变流器与交流电网连接的直驱机组外，其他风电机组都需要采用齿轮箱增速，增速比为η＝ωr／pωt，以达到电机额定转速。
风电机组中机电能量转换，由感应电机或同步电机实现。感应电机结构简单、结实便宜，以前主要用于工业负荷驱动，最近20年在风力发电中得到广泛应用。采用鼠笼式感应电机直接并网时，风力机转子转速调整范围极为有限，由电网频率、变速箱变比、感应电机转子转速决定，恒速恒频风电机组称为恒速恒频机组。为降低启动涌流冲击、降低输电回路电压降落，往往采用由反向并联晶闸管组成的软启动器并网。并网以后旁路软启动器，以降低损耗。
在不同风速下，风力机实现最大功率跟踪（MPPT）的最优转速不同，因此恒速恒频风电机组控制有功能力有限。可以通过改变齿轮箱变比或电机极对数，来实现转速控制。当风速过大时，可以采用失速控制和桨距角控制，调整有功功率输入。感应发电机在发出有功功率的同时，将消耗无功功率，因此需要采用固定或可控并联无功补偿。快速风速扰动将转化成转矩和功率波动，对电网运行造成冲击。
双馈感应电机是一种变速恒频机组，转速部分可控（图1.4）。考虑到大容量变流装置的成本，双馈电机折衷考虑运行控制灵活性和经济性因素。它采用绕线转子式电机，用背靠背（B2B）变流器改变励磁电流幅值、频率、相位。通过改变励磁频率，可调节转速。在负荷突变时，改变电机的转速，充分利用转子动能，部分抵消负荷扰动，降低对电网扰动。在不同风速下，双馈机组可以次同步或超同步转速运行，转速变化范围较宽。双馈机组机端可以按恒功率因数运行，即有功功率由风速决定，无功功率与有功功率成正比。当变流器容量足够大时，在一定运行条件下，双馈机组甚至可以用于维持端电压幅值恒定。
直驱型风电机组采用绕线转子式感应电机或永磁式同步电机（图1.5），采用背靠背变流器与电网直接相连。由于变流器之间存在直流环节，发电机定子频率无需跟踪系统频率，因此理运行范围最宽，适用于大容量风电机组。
从风电发展趋势来看，新增大型风电机组中少见恒速恒频类型，而直驱型机组又在逐渐取代双馈机组的主导地位。但是由于大规模风力发电历史很短，很多过去安装的风电机组还远没有达到使用寿命，从投资者角度来说，不可能马上淘汰。因此，各种风电机组并存，是目前不得不接受的实际现状。考虑到不同厂家风电机组设计标准不同，并且随着电力电子器件和控制技术的发展，控制策略也将发生变化。各个国家的风电机组并网标准、宽严程度也各不相同，需要时间逐渐趋同统一。合理分析、协调控制不同类型风电机组，有利于风电系统安全运行和风电事业健康发展。
1.3 风力发电制约因素
大型风电场一般建在荒漠或近海等远离城市的地方，所发电力不是满足本地负荷，而是通过交流或直流线路，输送至主电网和负荷中心。由于风速快速波动性，风电电能质量较差，被视为一种较不可靠能源形式，需要电网平抑波动、平衡供需关系。因此，大规模风力发电一般以传统网架输电、以传统同步电机或大容量储能设备为备用。现有电力系统中潮流控制、保护控制、功角稳定、电压稳定、低频振荡等问题，风力电力系统同样不能避免。风电系统另一个特点是，感应电机与同步电机工作原理、控制方式、稳定特性等都有一定差异。感应电机转速不受同步机组间功角稳定约束。在调频控制时，输入量不再是转子转速，而是定子频率。大规模风电穿越，给电力系统运行安全提出许多新的问题，诸如：
（1）风电机组运行控制建模。与同步发电机相比，风电机组建模的区别在于引入风力机和变流器的运行控制特性。风电机组运行控制的基本目的是，使其实现最大功率跟踪或按调度指令降出力运行。通过变流器参数调节，解耦控制有功和无功出力，使损耗最少且运行灵活。不同类型的风电机组，其稳态和暂态过程建模具有自己的特点。例如，对于恒速恒频感应电机，其机端有功由风速确定，无功由有功和端电压确定。对于双馈和直驱型机组，机端作为恒PQ或PV型节点，但其可控范围受到绕组及变流器限制。双馈电机在小扰动和故障冲击时，可能使用不同于正常运行方式的故障穿越策略。风电机组稳态和暂态过程建模是风力电力系统分析和控制的前提和基础。
（2）风电系统输电规划和建设。就地平衡的小型风电场，无需过分关注输电问题。对于大型陆地和海上风电基地，往往距离负荷中心很远，需要将风电机组出力集中，升压后通过高压线路远距离输电。在我国，规划中的风电基地大多位于西北地区，受电负荷主要位于东部地区。合理的输电方案有利于风电建设，避免窝电现象。同时，输电电压等级较高时，输电阻抗较小，相当于风电场与远方同步电机电气距离更近一些，这样可以增加风电场在风速扰动和电网故障后的恢复能力。
（3）风电调度和调频方案设计。风电机组出力由随机变化风速决定。现有预测技术对电力负荷误差很小，但对风速误差较大。利用时间和空间气象预报，可以进一步提高预测精度。但是即使可以精确预测风速，由于风电波动与负荷曲线不重合，将给电网调度带来很大压力。同步发电机可以提供平抑风电功率波动的备用容量，不过仅作为备用运行，其经济性很难为投资者所接受。储能装置如蓄电池、超级电容、飞轮等，理论上可以提供调频手段，但是限于制造技术，容量相对电网来说非常有限，不足以消峰填谷。抽水蓄能电站通过高、低水库间势能和电能转换，可以提供一定调频能力。但是水库建设及高度落差，在沙漠和近海地区都不易实现。电动汽车和电解氢气在风电过剩时消耗多余电力，在电能不足时向电网反馈电力，或可成为一种潜在的调峰方式［17］。另外，风电机组有计划的降出力运行，可以提供部分备用容量。
（4）大容量风电对电网电能质量和稳定性的影响。国内外电力行业曾经接受的风电穿越功率比例，一般不超过20%否则认为可能引起电网安全问题。丹麦最近几年的风电电量比例均超过20%。由于网结构和有功备用方案较为合理，并没有出现严重的电网事故。我国电网结构和规模与丹麦存在较大差异。考虑风电基地和负荷中心距离、风电基地容量和同步电网规模，有必要精确量化大规模风电功率对风力电力系统稳态和暂态特性的影响。

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