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1、 分类号 UDC 密 级 学 号 1108080826 硕士学位论文 含永磁直驱式风电机组的电力系统静态 电压稳定性分析及改善措施研究 冯雪晨 学 科 门 类： 电气工程 学 科 名 称： 电力系统及其自动化 指 导 教 师： 张江滨 申 请 日 期： 2014 年 3 月 27 日 I II Abstract IV calculation method, based on IEEE14 node systems which contain wind farms example, repeat trend method is used to get P - V curves of typica
2、l node. Through the analysis of the comparison of different control strategies wind unit grid power system of typical node P - V curves, it is concluded that the power factor is changed to the influence of the reactive power of fan, fan active output is higher, if even can emit a certain reactive po
3、wer is likely to cause inadequate reactive power margin, reduce the system voltage stability. Finally, in order to solve the problems the voltage stability of wind power grid operation, application of particle swarm algorithm to determine the wind farm and network scheme of reactive compensation cap
4、acity, which can realize fast global optimization, to reduce the network loss and ensure system node voltage in the allowed range, ensure the normal operation of wind farm. Keywords:Permanent magnet synchronous generator ( PMSG)； static voltage stability；Reactive power optimization； Particle swarm o
5、ptimization (PSO)； WindPowersynchronization 目 录 目录 摘要 . 错误！未定义书签。 Abstract . 错误！未定义书签。 目录 . 1 1 绪论 . 1 1.1 研究背景与意义 . 1 1.1.1 国内外风电发展现状 . 1 1.1.2 风力发电系统简介 . 2 1.1.3 风电并网带来的问题 . 3 1.2 国内外研究进展 . 4 1.2.1 风电并网系统电压稳定分析的研究现状 . 4 1.2.2 风电场无功补偿的研究现状 . 5 1.3 本文主要研究内容 . 6 2 永磁直驱式风机数学模型 . 7 2.1 风速模型 . 7 2.2 风力机
6、模 型 . 9 2.3 传动系统的模型 . 11 2.3.1 双质量块模型 . 11 2.3.2 集中质量模型 . 12 2.4 直接驱动永磁同步电机 . 12 2.4.1 直接驱动同步电机工作原理 . 12 2.4.2 直接驱动同步电机完整动态模型 . 13 2.4.3 直接驱动同步电机简化动态模型 . 15 2.5 直接驱动永磁同步风力发电机系统控制 . 16 2.5.1 以控制直流电压为目标的控制方案 . 17 2.5.2 以控制逆变器电压电流为目标的控制方案 . 17 2.6 小结 . 18 3 风电场接入后潮流计算与静态电压稳定性分析 . 19 3.1 包含变速风电机组的电力系统潮流
7、分析 . 19 3.1.1 风电场等值 . 19 3.1.2 含风电场的潮流计算方法 . 22 3.2 含风电场的静态电压稳定性分析 . 25 3.2.1 电压稳定分析方法 . 25 2 3.2.2 风电场并网后的电压稳定性分析 . 27 3.2.3 不同功率因数 下的电压稳定性分析 . 30 3.3 小结 . 33 4 基于改进粒子群算法的无功优化 . 35 4.1 改进粒子群算法 . 35 4.1.1 粒子群算法原理 . 35 4.1.2 参数设置与计算流程 . 37 4.1.3 改进粒子群算法 . 38 4.2 含风电场电力系统的无功优化 . 40 4.2.1 目标函数与约束条件 . 4
8、0 4.2.2 计算结果分析 . 41 4.3 小结 . 43 5 结论 . 45 致谢 . 47 参考文献 . 49 1 绪论 1 绪论 1.1 研究背景与意义 能源匮乏、气候变化以及环境污染等问题已成为目前世界关切的重点问题。世界各国达成共识认为，发展低碳经济，将传统高污染、高能耗的经济增长方式转变为低排放、低耗能的发展方式，达到可持续性发展并保证对资源利用的合理规划，已成为世界各国的战略选择，也是世界能源可持续发展的唯一途径。新型清洁能源的开发作为发展低碳经济重要的一环，目前已引起了世界各国的广泛重视 1。清洁能源包括核能和可再生能源，如水能、太阳能、地热能、风能、生物能 (沼气 )等能
9、源。核能因为其使用铀燃料，资金成本巨大， 虽属清洁能源，却非可再生能源。因而基本上所有的国家，即便有着最领先的科技和管理方式，都不能保证核电站完全的安全。核电站被视为是战争中或恐怖主义袭击的主要目标，人为袭击或自然灾害的打击都可能会产生严重的后果，所以目前可再生能源成为各国正在努力寻求的和能源替代品。 因为风能有着可再生、无污染、分布广泛等许多特点，在各类新能源中，有较好的应用前景。风能利用的主要形式是风力发电。与其他新能源相比，风力发电有着更为成熟的技术、较低的成本，具备大规模商业开发的条件。目前的风力发电应用的发展已经从小容量 、 本地 化 使用向大规 模集中并网方式转变。受制于风能间歇性
10、强、随机性大等特点的影响，大规模风电场并网运行会造成系统的稳定性、安全性的降低。因此，大规模风电场并网对电力系统稳定性、特别是电压稳定性的影响这一课题已成为急需解决内容。为保障电网的安全、可靠运行，依风电并网对电网影响制定合理的对策亦具有重要的意义 23。 1.1.1 国内外风电发展现状 我国疆域广阔，风能的可开发潜力巨大，有着极其丰富风能能源，总风能开发量约有712 亿 kW，良好的能源基础使风电将在将来的能源构成中成为重要组成部分。截止到2013 年初，全国拥有总计装 机量 53764 台，共计 7532.4 万 KW，同比增长 20.8%，新增安装风电机组 7872 台，装机量 12.9
11、6 万 KW。在接下来的几十年时间里 我国的风电将进入更加快速发展的时期，“十二五”发展蓝图中，我国 风电 并 网装机容量会在 2015 年达到一亿 KW 以上， 2020 年达到两亿 KW。，我国风电装机容量在近 10 年品均每年增长 70%，全球风电装机容量年均增长 31.8%，我国风电装机容量增长速度约为全球风电增长速度的 2倍。近三年来我国风电装机容量继续维持快速增长势头，平均每年的增长速度约为世界平均增长速度的 4 倍 13。 风电设备制造水平的飞速发展使得风电机组单机容量的不断增大。而兆瓦级机组由于受到市场热捧已逐步成为市场主流机型，全球最大的风电机组其容量已达 6MW。由于受风2
12、 能资源、输送设备等因素的制约，内陆风电最大的单机容量为 3MW，海上风电场及近海陆地风电场单机容量较之略高，可达 56MW。我国当下的风电机组平均价单机容量为 1.05MW，最大容量 3MW4。 在 21 世纪第一个十年，是风电黄金发展的十年，装机容量保持了年均 30%的发展速度。由 Global Wind Energy Council（ GWEC）提供的年度 报告 （ Global Wind Statistics 2012） 显示 ，截至 2012 年底，全球风电总装机已达 282430MW， 从风电产能发展的角度分析， 2012 年全球 新增风电装机高达 44711MW，从 风电总 装机
13、容量看， 2012 年全球风电产业 总 计装机容量高达 282430MW， 这三项的 同比增长 率分别为 18.7%、 10.1%和 18.7%。从1996 年至 2012 年期间，全球风电机组总装机容量平均增长速度达 27.1%，显示了快速、持续增长的势头。 从 GWEC 提供的数据可知，不论在装机总量还是新增装机容量方面，全球的风电产业都以及 进入黄金发展阶段，欧洲、北美和亚洲市场是风电主要应用地区，并且风电装机量为全球排名前十的国家依然占据超过全球风电总装机量的 80%。需要特别提出的是，风力发电在一些新兴市场有着迅猛的增长势头，例如第一次加入榜单的拉丁美洲国家巴西（第八名， 1077M
14、W）以及东欧国家罗马尼亚（第十名， 923MW），法国和瑞典被这两个新晋国家将挤出风电装机容量全球前十的序列。由此可见，风力发电的发展正在由个别国家集中发展向在更广范围内、更多国家中发展转变。 1.1.2 风力发电系统简介 根据目前应用范围划分，按调节方式和运行方式的 不同风力发电机组通常可以分成恒速恒频和变速恒频两种类型。 1、恒速恒频风电机组，目前的主要机型为普通异步发电机。此类电机的主要特点为结构简单、价格便宜、运行可靠。由于在正常运行过程中其转速基本不变，因此风力发电机组的风能转换效率系数不能保持在最优值，发电效率不突出，并且异步电机的无功在运行时从系统中吸收，需要在机端加设无功补偿装
15、置。为了得到更高的发电效率，实现低风速时风能的充分利用，近年双速异步发电机得到广泛应用。这类双速异步电机在经过对极对数的调节后能够实现大、小电机两种运行方式。 2、目前占据主导地位的 是双馈异步风力发电机，是一种变速恒频发电系统，价格较贵。其风力机由于可以变速运行且可以在一个较大的范围内调节运行速度，得以改变风机风能转换效率系数 Cp，通过优化风能转换效率系数，获得较高风能利用率。变速恒频发电机可以实现发电机较平滑的电功率输出，即便不另外加设无功补偿设备，也可在一定范围内进行功率因数调节，一般情况下功率因数调节范围为从超前 0.95 到滞后 0.95 内，因而具有一定的无功功率调节能力。 3、现在世界公认的新型第三代风力发电机组是永磁直驱风力发电机，与双馈机组不