风电接入对电力系统稳定性的影响

中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名：汤凯明学号：1030114211专业：电气工程及其自动化班级：电气102设计（论文）题目：风电接入对电力系统稳定性的影响指导教师：孙丽宏系：现代科技学院2014年3月12日1.选题的背景与意义现代社会离不开一个电能安全，稳定，可靠的电能供应系统。在向低碳电力系统转变的过程中使电力系统保持一个高的供电可靠性水平是至关重要的。我国存在着电源与电网发展不协调、不平衡的问题。我国各大电网互联输电能力不完善，电网之间的互相救济与跨电网的补偿能力还有待优化。由于各种因素，目前我国主要的如风能等资源分布较为偏远，而在偏远地区电网结构比较薄弱，实现大容量、远距离输送电能还较难满足需求。所以国内电力系统的电网规划必须向智能电网转型。风电是现今一种最成熟、最具大规模商业开发条件，成本相对较低的一种的可再生的清洁能源。世界上很多国家把风电作为改善能源结构、应对气候变化的重要选择。在我国风电装机容量增长迅速，风力发电机组大型化，成本大幅降低其带来的风能资源也是十分巨大。风力发电是特殊的电力，其具有自身特殊的特点，风力的随机性和间歇性以及机组运行时对无功需求都会对电力系统稳定运行。风电场的并网将会给电网带来诸多如安全稳定、电能质量等不利的影响。对于我们国家而言，风电能源建设是未来能源建设的重要课题。目前，国内主要的风电机组主要包括：恒速风电机组、变速风电机组。变速类型中又包括双馈变速风电机组和永磁直驱风电机组。由于恒速风电机在运行时需要从电网中吸收无功功率。真正在风电场中使用主要以双馈变速风电机和永磁直驱风电机组为主。因为这两种机组转速可变且能提供无功支撑。其中基于双馈感应电机(DFIG)的变速风电机组具有变速运行的特性,能够提高风电机组的风能转换效率,实现最大风能捕获并减小风电机组机械部件所受应力;能够通过变频器控制系统,实现发电机有功、无功功率解耦控制,调节改善风电场的功率因数及电压稳定性。几年来地位逐渐取代了普通的异步发电机成为主流机型。普通异步发电机在风力发电系统中，都是在自然风吹动风力机后经过齿轮箱增速后使得转速升高，直接驱动普通异步发电机并网发电的。电网频率与定子磁场频率相等，转差率小，转子本身转速变化就小，它也被称为恒速恒频风力发电系统。在风速过大时，风电机与发电机之间的机械功率增大，反转转矩和输出功率也随着增大。转子转速就会超出安全转速，异步发电机将不稳定。此类异步发电机的无功损耗在装机容量过大时，为了提高风电系统的功率因数，会采用静止无功补偿器来增加异步电机的励磁电流。另外由于风速等外力因素的影响，普通的异步发电机力矩会发生变化这种却不能用调解装置来解决。由于普通异步式发电机的一些弊端无法被避免，双馈异步风力发电机因励磁变频器容量小、造价低、可实现变速恒频运行等优势，成为了风电机组中的主流机型所以双馈异步发电机的风力发电系统成为发电设备的主要选择方向之一。风力发电系统不必使风力机转速保持恒定，而是通过其他控制方式使得频率保持恒定。他的优势在于，它能够实现风力机运行在最佳值。2.研究内容风速的随机性导致了风机出力的随机性。风电作为系统的一个不稳定的电源。本文主要研究风电场在进行发电时，对电网的稳定的一些影响。根据双馈风力发电机组，进行在不同风速下风电机组电压、转速、功率特性的仿真。以及电力系统在风电场输出功率的冲击下电压以及系统中常规机组的是输出变化。3.拟解决的主要问题1、需要对Matlab仿真软件的熟练操作。2、应用PSAT仿真软件对风电场接入电网的仿真。3、了解双馈风力发电机组的模型参数工作原理。4.技术路线根据双馈风力发电机组接入电力系统的情况，在不同风速下用PSAT仿真软件对风电机组电压、功率的动态响应，功率特性曲线模型进行仿真，再利用WSCC3机9节点系统，对含有风电场的电力系统建立模型，仿真其在不同风速模型下风电场的输出功率、母线电压以及其他常规发电机组的输出功率。5.研究方案与可行性分析PSAT是一种基于Matlab的电力系统静态和动态分析及控制工具箱，功能:潮流计算、连续潮流计算、最优潮流计算、小信号稳定性分析和时域仿真。（1）潮流计算：进行各种电力系统问题研究的基础，PSAT包括了标准牛顿-拉夫逊算法、快速解耦算法等。PSAT具有友好的潮流计算界面,在装载算例(*.mdl或*.m)文件后,选择powerflow完成潮流计算后可以弹出潮流计算GUI。其中，清楚地列出了母线电压相角、有功、无功等潮流结果。同时，PSAT还支持将潮流结果以文本格式输出，这样的潮流结果可以方便地应用于任何软件编写的电力系统分析软件的输入。（2）最优潮流：PSAT采用基于Mehrotra预测-修改的内点法求解最优潮流问题，并且PSAT最优潮流中的目标函数相当丰富。（3）小信号分析：低频振荡正成为跨大区输电安全性的瓶颈，针对这一问题的研究已广泛展开。在完成基本的潮流计算后，PSAT便可以进行特征值参与因子等计算工作。它采用解析法计算Jacobian矩阵，这样就保证了计算的精确性。（4）时域仿真分析：PSAT采用修改系统参数(例如支路阻抗数值大小)以及其专有的嵌入式的故障描述文件(*.m)来构成。PSAT软件所内置的风机模型为5阶模型，其5个状态变量分别为风速、直轴电流、交轴电流、风轮角速度、风机功角。在PSAT中风机模型包括定速风力发电机模型、直驱风力发电机模型、双馈风力发电机模型，这里我主要用到了双馈风力发电机组。针对国内的主流的双馈风电机组参数为依据，以单个风机接入电网为典型，主要利用了PSAT软件的潮流计算跟时域仿真的功能，采用不同风速模型，以实际风电机组的参数为依据，根据验证风力发电机组的动态特性。假设模拟风电场组的输出功率水平，分别从风电机组本身和电网侧的角度，选取几种不同风电场的运行方式，研究风电场接入对其他常规发电机组的影响，采用WSCC3机9节点系统，基于PSAT对含有风力发电场的电力系统建立模型。分析在不同风速模型下，风电场的自身输出功率与母线电压的变化情况以及电力系统中其他常规发电机组在此类系统中输出功率的变化情况。6.实施计划第1周－第3周：研究课题的背景及意义，结合国内外研究现状，并完成文献综述与开题报告；第4周－第6周：资料的查询、整理，题目可行性的分析，熟悉MATLAB仿真软件。第7周－第12周：开始具体的毕业设计实施，并迎接毕业设计中期检查；第13周－第14周：开始撰写毕业设计论文；第14周－6月初：修改论文，准备答辩。7.参考文献[1]张晓峰.国内外风电现况分析[J].科技与企业，2012，19:168-168.[2]施鹏飞.风力发电在中国的现状和前景[J].水力发电学报，1998,3:4-17.[3]张丽英，叶廷路，辛耀中，韩丰，范高峰.大规模风电接入电网的相关问题及措施[A].中国电机工程学报，2010,30（25）：1-9.[4]张衡.浅谈大规模风电接入对电力系统的影响[J].华夏电力，2011,6:51-56.[5]程路,白建华,贾德香,辛颂旭.国外等电并网特点及对我国的启示[J].中外能源2011,16（6）：30-34.[6]周利鹏,高文韬.国外风电并网特点及对我国的启示[J].科技传播，2013,16:62+58[7]曾鸣,吕春泉,田廓,董军.智能电网对低碳电力系统的支撑作用[J].电力系统自动化,2011,23:6-10.[8]张勇,张剑.智能电网在国内电力系统规划中的发展[J].科技创新与应用，2013，35:154.[9]迟永宁,王伟胜,刘燕华.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响.电力系统自动化,2006,30(15):10-14.[10]张红光，张粒子．风电场接入电网的安全稳定分析[J]．中国电力，2007，40(5)．[11]杨秀媛，肖扬，陈勇．风电场风速和发电功率预测研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(11)：1—5．[12]风力发电并网后需要关注的主要问题[J].电网与清洁能源，2008,7;43[13]李向荣,牟道槐.采用静止无功补偿器和异步发电机改善高压电力系统无功调节特性[J].电网技术,2002,10:58-61.[14]曹娜,李岩春,赵海翔,戴慧珠.不同风电机组对电网暂态稳定性的影响[J].电网技术,2007,09:53-57.[15]孙蕾,余洋,原美琳.双馈异步风力发电机组功率调控能力研究[J].电力科学与工程,2009,09:1-6.[16]娄尧林，吴晨曦，李明富，姜偕富，基于PSAT的风机接入电网模型的研究[J]，机电工程，2012.29(7):829-832.[17]沈正元，初翠平.基于PSAT的风电场接入电力系统时域仿真研究[J].新能源，2012.6：16-19.[l8]雷亚洲.与风电并网相关的研究课题[J].电力系统白动化，2003,27(8):84-89[19]张新房，徐人平，吕跃刚等.风力发电技术的发展及若干问题[J].现代电力，2003(5):29-34[20]关宏亮,迟永宁,王伟胜,戴慧珠,杨以涵.双馈变速风电机组频率控制的仿真研究[J].电力系统自动化，2007,31（7）：61-65.[21]SystemImpactStudyfortheInterconnectionofWindGenerationandUtilitySystem,ChaiChompoo-inwai,StudentMember,IEEE,Wei-JenLee,SeniorMember,IEEE,PraditFuangfoo,StudentMember,IEEE,MitchWilliams,andJamesR.Liao,Member,IEEE.[22]DYNAMICSIMULATIONOFLARGEWINDFARMSINTEGRATEDINAMULTIMACHINENETWORKF.W.Koch,1.Erlich,Member,IEEE,andF.Shewarega.