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1、风力发电机组的并网运行分析研究报告（中期报告初稿）上海电力学院2005年12月目 录目 录目 录I第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 主要研究内容和研究方法21.3 本研究报告内容提要3第二章 风能与风力发电机组52.1 引言52.2 风能资源与风力发电基本特点52.2.1 风能资源的基本特点52.2.2 风力发电的基本特点62.3 主要风力发电机组类型82.3.1 鼠笼式感应风力发电机组82.3.2交直交变频并网同步风力发电机组92.3.3 双馈感应风力发电机组102.4 风力发电机组基本运行特性研究与对比102.4.1 静态有功特性与稳定极限102.4.2 静态无功特性142.4.3
2、 短路电流特性162.5 本章小结18第三章 风力发电并网运行稳态性能研究193.1 引言193.2 风力发电并网运行的电力系统电压特性203.2.1概述203.2.2 实例系统分析203.2.3 通用系统模型分析443.3风力发电并网运行对电力系统其他性能的影响603.3.1风力发电对电力系统功率因数的影响613.3.2风力发电对电力系统网损的影响633.4 本章小结65第四章 风力发电并网运行动态性能研究674.1 引言674.2 风力发电机组并网过程的动态性能674.2.1鼠笼式感应风力发电机组并网动态过程684.2.2双馈感应风力发电机组并网动态过程69附 录73- I -第一章 绪论
3、第一章 绪 论1.1 研究背景风能是一种丰富、清洁和可再生的一次能源，而电力是一种最重要的二次能源。当前，世界各国对于能源安全和环境保护等问题愈来愈重视，风力发电技术作为解决能源和环境问题、满足可持续发展要求的有效和重要手段，得到迅速的发展，成为全球增长最快的能源。据世界风能协会（WWEA）统计，2003年底全球累计风力发电装机容量达39151MW，比2002年底净增7981MW，增长率为26%，2004年底全球累计风力发电装机容量达47616MW，比2003年底净增8465MW，增长率为22%，净增量创历史新高。在我国，风力发电同样得到了广泛关注和快速发展，至2004年末，我国累计风电机组装
4、机1292台，装机容量76.4万kW，与2003年末累计装机56.7万kW相比，2004年累计装机增长率为34.7%，超过全球22%的年增长率。我国全国人大已经通过可再生能源法并于2006年1月1日实行，必将极大地推动我国风力发电的发展。风力发电的发展对能源、环境、制造等各个领域带来了新的机遇和挑战，也得到了不同领域人们的关注。对于电力系统，作为一种不同于传统火电、水电或核电的发电型式，风力发电至少有三个新的特点：（1）作为风力发电机组原动机的风力机，其出力受到自然界风速变化的影响，并在本质上不受人们的控制；（2）风力发电采用了各种新型的发电机组，它们与传统发电型式中的同步发电机在运行和控制特
5、性方面有着很大的差异，且风力发电机组单机容量远小于当代火力、水力或核能发电厂中的主流发电机组；（3）风力发电受到风能资源地域性分布的限制，大多位于电网相对薄弱的地区、电网末端、甚至远离现有电网的地区。风力发电的这些新的特点将为其并网运行的电力系统带来许多新的特性和影响，尤其在当前风力发电容量快速增长、局部电网有可能以风力发电为主要电源的情况下，风力发电对电力系统的影响不容忽视。因此，对风力发电并网运行特性的研究是当前电力工作者迫切需要解决的一个课题。1.2 主要研究内容和研究方法本研究的主要目的有以下几点：分析各种因素作用下风力发电并网运行对电力系统的影响、研究风力发电最大并网容量的限制性条件
6、、研究并提出改善风力发电并网运行的措施。为此，本研究的主要内容有：（1）研究风能资源的特点，及其对风力发电的基本要求。风能资源虽然是易于变化和不可控制的，但是它也遵循一定的规律，对这些规律的研究和把握是开展与风力发电有关的各类研究的基础；（2）主要风力发电机组类型的对比研究。通过长期的发展，目前形成了几种不同的主流风力发电机组类型，它们的原理、结构、运行特性和对电力系统的影响都是不尽相同的，在开展深入研究之前，有必要对它们的基本特性开展研究和对比；（3）风力发电并网运行稳态性能研究。电压水平是电力系统稳态运行的重要指标，一般认为，风力发电并网运行主要受到电压的制约，所以，本部分的研究重点是风力
7、发电并网运行后电力系统的电压特性，包括不同系统配置和风力发电对电压的影响，以及电压变化对风力发电并网容量的限制。对于在配电网接入系统的风力发电，它将改变局部电网的潮流流向和大小，因此对网损、功率因数等指标有着相应的影响，这也属于本部分的研究内容。本部分研究以风力发电系统静态有功与无功特性为基本依据，主要采用基于潮流的研究方法；（4）风力发电并网运行动态性能研究。风力发电经常处于风速变化的扰动之中，由此引发的动态过程是风力发电的显著特点；此外，由于风力发电采用了新型的发电机，其动态性能也不同于传统的同步发电机，这些因素对电力系统动态性能的影响是本部分研究的重点，主要包括：风力发电并网过程动态、风
8、力发电引起的电压波动和闪变、风力发电系统谐波研究、风力发电在电网故障等暂态过程中的特性及其稳定与控制和风力发电对继电保护系统的影响等。本部分研究在风力发电机组控制原理和动态特性分析的基础上，主要采用时域仿真的研究方法，并采用频域分析等方法作为必要的补充。1.3 本研究报告内容提要第一章，绪论；第二章，研究了风能资源和风力发电的基本特点，这些基本特性的存在使得风力发电系统必须遵循一定的规律和要求，由此引出了当前三种主流的风力发电机组类型，并对它们的特性分别做了分析和研究，其中最基本的是它们的有功功率特性、无功功率特性和短路暂态特性，并以此作为后续研究的基础和依据；第三章，本章研究风力发电并网对于
9、电力系统稳态运行的影响，其中最重要的是对于系统电压的影响，还包括对于局部网络功率因数和网损的影响。在电压问题研究中，首先选取了一个实际的地区电力系统进行研究，考查了各种因素对于电压水平的影响，对比了在各种并网方式和并网点的情况下，系统电压的变化规律，形成了该地区电网进行风力发电并网的一些结论；进一步，建立了通用、抽象的局域电力系统的模型，在此基础上研究了各种因素对电力系统电压、功率因数和网损的影响，形成一套研究方法和程序，得出了在电压水平限制下，风力发电最大并网容量与系统参数的关系；第四章，本章研究风力发电并网对于电力系统动态性能的影响。目前已经完成的工作为风力发电机组并网动态过程的研究；第五
10、章，总结。- 95 -第二章 风电机组类型比较分析第二章 风能与风力发电机组2.1 引言在第一章中已经指出风力发电所具有的三个特点，其中受风速变化影响和采用新型发电机组是风力发电自身存在的内部因素，在风力发电与电力系统相互作用和相互影响中起到了最基本的作用，电网连接条件等因素的影响是通过发电机组自身的特性反映出来的。风力发电技术发展过程中，出现了许多风力发电机组类型，它们的原理、结构和特性各不相同，为风力发电系统的分析带来了很多变化因素，本章将分别对当前主流的各种类型的风力发电机组进行分析和研究，为深入的研究做好准备。同时，由于风能资源和风速变化特性在风力发电中所具有的关键性作用，本章将首先对
11、风能资源和风速变化的规律进行探讨。2.2 风能资源与风力发电基本特点2.2.1 风能资源的基本特点风能资源状况是发展风力发电最基础的工作。风速概率分布是体现风能资源统计特性的重要指标，也是在风电场规划设计和并网技术研究中所必须的重要依据。风是自然界的产物，人们目前还无法对其进行有效的控制，但是风速的变化和分布也是有一定的规律可循的。简言之，风速可分解为缓慢变化的分量和快速变化的分量。在一定的时间尺度上，风速的平均值可以认为是不变的，这种平均值就是缓慢变化的分量。如人们常取10分钟的风速平均值进行研究，通过长年累月的风速观测，用该平均值来估计观测地风力资源的状况，风能研究领域中常用来表示风速统计
12、状况的Weibull分布就是这种风速平均值的一种反映。在人们需要从长期的角度进行研究时，Weibull分布是一种非常有效的工具。在图2-1中，给出了长期风速Weibull分布在不同参数下的曲线。图2-1不同参数下的Weibull型风速分布曲线在风力发电系统动态研究中，还需要对风速的快速变化分量进行研究和建模。一种做法是将风速分解为四种分量，其中基本风表示慢速变化分量，阵风、斜坡分量和背景噪声组成了快速变化分量，且阵风是快速变化分量的主要部分。但是这种模型难以确定阵风或斜坡分量参数的方法。现在的风力发电系统的研究中，还往往采用平均风速分量与湍流分量相叠加的风速模型。在这种模型中，平均风速可在数分
13、钟至数十分钟的时间尺度内保持不变，风速的变化由湍流分量给出。这时，湍流可以看作是一个平稳随机过程，并且满足两个条件：一是风速序列与平均风速的偏差服从零均值高斯分布，二是风速序列满足一定的功率谱密度。这里的第一个条件限定了风速变化的范围，第二个条件则限定了风速变化的频率和幅度，这对风力发电系统的动态行为是至关重要的。2.2.2 风力发电的基本特点风力发电是将风能转化为电能以便加以利用的技术，风力发电的规模取决于对风能利用的大小。在这个过程中，风力机是原动机，将风能转化为旋转机械能，然后带动各种类型的发电机，将机械能转化为电能，再通过输、变电系统接入大规模电网、或者就近组成孤立供电系统。所以，风力
14、机是风力发电的源头，风力发电的特性在很大程度上与风力机有关。对一台实际的风力机,其机械输出功率PWT(v)可以下式表示：(2-1)其中，为空气密度， 为风速，为风力机扫略半径，为风能利用系数，表示风力机将风能转化为转轴上输出机械能的效率。不是一个常量，而是随着风力机的转速而变化的，通常表示为风力机叶尖线速度和风速的比值“尖速比（TSR）”的函数，的定义为：(2-2)其中，为风力机转速。随的变化的典型曲线如图2-2所示。对于定桨距角的风力机，它的Cp-曲线是确定的；而对于变桨距风力机，它的Cp-曲线随着桨距角在一定范围内的变化大致做上下平移，对于某一固定的桨距角来说也是确定的。由图2-2可知，风
15、力机的风能利用系数Cp只有在一个特定的最优尖速比opt下才达到最大值Cpmax，而由式(2-2)知，当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的转速，那么必将偏离其最优值opt，从而使Cp降低，即降低了风力机的风能利用效率。所以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机组的转速也随之变化从而保持最优尖速比和最大风能利用系数，这就是变速风力发电系统诞生和发展的一个主要原因。图2-2典型风力机风能利用系数与尖速比特性曲线1888年，在美国出现了用风机带动直流发电机给电池组充电的系统，随后，又出现了用这种变速直流发电机带动直流电动机的系统，但只能用于对电压要求不高的场合，因为变速直流发电机所发
16、的电压随转速而变化。这些变速直流发电系统曾得到了很大的发展；但是，它们随着交流电、变压装置、电网互联等技术的出现而逐渐被交流互联系统取代，只在偏远的、不便直接和电网连接的地区还有用途，作为独立小系统的电源。在能源问题日益突出的今天，风能作为清洁的可再生能源，越来越受到各国政府和科研工作者的重视，人们在不断探索风力发电的新技术，试图将风力发电机与电网稳定地连接起来，以便更好的利用风电。这个问题的关键在于发电机（系统）输出电压的频率要与电网相同。为解决这个问题，人们使用了各种型式的风力发电机，下面分别具体进行阐述。2.3 主要风力发电机组类型2.3.1 鼠笼式感应风力发电机组为了实现风力发电机稳定
17、的频率，人们发明了恒速风机，与之对应，得到广泛应用的就是鼠笼式感应风力发电机组，其结构如图2-3所示。其发电机采用笼型转子，通过齿轮箱与风力机转子相连，因风力机的转速较低，一般为2030 转/分，而发电机的转速较高，一般为数百至数千转。图2-3鼠笼式感应风力发电机组这种发电机组的优点是转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而其结构简单、坚固，基本上无需维护。但它也有几个明显的缺点，首先，鼠笼式感应发电机需要吸收大量的无功，而且有功功率输出越多所需要吸收的无功功率也越多，这是对电网运行很不利的，为此，发电机定子侧往往需要装设无功功率补偿装置，如图2-3所示的并联电容器，但这仍不能满足动态运行的需
18、要；其次，这种发电机组运行时转速变化较小，但根据前述的风力机工作原理，恒速风机的风能利用效率较低。2.3.2交直交变频并网同步风力发电机组随着电力电子技术的发展，电能变换装置在风力发电中得到了广泛的应用并起到了重要的作用。为了提高风能利用效率，必须实现变速运行，即实现变速恒频风力发电系统。由于电力电子变流装置可以实现电压、频率的变换，因此，在发电机变速运行情况下，无论其发出的电能具有怎样的电压和频率，都可以用变流装置进行变换，然后并网。图2-4示出了近来得到快速发展的一种风力发电机组。它采用同步发电机，发电机与风力机连接时，变速装置可有可无，因发电机电子电压总是变化的，然后经过变流装置并网。图
19、2-4交直交变频并网同步风力发电机组这种型式的风力发电机组实现了变速运行，风能利用效率较高，而且经过变流装置并网，使得机电系统解耦，不存在同步电机的功角稳定问题，变流装置还具有一定的无功功率控制能力，改善了风力发电的电压问题。但这种发电机组的变流装置容量至少与发电机额定容量相等，使得成本较高且运行损耗较大。2.3.3 双馈感应风力发电机组双馈感应风力发电机组采用了双馈感应发电机，这种发电机是一种绕线式转子感应电机，与笼型感应电机不同的是，其转子绕组通过滑环和电刷与一个双向变流器相连接，如图2-5所示。图2-5双馈感应风力发电机组双馈感应风力发电机组的转子变流器可以在发电机转子与电网之间进行双向
20、能量交换，并改变发电机转子绕组的电压、频率和相位，实际上具有提供励磁电流的功能。因此，这种风力发电机组能够实现变速运行，追踪最佳尖速比，从而提高风能利用效率；更重要的是，它具有控制无功功率的能力，可以吸收或发出无功功率、以及运行在单位功率因数下，所以获得了较好的电网连接特性；同时，该转子变流器的容量一般为发电机额定容量的30%，降低了系统的成本和运行损耗。2.4 风力发电机组基本运行特性研究与对比2.4.1 静态有功特性与稳定极限 鼠笼式感应风力发电机组基于鼠笼式感应发电机的风力发电系统如图2-6所示。图2-6鼠笼式感应风力发电机组这种发电机自身没有控制能力，其输入功率由风力机决定，该功率可根
21、据风力机型式和种类的不同进行相应的调节，从而运行在不同的工作点。鼠笼式感应发电机功率与转速（转差率）之间的典型关系（P-s曲线）如图2-7所示。图2-7鼠笼式感应发电机典型P-s曲线在图2-7中，转差率的负号表示转速超过同步速，由于鼠笼式感应发电机没有转子励磁，它必须要运行在超同步速状态下才能发电。图2-7还表明，这种风力发电机组的转速变化范围非常小，图中斜率为负的一段曲线就是该发电机能够维持静态稳定运行的范围。事实上，并网运行的鼠笼式感应风力发电机组静态稳定运行范围还受到系统参数的影响。图2-8给出了在风力发电机组并网点短路容量变化时的一组P-s曲线。表2-1是相应的数据对比。这些数据说明，
22、在短路容量相对较小的情况下，发电机的出力将受到限制，甚至达不到额定出力值。图2-8鼠笼式感应风力发电机组并网点短路容量变化时的一组P-s曲线表2-1短路容量对鼠笼式感应风力发电机组静态稳定范围的影响短路容量(p.u.)804020有功功率极限(p.u.)1.74141.25910.9860转差率极限(p.u.)-0.0188-0.0137-0.0107 双馈式感应风力发电机组双馈式感应发电机的结构如图2-5所示。其转子为绕线式绕组，可以外接有源或者无源设备与装置，从而使发电机本身具有一定的控制能力。在实际的双馈式感应风力发电机组中，转子绕组通过一个双向的变流装置与定子（电网）侧相连，通过转子绕
23、组外加电压和输入电流的变化，达到控制发电机运行状态的目的。由于发电机转子外加为三相交流电压，其变化范围不是一条线，而是一个面，无法用类似于鼠笼式感应发电机的P-s曲线来描述。对于这种系统，可以用特征值分析的方法研究它在各运行点的静态稳定性。首先将描述系统的非线性方程组线性化，根据线性化系统的方程，首先求取双馈感应发电机在各转速下稳态运行的工作点，再通过对Jacobian矩阵特征根的计算判断系统的稳定性。对某双馈式感应风力发电机组的特征根分析结果如表2-2和图2-9所示。表2-2列出了几个不同转速稳态运行点的特征根，更多工作点的计算结果参见图2-9。表2-2双馈式感应发电机各运行点特征根转差率s
24、0.20.0770.00006-0.077-0.2特征根(100)-0.262+ 3.12j-0.262+ 3.12j-0.262+ 3.12j-0.262+ 3.12j-0.261+ 3.12j-0.262- 3.12j-0.262- 3.12j-0.262- 3.12j-0.262- 3.12j-0.261- 3.12j-0.169+0.726j-0.125+ .390j-0.098+ .298j-0.153+ .367j-0.194+ .696j-0.169-0.726j-0.125-0.390j-0.098-0.298j-0.153-0.367j-0.194-0.696j-0.060-
25、0.150-0.205-0.095-0.0128图2-9双馈式感应发电机在各运行点的特征根由上述计算结果知，当发电机转速从远离同步速到接近同步速时，有一对复根的实部在复平面的左半平面向虚轴移动，而一个实跟则在左半平面远离虚轴，即使当发电机几乎运行在同步速时，仍能保持所有的根具有负实部，说明在相当宽的运行范围（设计运行范围）内，发电机能够一直保持静态稳定。由于转子电压可以根据运行点和外部系统的条件而变化，双馈式感应发电机的静态稳定性几乎不受到外部系统参数的影响。 同步发电机经过交直交变频并网这种型式的风力发电系统的静态稳定性主要与两个因素有关：同步发电机和变流装置，其中，同步发电机对静态稳定性其
26、主要作用，变流装置的影响通过稳态等效阻抗反映出来，即：对于传统的同步发电机，其静态稳定极限与发电机电抗、升压变电抗及线路电抗之和成反比，对于经过交直交变频并网的同步风力发电机，还需要考虑变流装置等效阻抗。研究表明，变流装置的等效阻抗在不同运行点和控制方式下具有正、负数值，这说明在不同运行点和控制方式下变流装置对于同步风力发电机的静态稳定性具有提高或降低两种可能性。2.4.2 静态无功特性 鼠笼式感应风力发电机组对于鼠笼式感应发电机，由于没有转子励磁，定子电流需要承担起建立发电机气隙磁场的作用，所以定子电流中存在着一定比例的无功电流分量，这种发电机总是要从电网中吸收一部分无功功率。无功电流分量的
27、比例决定了发电机的功率因数，它与发电机的运行转速有关。鼠笼式感应发电机无功功率与转差率之间的典型关系（Q-s曲线）如图2-10所示。由图2-10可见，当鼠笼式感应发电机转差率从零不断减小、即转速不断增加时，它吸收的无功功率迅速增长，这将使得机端电压下降，以至影响发电机和电网的正常运行。所以，这种发电机运行速度不能偏离同步速太多，否则必须采用无功补偿装置以维持发电机和系统的稳定运行。图2-10鼠笼式感应发电机典型Q-s曲线 双馈式感应风力发电机组双馈式感应发电机的转子通过变流装置与电网连接起来，能够与外界进行双向能量交换，在产生励磁电流和建立发电机气隙磁场中起到重要作用，同时能够调节发电机的运行
28、工作点。在这种情况下，发电机的无功功率可以自由地调节，与转速并没有固定的关系，其变化主要受到发电机自身热容量的限制，即与有功出力有关。图2-11给出了双馈式感应发电机有功功率与无功功的关系。在图2-11中，有功功率和无功功率的运行极限构成了一个半圆。图中的一组曲线表示不同热容量下发电机的运行范围。 同步发电机经过交直交变频并网同步发电机自身具有良好的无功功率调节和控制能力，同时，其用于并网的电力电子变流装置也具有非常良好的无功功率控制性能，因此，同步发电机经过交直交变频并网时，其无功功率不受转速、乃至发电机热容量的限制，而主要取决于变流装置的热容量。对于电网电压维持恒定的系统，变流装置的输出电
29、流决定了其有功功率和无功功率，所以，这种系统的P-Q曲线与双馈式感应发电机类似，也是一个封闭的半圆，具有较宽的无功功率运行范围。图2-11双馈式感应发电机有功功率与无功功率运行极限2.4.3 短路电流特性本节将研究风力发电机组升压变低压侧发生三相短路后发电机的短路电流。 鼠笼式感应风力发电机组对于鼠笼式感应发电机，其额定运行时三相短路的冲击电流可以利用实用公式来计算，公式表明，最大冲击电流是额定电流的10倍左右。 双馈式感应风力发电机组双馈式感应发电机的短路过程比较复杂，与鼠笼式感应发电机有本质的区别，与同步发电机也不相同。可以利用时域仿真或公式推导的方法求解短路电流。某双馈式感应发电机1秒时
30、发生短路后的短路电流计算结果如图2-12和表2-3所示。图2-12 双馈式感应发电机三相短路电流表2-3双馈式感应发电机定子三相短路电流冲击值IA (p.u.)IB (p.u.)IC (p.u.)计算结果4.1346.5907.130以上结果表明，双馈式感应发电机定子三相短路电流最大冲击值约为78倍额定电流值。 同步发电机经过交直交变频并网当升压变低压侧发生三相短路时，同步发电机经过交直交变频并网这一系统的短路电流将由变流装置提供，这时的短路电流计算将随着变流装置控制方式的不同而有很大差异。如果短路电流在电力电子器件的承受范围内，机组将提供最大的短路电流，如图2-13所示，这时短路电流的冲击值
31、可达额定值的12倍左右。如果控制系统检测到过电流，将使得变流装置闭锁，从而不提供短路电流，这种紧急运行方式有可能造成机组转速超速，需要配合机械刹车来保证系统安全。图2-13同步发电机经过交直交变频并网的短路电流2.5 本章小结本章首先研究了风能资源和风力发电的基本特点，这些基本特性的存在使得风力发电系统必须遵循一定的规律和要求，由此引出了当前三种主流的风力发电机组类型，并对它们的特性分别做了分析和研究，其中最基本的是它们的有功功率特性、无功功率特性和短路暂态特性，并以此作为后续研究的基础和依据。由于鼠笼式感应风力发电机组中风力机恒速运行、风能利用效率较低，同时发电机需要吸收电网无功功率，运行性
32、能较差，这种发电机在新建风电厂中已较少采用，而基于双馈感应发电机的变速恒频风力发电机组技术成熟、各种综合性能较好，近年来得到迅速发展，成为目前风力发电装机的主流机型，因此本研究将主要以该机型构成的风力发电系统的研究为主。第三章 风力发电并网运行稳态性能研究第三章 风力发电并网运行稳态性能研究3.1 引言并网型风力发电的目的是通过电网向用户提供电能，保证风力发电厂与电网安全、可靠的连接和输出符合质量和经济型要求的电能是大型风力发电厂并网运行的首要条件。随着各国对能源和环保问题的重视，特别是中国对可再生能源立法工作的进行，我国的风力发电装机容量将快速增长，风力发电在整个电网中的比重将不断增加，国家
33、计划到2020年风力发电的装机容量将要达到20000MW，是2003年底的35倍之多。在这种形势下，风力发电对电力系统的影响也越来越大，在风力发电接入的局部地区，电力系统的特性将与风力发电系统密不可分，这些都需要对风力发电的并网性能做出研究。风力发电对电力系统的影响包括各个层次和各个方面，可以大致分为对电力系统稳态性能的影响和对动态性能的影响。本章将研究在稳态运行下，风力发电与电力系统的相互作用和影响，下一章将研究它们在动态过程中的相互作用与影响。由于风力发电的接入，电力系统的潮流将改变，特别是在配电网接入的风电厂，对局部系统潮流的影响是很大的；同时，风力发电机组的有功、无功性能与常规的同步发
34、电机有很大不同、而不同类型风力发电机组之间也有很大差异，这也将影响到电力系统的稳态运行状况。根据世界上目前对风力发电的研究，本研究的主要着眼点是风力发电对电力系统电压的影响。电压水平是电力系统稳态运行的重要指标，而风力发电特有的无功功率和电压特性决定了它将显著影响电力系统的电压，所以本章的研究重点是风力发电并网运行后电力系统的电压性能。在一定风力发电机组无功功率与电压特性的基础上，各种不同因素将对包含风力发电的电力系统的电压性能产生影响，本章的研究将详细分析这些不同因素的影响，找出其中的规律。电力系统电压必须满足一定的指标，它要求风力发电接入后电力系统的电压变化在一定的范围内，否则将会限制风力
35、发电的并网容量，本章还将研究在一定的条件下，电力系统所能接纳的风力发电极限容量，以及提高该极限容量的措施，从而更多、更好地利用风力发电。由于风力发电将改变电网的潮流流向和大小，本章还将研究风力发电对网损、功率因数等指标产生的一定影响。这些指标的变化虽然不会直接决定风力发电的极限并网容量，但对于正确看待风力发电接入后相关经济、技术指标的变化有着重要意义。3.2 风力发电并网运行的电力系统电压特性3.2.1概述在风力发电发展过程中，经过长期运行实践和研究工作的积累，电压问题被认为是风力发电并网运行所产生的最明显的问题，也是限制风力发电接入的一个主要出发点。在风力发电快速发展的形势下，对于一个特定的
36、电力系统，它所能容纳的风力发电装机容量的最大极限是人们非常关心的问题，而电压指标成为确定这一容量极限的重要依据。但是，影响一个电力系统中电压指标的因素是很多的，除了风力发电装机容量以外，还包括有：（1）风力发电接入点的电压等级、系统短路容量等；（2）风力发电的稳态运行特性；（3）风力发电与系统联络线的参数特性；（4）地区负荷水平和功率因数状况。本研究将对各种因素的综合影响进行分析，提出在一定条件下的风力发电最大并网容量及其分析方法。3.2.2 实例系统分析本节针对一个具有风力发电并网的地区电网进行分析和研究。该地区电网已有一定容量的风力发电在并网运行，还将继续有更多的风力发电并网，本节首先研究
37、现有系统的运行特性。重点研究扩建风力发电的不同并网、运行方式对系统电压的影响及相关的限制条件。新建的风力发电取10KV母线并网、35KV母线并网、110KV母线并网三种形式。风电机组取目前已经并网运行的850KW双馈发电机组和计划建设的2000KW机组两种典型机组。三种并网方式的接线图分别为：（I）4850KW42000KW风电机组在10KV母线并网运行等值电路图如图3-1所示；变电站35KV侧系统短路容量取300MVA(阻抗5)；变压器(35/10.5KV)容量10MVA；最大负荷12.5MVA，COS=0.9；风电场距离2.1KM；风力发电机COS=1。图3-1风电场10KV母线并网等值电
38、路（II）102000KW风电机组在35KV侧母线并网运行等值电路图如图3-2所示；变电站220KV侧系统短路容量取5151MVA(阻抗9.4)；变压器(220/121/38.5KV)容量180MVA；35KV侧负荷50MVA，110KV侧负荷68MVA ，COS=0.9；风电场距离7KM；风电场变压器取35/10.5KV；风力发电机COS=1。 图3-2风电场35KV母线并网等值电路（III）102000KW风电机组在110KV侧母线并网运行等值电路图如图3-3所示；变电站220KV侧系统短路容量取5151MVA(阻抗9.4)；变压器(220/121/38.5KV)容量180MVA；35KV
39、侧负荷50MVA，110KV侧负荷68MVA ，COS=0.9；风电场距离7KM；风电场变压器取110/10.5KV；风力发电机COS=1。（1）母线负荷水平不同时的影响 10KV母线并网运行风电场在10KV母线并网，当负荷从0到100不同水平下，风电功率从0增加到11.4MW时10KV母线电压的变化见图3-4。在10KV并网时母线负荷变化对母线电压的影响较大，平均变化-5.15%；负荷功率一定时，风电功率大小的变化对电压的影响明显，最大变化+2.65%(100%负荷)。图3-3风电场35KV母线并网等值电路图3-4 10kv母线并网不同负荷功率对电压的影响 35KV母线并网运行风电场在35K
40、V母线并网，当负荷从0到100不同水平下，风电功率从0增加到20MW时35KV母线电压的变化见图3-5。图3-5 35kv并网时不同负荷水平35KV母线电压的变化在35KV并网时负荷变化对母线电压的影响很大。随负荷增加电压曲线基本平行下降，35KV电压平均变化6.1；同一负荷水平时电压曲线基本为水平，说明风电功率大小的变化对电压的影响很小，最大只有0.4%。当负荷为80时的电压变化规律见图3-6。图3-6 35KV侧并网负荷水平(80%)时电压的变化由图可见，10KV母线电压随风电功率增加先升高然后下降，在12MW时最高；35KV和110KV电压随风电功率增加略有下降(分别为0.27%、0.1
41、2%)。 110KV母线并网运行风电场在110KV母线并网，当负荷从0到100不同水平下，风电功率从0增加到20时110KV 母线电压的变化见图3-7。图3-7 110kv并网时不同负荷水平110KV母线电压的变化在110KV并网时负荷变化对母线电压的影响较大，随负荷增加电压曲线基本平行下降，110KV电压平均变化4.65；同一负荷水平时电压曲线基本为水平，说明风电功率大小的变化对电压的影响很小，最大-0.45%。当负荷为80时的电压变化规律见图3-8。图3-8 110KV侧并网负荷水平(80%)时电压的变化由图可见，10KV母线电压随风电功率增加有下降(0.42%)；35KV和110KV电压
42、随风电功率增加略有上升(分别为0.12%、0.09%)。在35KV和110KV两种不同电压并网时，随风电功率变化时电压变化曲线见图3-9。图3-9 不同电压等级并网负荷100%时电压的变化由图可见35KV并网和110KV并网比较，风电功率变化时二者的电压变化无明显差异(两线平行)。在35KV侧并网时35和110KV电压较110KV侧并网整体低约0.5%,10kV电压低约1.5%。 小结：1随电网负荷的减小电压会上升，无论风电场在哪一电压等级并网当负荷减小到20%时，电压变化约1.2%，最大变化已达6%。2在10KV侧并网风电功率大小的变化对电压的影响明显(+2.65%)；在35KV侧或110K
43、V侧并网风电功率大小的变化对电压的影响很小(-0.45%)。335KV侧并网和110KV侧并网比较，35KV侧并网时各母线电压均较低, 10kV电压平均低1.5%。4风电场变压器变比应根据电网的额定电压来选择，主变额定电压为121KV和38.5KV，选择变比为35/10或110/10。不能选38.5/10或121/10，否则风电机组电压会过低，低于0.9。5无论风电场在哪一电压等级并网，为使电压变化小于3%，负荷变化45%时应采取其他控制措施保证电压。为减小10KV侧并网时风电功率变化对电压的影响，风电机组容量超过5MW时应在不同的10KV母线分段上并网。（2）配电网负荷功率因数不同时的影响
44、10KV母线并网运行风电场在10KV母线并网，当负荷功率因数从1到0.8不同水平下，风电功率从0增加到11.4MW时10KV母线电压的变化见图3-10。图3-10 10kv母线并网时不同负荷COS对电压的影响在10KV并网时用电负荷变化对母线电压的影响较大，功率因数降到0.85电压平均下降5.43%；降到0.8电压平均下降6.2%。功率因数一定时，风电功率大小的变化对电压的影响明显，最大达+2.69%(COS=1) 35KV母线并网运行风电场在35KV母线并网，当负荷功率因数从1到0.8不同水平下，风电功率从0增加到20MW时35KV母线电压的变化见图3-11。在35KV并网时，负荷功率因数变
45、化对母线电压的影响较大，随功率因数下降电压曲线基本平行下降，0.85时35KV电压平均变化6.1；同一功率因数时电压曲线基本为水平，说明风电功率大小的变化对电压的影响很小(最大0.31%)。当负荷功率因数为0.85时的电压变化规律见图3-12。由图可见，10KV母线电压随风电功率增加先升高然后下降，在1214MW时最高；35KV和110KV电压随风电功率增加略有下降(0.26%、0.1%)。图3-11 35kv并网负荷COS不同时35KV母线电压的变化图3-12 35KV侧并网负荷COS=0.85时电压的变化 110KV母线并网运行风电场在110KV母线并网，当负荷功率因数从1到0.8不同水平
46、下，风电功率从0增加到20MW时110KV 母线电压的变化见图3-13。在110KV并网时负荷功率因数变化对电压的影响较大，随功率因数下降电压曲线基本平行下降，0.85时35KV电压变化6.4；同一功率因数时电压曲线为水平，说明风电功率大小的变化对电压的影响很小(最大-0.47%)。图3-13 110kv并网负荷COS不同时110KV母线电压的变化当负荷功率因数为0.85时的电压变化规律见图3-14。由图可见，10KV母线电压随风电功率增加有下降(0.45%)；35KV和110KV电压随风电功率增加基本不变(0.12%、0.08%)。图3-14 110KV侧并网负荷COS=0.85时电压的变化
47、在35KV和110KV不同电压并网时，随风电功率变化时电压变化曲线见图3-15。由图可见35KV并网和110KV并网比较，负荷功率因数变化时二者的电压变化无明显差异(两线平行)。在35KV侧并网时35和110KV电压整体低约0.5%,10kV电压低约1.8%。图3-15 不同电压并网负荷COS=0.85时电压的变化 小结：1随负荷功率因数降低电压下降很大，负荷功率因数从1降低到0.85时，各母线电压下降均超过-5%，已超过3%的要求。负荷功率因数从0.95降低到0.85时，各母线电压下降已接近-3%。2负荷功率因数一定时，10KV侧并网风电功率的变化对电压的影响明显(+2.69%)；在35KV侧或110KV侧并网风电功率的变化对电压的影响很小。335KV侧并