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1、电力系统潮流计算中风电场节点的处理方法胡卫红!王玮!王英林#肖海波$%!&北京交通大学电气学院北京!()#&华北电力设计院北京!)$*广东河源供电局广东 河源+!,-摘要.比较了国内风电场两种最主要机型异步发电机和双馈异步发电机的差异并基于两种发电机的稳态数学模型分别给出了电力系统潮流计算中两种机型以及不同运行方式下风电场节点的处理方法/最后结合算例进行了计算验证了所述方法的正确性/关键词.潮流计算)异步发电机)双馈异步发电机)稳态中图分类号.0 1,!文献标识码.2文章编号.!$3 4!,!%#5-!3 !#3 (6 7 8 9:;?C 9 D E:B D?D KLB J;?:GAMNOP
2、Q 3 R S T U!OV T UOP Q!OV T UWQ T U 3 X Q T#Y Q V SMV Q 3 Z S$%!&R S S X S X P _ Q T U Q T P P Q T U a P Q b Q T Uc Q V S _ S T UdT Q e P f Q _ g a P Q b Q T U!(h R Q T V)#&iS _ Rh R Q T Vj S kP T U Q T P P Q T Uh S&l _ m&a P Q b Q T U!h R Q T V)$&n N V T U m S T UMP g N V Tj S kP N o o X gh S&MP g
3、N V T+!,h R Q T V-=p A E:?D E.q T_ R Q fo V o P _ R PV N _ R S f S ro V P_ R Pm Q P P T PZ P _ kP P TV TV f g T R S T S N fU P T P V _ S V T mm S N Z X g 3 P mQ T m N _ Q S T U P T P V _ S V T m V S m Q T U _ S_ R Pf _ P V m gf _ V _ PrV _ R P rV _ Q V XrS m P XS _ R Q f_ kSs Q T m fS U P T P V _ S
4、f _ R PV N _ R S fo N _ S kV mrP _ R S m fkR Q R V TZ PN f P m_ Sm P V XkQ _ RkQ T m V rfQ To S kP X S k V X N X V _ Q S T&t N _ R P rS P _ kSP u V ro X P fV Po P f P T _ P m V T m_ R P P f N X _ fm P rS T f _ V _ P_ R P P V f Q Z Q X Q _ gS _ R PrP T _ Q S T P mrP _ R S m f&v9 8 7:J A.o S kP X S k)
5、V f g T R S T S N fU P T P V _ S )m S N Z X g 3 P mQ T m N _ Q S TU P T P V _ S )f _ P V mf _ V _ P近年来随着人们对可持续发展战略的认识风力发电在全球获得了迅猛发展/截止#+年底全球风电装机容量已达+4$#1O/排名前几位分别为德国!w(#w1O西班牙!#,1O美国4!(41O中国以!#(51O排第w位/风电场建设包括风资源测量评估x风场选址x发电机选型x风场内部微观选址x风电场升压站建设x接入电网线路建设等一系列问题/其中风电场选址与接入系统设计都是规划阶段的重要问题其重要性不言而喻/对含风电场
6、电力系统进行潮流计算是规划阶段的基础工作是风电场升压站x接入系统线路方案确定的考虑因素之一/另外在风电系统动态仿真中状态变量的初值也由潮流计算获得/因此对含风电场电力系统进行潮流计算是非常有意义的/!风力发电机组类型目前我国风电场所用发电机主要有两种异步发电机和双馈异步发电机/其中异步发电机占绝大多数/从!4 w 5年我国第一座风力发电场山东荣城风电场建设以来大多都是选用异步发电机/其主要特点是结构简单运行可靠国内一些厂家有较强生产能力因而具有价格优势/该种发电机为定速恒频机组运行中转速基本不变风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的机率比较小因而发电能力比新型机组低/同时运行中需要从电力系统中
7、吸收无功功率/为满足电网对风电场功率因素的要求采用在机端并联补偿电容器的方法/其补偿策略是异步发电机配有若干组固定 容量电容器例如某5 s O机组配有!#&+x#+x+x w,&+s e V(组电容器根据有功功率运行点分组投切/近两年来相当多的新建风电场选用双馈异步发电机我国将会出现#1O装机容量全部选用双馈发电机的大型风电场/该种机型为变速恒频发电系统由于风力机变速运行其运行速度#!华北电力技术iyz 0 Mh Mq i2 l h 0 z q hj yO ziS&!#5万方数据能在一个较宽的范围内调节!使风机风能利用系数#得到优化!获得高的系统效率$可以实现发电机较平滑的电功率输出$与电网连
8、接简单!发电机本身不需要另外附加的无功补偿设备!可实现功率因素一定范围内的调节!例如从%&(领先到%&(滞后范围内!因而具有调节无功功率出力的能力)目前!影响选用双馈发电机的主要因素是价格昂贵以及供货能力不足)*含风电场节点电力系统潮流计算由于两种发电机工作原理+运行规律都不同!因此!计算方法也不同)本文所述方法计算前提条件为风电场所用风电机组风速功率曲线已知)图,为典型几种机型风速功率曲线)图,风力发电机风速功率曲线-./含异步发电机电力系统潮流计算图*为异步发电机稳态等值电路!注入电网的功率01就是电阻2*3 4上的电功率)图*异步发电机的5型等值电路由电路关系得60178*2*3 49
9、2*3 4:*;*=9,:其中!7,;*经计算可以得到滑差64 7?8*2*?82*?0*12A*019*:从等效电路可以看出!异步发电机的功率因数角与滑差4的大小关系为6B 7C D E F C G H2*;9;I:4*2*I4J9 K:异步发电机吸收的无功功率与有功功率间的关系为6L172*;9;I:4*2*I4019 :从式9*:和式9 :可以看出!当异步发电机输出的有功功率01一定时!它吸收的无功功率L1与节点电压8+滑差4的大小有密切的关系)对含异步风电场的电力系统进行潮流计算时!采用迭代法进行计算)计算的流程为69,:设定风速!根据发电机风速功率曲线得到 风电场输出的有功功率01!
10、设定风电场节点的电压初值8$9*:由01和8根据式9*:计算滑差4$9 K:由01和4根据式9 :计算无功功率L1$9 :将风电场视为M N节点!代入电力系统!利用常规的潮流计算方法求解整个系统的潮流方程!从而得到风电场的节点电压8O!判定电压之差在设定的误差范围内!即8O?8 PQ$9(:如果8O R8!令87%&(9 8;8O:!返回到式9*:继续执行式9*:S9 :!直到两次PQ)-.-含双馈异步发电机电力系统潮流计算双馈异步发电机稳态等值电路如图K所示!如图有6图K双馈异步发电机等值电路TUV7WUV9 2V;X V:;9 WUV;WUD:X ITUD47WUD92D4;X D:;9
11、WUV;WUD:X YZI9(:式中!8UV为定子端电压!WUV为定子电流!8UD为转子绕组外接电源的电压!WUD为转子电流!2V和V分别为定子绕组的电阻和电抗!2D和D分别为转子绕组的电阻和电抗!为转差率9下标V代表定子侧物理量!D代表转子侧物理量!以下同:)双馈异步发电机转子的转速是变化的!在转子的三相对称绕组中通入频率为,_4的电流!其中,为工频频率!为转差率!7,?3,!,为同步转速!转子中的,_4频率电流产生转速*的旋转磁场!*7%,_ 3 0!0为极对数!则相对于定子绕组!转子电流所产生的旋转磁场相对K,ab&,%*%华北电力技术acd e f g fh ai j k j g e
12、d h gM clj d万方数据转 速为!#$!%$同步转速&因而在转子变速运 行情况下定子绕组仍能产生固定频率()*+电能,#-&根据双馈异步发电机转子转速的变化双馈异步发电机有三种运行状态&亚同步运行此时!.!%/超同步运行此时!0!%/同步运行状态此时!$!%&双馈异步发电机注入系统总有功功率12由两部分组成一部分是定子绕组发出的有功功率13另一部分是转子绕组发出或吸收的有功功率14&转速高于同步转速超同步运行时转子绕组发出有功功率/转速低于同步转速时转子绕组吸收有功功率&双馈异步发电机的无功功率是发电机定子侧发出或吸收的无功功率与变流器在发电机转子侧发出或吸收的无功功率组成&调节转子外
13、加电源电压的幅值和相角可以改变定子侧发出或吸收的无功功率的大小&变速恒频风电机组的无功功率52可以近似为定子绕组的无功功率53&功率表达式如下,6-784$94:#3 3;8#3?3#53A 83;B=其中:3 3$:382$8384$94:#3 3;8#3?3C#53;%3=83;D=另外计算时要考虑风机转子转速控制规律&双馈异步发电机的转子转速控制规律是指风电机的转速与风力机的机械功率的对应关系通常采用的转速控制规律如式;E=图形见图F&G$GH I).1J.1%G$61JKLM N O1%.1J.1#G$G41#.1J.16G$G4P QG414 P O H I R16;1J16=16.
14、1J.1STU4 P O H I R;E=由于双馈异步发电机有两种运行方式即恒功率因数方式和恒电压运行方式&现对两种运行方式分别进行讨论&#V#V%恒功率因数方式下潮流计算恒功率因数方式下通过调节转子绕组外接图F风力机转速控制规律电源电压的幅值和相角可以维持风电机组定子侧功率因数恒定不变&若风电机组功率因数设定值为W M 3 X 则有753$83O P I Y;Z=代入式;D=得782$83?3#;%O P I#Y=;%3=13;%)=计算步骤如下7;%=设定风速设定风电场电压初值3/;#=根据双馈发电机风速功率曲线得12/;6=根据风电机组的转速控制规律式;E=计算转差率A/;F=根据式;%
15、)=计算13从而根据式;Z=得53/;(=将12 53以 节点形式代入电力系统计算出风电场母线电压3 判定电压之差在设定的误差范围内即 ._/;B=如果3 3令3$)V(;3 3=返回到式;F=继续执行式;F=a;(=直到两次._/;D=得到3的最终计算值代入式;%)=得到13b 14的分布情况&#V#V#恒电压运行方式在这种运行方式下双馈发电机可以吸收或发出无功功率以维持机端电压恒定&在风电机组无功调节范围内风电场可视为 c节点&对于双馈异步发电机其无功功率调节范围受定子绕组热极限电流b转子绕组热极限电流和变流器最大电流的限制但最主要是变流器最大电流限制&因52近似为53将52以53代入式;
16、D=得782$8384$94:#3 3;8#3?3#52;%A=83;%=因转子变流器最大电流限制而形成的运行范围为,F b(-7F%华北电力技术def g*h*i djk l k h g f i h emk fdM V%)#)B万方数据!#$%&$(#)#*+),(#)#-.,/0%1 *其中-.,/0为转子变流器最大电流限制值2计算步骤如下3%1*设定风速4设定恒定运行电压5#6%*根据双馈发电机风速功率曲线得76%8*将74 5#以9:节点形式代入电力系统4计算出风电场母线注入无功功率&6%;*根据风电机组的转速控制规律计算转差率*将7#?&?5#代入式%1 *检查是否越限28算例 A
17、B异步风电场算例异步风电场通过1 1 CD:线路接入E F F F 1;节点系统G H2系统数据参看文献G I HG J H2风电场接入系统线路参数为1 K$L ;K M N 2风电场容量为 C O C CD P4电场中风电机组分为两排4排间距为1 C,4轮毂处的高度为=C,4假定风电场空气密度为1 K ;=D Q R,84风力机的扫掠面积为1J;C,2风电机组的切入风速?切出风速?额定风速均相同4分别为8,R#4 C,R#41 8 K=,R#4额定电压为 M C:4异步风力发电机的定子阻抗为C K C C;=8$L C KC=C I=N 4转 子 阻 抗 为C KC C;J$L C K 1;
18、M1=N 4激磁电抗为L K C=M=N 2计算结果见表1 2表B异步风电场潮流计算结果风速R%,S#T1*风电场节点电压R U V=1 K C 8 IM 1I1 K C 8 MI CM1 K C 8 I I1 11 K C 8 C;81 81 K C C 1=1 K C 1 M1 I1 K C 1 J=1 M1 K C 1 JM;A W双馈风电场算例华北某风电场一期工程4选用1 K=X双馈风力发电机 8台4容量共计8;A=XP4通过一回1 1 CD:线路与系统并网2规划时有;个接入系统方案进行技术经济比较4其中第方案潮流计算结果见图=4计算时双馈发电机用恒功率因数方式2图中数据为额定风速时潮
19、流分布2;结论%1*含风电场电力系统潮流计算4针对不同注3功率单位为XP4 XY/.图=某风电场接入系统正常方式潮流风力发电机组计算方法不同2从计算可以看出4系统对平衡节点的出力有了更高的要求4这意味着实际电网中的调频调峰工作任务变重2%*双馈异步风力发电机恒电压运行方式很容易发生双馈发电机无功功率越极限2这是因为在含风电场系统中4风电场母线电压并非由风电场本身决定4而是由系统运行状况决定2如果强行要求风电场母线电压恒定4必然对双馈异步发电机无功出力%或吸收*提出过高要求4从而超出其运行极限2因此4实际中双馈发电机一般以恒功率因数运行2参考文献G 1 H吴俊玲4周双喜K并网风力发电场的最大注入
20、功率分析G Z H K电网技术4 C C;4%1 C*G H王承熙4张源K风力发电G XH K北京3中国电力出版社4 C C 8G 8 H申洪K变 速 恒 频 风 电 机 组 并 网 运 行 模 型 及 其 应 用G H K博士论文4中国电力科学研究院4 C C 8 4 JG;H申洪4王伟胜4戴慧珠K变速恒频风力发电机组的无功功率极限G Z H K电网技术4 C C 8 4 I%1 1*G=H 9 /4 _/.Z 4#a .b XK c d V e _ f g ch c V i j h d Q ./j d.V#h Qe/i D k j d k e/i D9 PX i d Y .j .#V U
21、U _ f h Q/h#d _/j c_ d/cg.d,/Y/.h/e _#U clh cj V.e h K E F F9.d i k F _ i j.9 d l.K U.K1 M M 4 1;8%=*38 J CT8 J IG H吴义纯4丁明K含风电场的电力系统潮流计算G Z H K中国电机工程学报4 C C=4 =%;*G I H张伯明K高等电力系统分析G XH K北京3清华大学出版社4 1 M M G J H冯硕K含风电场电力系统潮流计算G H K学士论文4北京交通大学4 C C 4=收稿日期3 C C k C;k 1 C作者简介3胡卫红%1 M I 1 T*4男4硕士研究生4曾在南方电
22、网广东河源供电局从事生产技术管理工作4目前研究方向为风力发电并网?电力系统建模与仿真2=1md K 1 C C C 华北电力技术mn o p pE m F q F o E 9 nPF 万方数据电力系统潮流计算中风电场节点的处理方法电力系统潮流计算中风电场节点的处理方法作者：胡卫红，王玮，王英林，肖海波，Hu Wei-hong，Wang Wei，Wang Ying-lin，Xiao Hai-bo作者单位：胡卫红,王玮,Hu Wei-hong,Wang Wei(北京交通大学电气学院,北京,100044)，王英林,Wang Ying-lin(华北电力设计院,北京,100011)，肖海波,Xiao H
23、ai-bo(广东河源供电局,广东,河源,517000)刊名：华北电力技术英文刊名：NORTH CHINA ELECTRIC POWER年，卷(期)：2006(10)被引用次数：9次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.冯硕 含风电场电力系统潮流计算 20062.张伯明 高等电力系统分析 19963.吴义纯;丁明 含风电场的电力系统潮流计算期刊论文-中国电机工程学报 2005(04)4.Pena R;Clare J C;Asher G M A doubly fed induction generator using back-to-back PWMconverters supplying an
24、isolated load from a variable speed wind turbine 1996(05)5.申洪;王伟胜;戴慧珠 变速恒频风力发电机组的无功功率极限期刊论文-电网技术 2003(11)6.申洪 变速恒频风电机组并网运行模型及其应用学位论文 20037.王承熙;张源 风力发电 20038.吴俊玲;周双喜 并网风力发电场的最大注入功率分析期刊论文-电网技术 2004(10)引证文献(10条)引证文献(10条)1.刘岱.庞松龄.刘耀年 含有风电场的电力系统并行潮流分析期刊论文-东北电力大学学报 2010(2)2.廖成滨.温步瀛.江岳文 风电并网的静态电压稳定性研究期刊论文-
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