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1、 风电并网对系统小干扰稳定性分析研究 Study on the Small Signal Stability Analysis of Wind Power System 领 域 ： 电气工程 研 究 生： 陆莹暄 指导 教师 ： 曾沅 企业导师：王颖 电气与自动化工程学院 二零一四年十一 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表
2、示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘 要 随着风力发电在电源的比例逐渐增大，风力发电已经成为最有前景的新能源发电之一。大力发展风电也成为我国可持续能源战略的重要选择，“十二五”期间，
3、我国在甘肃、新疆、河北、吉林、内蒙古、江苏等地规划建设 7 个千万千瓦级风电基地。截止 2013 年底，世界风电装机容量达到 31813 万千瓦，我国风电装机容量达 7716 万千瓦，占全国发电机装机容量的 6.2%。当大规模风电基地集中接入输电系统后，可使整个系统的动态行为和稳定机理发生显著变化。频繁出现的电力系统小干扰引起的稳定问题给人们带来了巨大的经济损失，因此电力系统小干扰稳定性问题引起了人们的广泛关注。 本文对电力系统小干扰稳定的分析方法进行了综述和比较，并对不同类型风电机组的运行原理及数学模型有了详尽的介绍和合理的比较。基于电力系统仿真软件 PSAT，分析了不同类型风电机组（包括恒
4、速异步风电机组、双馈感应风电机组、永磁直驱同步风 电机组）对系统小干扰稳定性的影响，选出最有利于系统小干扰稳定性的风电机组类型。其次，分析了不同风电场位置对系统小干扰稳定性的影响，选出对系统小干扰稳定性有利的 DFIG 风电场位置。最后分析了 DFIG的渗透率对系统小干扰稳定性的影响，并针对稳定性最差的算例给出了提高系统小干扰稳定性的措施。通过适当降低 DFIG 功率因数，可以增加 DFIG 风电场最近的同步机振荡阻尼，增加系统小干扰稳定性，并用实际系统算例分析验证。 关键词： 风电机组；小干扰稳定性；特征根分析；时域仿真；功率因数 ABSTRACT With the wind power g
5、eneration is gradually increasing in power ratio, wind power has become one of the most promising new energy power generation. Development of the wind power has become an important choice for the sustainable energy strategy of China, “Twelfth Five Year Plan“ period, China in Gansu, Xinjiang, Hebei,
6、Jilin, Inner Mongolia, Jiangsu and other places planning and construction of 7 million kilowatt wind power base. By the end of 2013, the world wind power installed capacity reached 318,130,000 kilowatts, Chinas wind power installed capacity of 77,160,000 kilowatts, accounting for 6.2% of the nationa
7、l installed capacity of generators. When large-scale wind power base centralized access transmission system, which can make the dynamic behavior and stability mechanism of the whole system change significantly. Power system small signal stability issue caused frequent brought huge economic losses to
8、 the people, so the small signal stability problem of power system has aroused wide concern. This paper reviews analysis method of power system small signal stability, and operation principle and mathematical model for different types of wind turbines are introduced reasonably in detail. This paper,
9、 based on power system simulation software PSAT, analyzes the different types of wind turbine(including constant speed wind turbine, doubly fed induction generator, direct drive synchronous generator) effect on the system small signal stability. The purpose is to select the wind generator which has
10、an relatively positive effect on the system small signal stability. Secondly, this paper analyzes the effect of different DFIG wind farm location on the system small signal stability, and select the DFIG location which may relatively improve the power system small signal stability. Finally, this res
11、earch analyzes the effect of DFIG penetration on the system small signal stability, and for the the worst stability examples, some measures are given to improve the system small signal stability. By properly reducing the DFIG power factor, the damping of the synchronous machine oscillation, which is
12、 near the DFIG wind farm, can be increased. The system small signal stability is improved. The conclusions can be verified by a real power grid. Keywords： Wind turbine; Small signal stability; Eigenvalue analysis; Time domain simulation; Power factor 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 4
13、 1.2.1 风速扰动对系统小干扰稳定的影响 . 5 1.2.2 轴系对系统小干扰稳定的影响 . 5 1.2.3 发电机工况对系统小干扰稳定的影响 . 6 1.2.4 附加控制电路对系统小干扰稳定性的影响 . 6 1.2.5 不同风电机组类型对系统小干扰稳定性的影响 . 7 1.3 论文工作的主要内容 . 8 第二章 小干扰稳定性的分析方法 . 9 2.1 特征根分析法 . 10 2.2 数值仿真法 . 11 2.3 其他方法 . 12 2.4 基于 PSAT 计算系统小干扰稳定性 . 12 2.4.1 特征根分析 . 12 2.4.2 时域仿真分析 . 13 2.5 本章小结 . 15 第三
14、章 风电机组模型建立 . 16 3.1 恒速异步风电机组（ CSWT， Constant Speed Wind Turbine） . 16 3.1.1 原动机模型 . 17 3.1.2 轴系模型 . 17 3.1.3 发电机模型 . 18 3.2 双馈感应电机（ Double fed induction generator DFIG） . 18 3.2.1 原动机模型 . 19 3.2.2 发电机模型 . 19 3.2.3 控制模型 . 20 3.3 永磁直驱同步电机（ Direct drive synchronous generator DDSG） . 22 3.4 本章小结 . 24 第四
15、 章 风电并网对系统小干扰稳定性的影响 . 25 4.1 PSAT 简介 . 25 4.2 不同风电机组类型对系统小干扰稳定性的影响 . 27 4.2.1 算例设计 . 27 4.2.2 特征根分析 . 28 4.2.3 时域仿真分析 . 29 4.3 风电场位置对系统小干扰稳定性的影响 . 31 4.3.1 算例设计 . 31 4.3.2 算例分析 . 32 4.4 风电渗透率对系统小干扰稳定性的影响 . 32 4.4.1 算例设计 . 32 4.4.2 特征根分析 . 33 4.4.3 提高系统小干扰稳定的控制措施 . 34 4.5 本章小结 . 35 第五章 实际系统算例验证 . 37
16、5.1 算例设计 . 37 5.2 算例分析 . 38 5.3 本章小结 . 41 结 论 . 42 参考文献 . 43 发表论文和参加科研情况说明 . 47 致 谢 . 48 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景 风能的使用已经有了几百年的历史，人们利用风力来研磨谷物、抽水、航海等。最早的风力发电机产生于十九世纪晚期，是一个 12kW 的直流风力发电机。然而，直到二十世纪 80 年代，风力发电技术才变得相对成熟，可高效、可靠地产生电能。在过去的 20 年中，多种风力发 电技术得到了快速发展，提高了风电转换效率，降低了风电生产成本。单台风力机的容量已从几千瓦增加到了几兆瓦。除了陆
17、上风机外，人们已建造出了大型的海上风力发电机组，用来获取更多的风能，减小了土地征用，还可降低对景观的影响。 近年来，随着世界经济的飞速发展，化石能源的消耗也越来越多，环境问题、能源问题也越发严峻。太阳能、风能、潮汐能等可再生清洁能源越来越受到各国的青睐。与传统能源相比，风电是一种清洁能源，不会产生温室气体，也不存在核辐射，且建设周期短。与其他新能源相比，风力发电技术最为成熟，相对安全可靠。因此，风力 发电成为了世界能源市场的重要组成部分，并且在促进经济增长和增加就业率中起着举足轻重的作用。全球风能资源储量约为 2.74 109MW，可供人们开发利用的风能为 2 107MW，仅占总量的 0.73
18、%，虽占其总量的比重较小，但与地球上可利用的水资源相比是其 10倍还多。我国风能资源储量为 32.26亿 kW,可利用的风能约为 2.53 亿 kW，风能资源居世界首位。由于我国位于亚欧大陆东部、太平洋西部属于季风性气候，而且由于所处的地理位置特殊加之地形复杂，使我国的季风气候更加复杂。近几年，中国在经济和科技上都取得了迅猛的发展， 为了响应在哥本哈根世界气候大会上减少 CO2 排放量的主张，中国也正在大力发展风电等清洁能源。 随着风力发电在电源的比例逐渐增大，风力发电已经成为最有前景的新能源发电之一 1。对于很多国家来说，风力发电已经变成了一个重要电力能源。截至2012 年，丹麦，葡萄牙，西
19、班牙和德国的风力发电比例分别为 21%， 18%， 16%和 9%2。 截止 2013 年底，世界风电装机容量达到 31813 万千瓦，我国风电装机容量达 7716 万千瓦，占全国发电机装机容量的 6.2%。大力发展风电也成为我国可持续能源战略的重要选择， “十二五”期间 ，我国在甘肃、新疆、河北、吉林、内蒙古、江苏等地规划建设千万千瓦级风电基地。截至至 2015 年，这些大型风电基地装机容量应该总计达到 7900 万千瓦以上。 第一章 绪论 2 在河北基地，张家口、唐山、承德、秦皇岛和沧州等地区风能资源是重点开发地区。预计在“十二五”时期，建成承德百万千瓦基地一期工程和张家口百万千瓦基地二期
20、工程，大概新增装机容量 250 万千瓦。同时启动张家口百万千瓦基地三期工程和承德百万千瓦基地二期工程建设。 在唐山和沧州这些地区，适当地根据风能资源条件，加快风电开发建设的步伐。预计到 2015 年，河北省累计的风电装机 容量会达到 1100 万千瓦以上。在张家口、承德地区最近建成的风电主要在北京、天津和唐山电网消纳。后续的一些风电项目通过加强与京津唐的主网、河北南网的联网和协调运行，增加河北电网北部风电的消纳空间。其它分部开发的风电场均接入当地电网就近消纳。 在蒙东基地将重点开发赤峰、兴安盟、通辽和呼伦贝尔等地区风能资源。在“十二五”期间，预计 建成通辽开鲁、科左中旗珠日和百万千瓦级风电基地
21、，新增装机容量大约为 350 万千瓦。呼伦贝尔、兴安盟桃合木百万千瓦级风电基地建设项目将启动。截至至 2015 年，蒙东基地预计累计风电装机容量达到 800 万千瓦以上。在通辽开鲁基地和科左中旗珠日和基地的 风电 汇集接入东北 电网 。呼伦贝尔、兴安盟桃合木北极星 电力 网百万千瓦风电基地结合蒙东煤电基地建设统筹外送。东北电网将消纳蒙东地区的风电，并且通过加强东北三省电网联络并统筹跨区外送等措施，增加东北地区区域风电的市场消纳空间。 在蒙西基地重点开发包头、乌兰察布、巴彦淖尔和锡林郭勒等地区成片风能资源。预计在“十二五”时期，建设包头达冒旗、巴彦卓尔乌拉特中旗及锡林郭勒百万千瓦级 的风电基地，
22、新增装机容量为 970 万千瓦；启动四子王旗百万千瓦级风电基地和吉庆百万千瓦级风电基地建设。预计于 2015 年，蒙西地区风电基地累计风电装机容量达到 1300 万千瓦以上。蒙西地区风电主要在蒙西电网内部消纳。通过加强蒙西电网与华北地区电网的联络及协调运行，提高蒙西风电的消纳能力，结合蒙西地区外送通道的建设，研究通过利用外送通道扩大风电消纳范围的市场机制和运行方式。 在吉林基地重点开发通榆、洮南、四平和松原等地区成片风能资源。“十二五”时期，启动白城通榆、瞻榆、大安、洮南、四平大黑山和松原长岭百万千瓦级风电 基地建设，因地制宜地开发吉林其它地区风能资源。预计在 2015 年，吉林省累计风电装机
23、容量将会达到 600 万千瓦。吉林风电消纳问题在吉林省电网和东北电网内统筹考虑，通过接入本省及东北电网的主干网进行消纳。加强东北地区省际电网联络，增加吉林风电的消纳范围。 在甘肃基地将重点开发酒泉玉门、瓜州、肃北及民勤等地区风能资源。“十二五”期间，酒泉千万千瓦级风电基地的二期工程正在建设；民勤百万千瓦级风电基地建设项目已经启动。预计在 2015 年，通过不断努力，甘肃省累计风电装第一章 绪论 3 机容量将会达到 1100 万千瓦以上。调整优化酒泉地区产业 结构，增加当地用电负荷并加强需求侧管理，提高本地消纳风电能力。在甘肃与青海等地区 750 千伏骨架电网建成完善后，利用黄河上游水电与风电的
24、协调运行控制策略，提高西北电网整体消纳风电的能力。结合西北电网与外区联网通道，研究扩大西北风电的消纳市场的方案。 在新疆基地重点开发哈密地区和乌鲁木齐达坂城等地区的风能资源。“十二五”时期，建设哈密东南部百万千瓦级风电基地，新增装机容量 200 万千瓦 ;扩建达坂城风电基地，累计装机容量达到 180 万千瓦。启动哈密三塘湖、淖毛湖等地区的风电规模化开发，根据外送通道建设进展确定开发时 间和建设规模，其它区域的风电项目根据风能资源和当地电网条件因地制宜开发。到 2015 年，新疆自治区累计风电装机容量达到 1000 万千瓦以上。达坂城地区风电主要在新疆电网内消纳，哈密东南部、三塘湖、淖毛湖地区的
25、风电项目除加强本地消纳外，利用规划的煤电外送通道扩大消纳范围，其余规模较小的风电项目在当地就近消纳。 在江苏基地“十二五”时期，加快南通、连云港北部、盐城 陆上风电 开发，陆上风电装机容量达到 200 万千瓦以上。推进盐城和南通海域的海上风电开发建设，建成海上风电装机容量 200 万千瓦以上。因地制宜分散开发建设其它资源相对丰富区域的风电项目。到 2015 年，江苏省累计风电装机容量达到 600 万千瓦以上。通过建设沿岸和海上 风电 配套的 220 千伏、 500 千伏输变电工程，加强风电基地与省内 电力 负荷中心的 电网 联系，以及华东地区省际联网，促进江苏省沿海地区风电的市场消纳。 在山东
26、基地，“十二五”时期，加快烟台、威海、东营、滨州、滩坊、青岛、日照等地区的 陆上风电 开发，陆上风电新增装机容量 500 万千瓦。启动滨州、东营、滩坊、烟 台海域的鲁北和莱州湾百万千瓦级海上风电基地建设，建成海上风电装机容量 50 万千瓦。因地制宜分散开发建设其它资源相对丰富区域的风电项目。到 2015 年，山东省累计风电装机容量达到 800 万千瓦以上，全部在山东省内消纳。通过建设沿岸和海上风电配套的 220 千伏、 500 千伏输变电工程，加强风电基地与省内电力负荷中心的联系，确保海上风电的并网运行。 在黑龙江基地重点开发大庆、齐齐哈尔、哈尔滨东部（依兰、通河）、佳木斯、伊春、绥化、牡丹江
27、等地区的风能资源。“十二五”时期，建成大庆市西部百万千瓦级风电基地，新增装机规模 300 万 千瓦。启动大庆北部、齐齐哈尔富裕等百万千瓦级风电基地建设，因地制宜推动黑龙江省其它地区风能资源的分散开发。 2015 年，全省累计风电装机容量达到 600 万千瓦以上。通过建设风电配套的 220 千伏、 500 千伏输变电工程，加强风电基地与省内电力负荷中心及东北电第一章 绪论 4 网的联系，促进黑龙江风电的市场消纳。 当大规模风电基地集中接入输电系统后，可使整个系统的动态行为和稳定机理发生显著变化 3。电力系统稳定性可以分为电压稳定、频率稳定和功角稳定。基于不同的故障情况，功角稳定性又可以分为暂态稳
28、定和小干扰稳定 4。暂态稳定发生的概 率并不多见，而小干扰稳定性问题时有出现 5。 1970 年 9 月 22 日，美国纽约地区发生了数分钟小干扰下的振荡，导致切除负荷 200MW。 1977 年 9月 22 日，美国纽约地区再次发生了小扰动下的振荡，导致 500 万居民在 25 小时内不能用电，直接经济损失约 3.5 亿美元。 1981 年 8 越 10 日，在美国 Longview，Wash.的小扰动造成了数分钟的发电机切机，切机量 340MW，还切除了大量负荷。同年 9 月 17 日，在美国 Central Oregon 也发生了类似的小扰动稳定事件。 1982年 8 月 4 日，发生在
29、比利时的小扰动造成了全 国大停电。 1982 年 9 月 2 日、 1982年 11 月 26 日、 1982 年 12 月 28 日和 1982 年 12 月 30 日，美国 Florida 均发生了小扰动稳定事件，造成了 2000MW 的切机。 1983 年 12 月 27 日，发生在瑞典的小扰动造成了 11400MW 的负荷切除。 1985 年 5 月 17 日，美国弗洛里达南部发生小扰动导致切除负荷 4292MW。 1986 年 4 月 13 日，加拿大 Winnipeg 的小扰动也造成了系统的大幅振荡。 1986 年 5 月 17 日、 1986 年 5 月 20 日和 1986 年
30、 5月 21 日，美国 Montana 地区电网均发生小扰动事件导致切除发 电 310MW。电力系统小干扰引起的稳定问题给人们带来了巨大的经济损失，因此电力系统小干扰稳定性问题引起了人们的广泛关注。 大规模风电并网后，必然改变系统的稳定特征 6。因此，大规模风电并网对系统小干扰稳定性的影响是一个需要深入研究的课题。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 近年来由于经济社会的快速发展，对能源的需求也越来越高，而化石燃料作为提供能源的主要原料也出现了短缺危机，且其提供能源的同时给环境带来的威胁也越来越严峻。因此，新能源如风能、太阳能、潮汐能等的发展越来越受到人们的重视和青睐，随着京都议定 书的颁布，为了减排 CO2 等温室气体，各国风力发电事业发展也尤为迅猛。近年来科技的进步及风电事业的发展使风能成为新能源中发展最快的能源，相比化石能源，风能的蕴藏量巨大，而且风电技术相对成熟。世界上许多发达国家及发展中国家为解决在发展经济中遇到的化石能源短缺、环境污染及生态恶化等问题，纷纷将风能作为未来发展战略的主要能源。自从上世纪 90 年代以来，风电技术日趋成熟，风电场建设趋于规模化，世界风力发电得到了前所未有的快速发展。自 2004 年以来，风电年装机容量一直持续