1、风力发电技术基本原理及大规模风电并网运行问题 1 主要内容?1.风力发电技术的基本原理及其发展?2.大规模风电并网的运行问题3.风电场故障穿越原理及要求；4.风电大规模脱网故障机理；?2 1、风力发电技术的基本原理 及其发展 3 1.风力发电技术的基本原理及其发展?早期的风车早期的风车 历史上第一个确证的风车：阿富汗，公元644年，直立轴，谷物磨坊 1180年，西欧，水平轴风车 人类利用风能的历史已有几千年。16世纪：荷兰风车，通过转动风车的上部来跟踪风向 1792：Jealousie叶片，可以调节输出功率和转速 4 图片来源：中国-德国技术合作项目 “中国风电中心“PowerFactory培
2、训 1.风力发电技术的基本原理及其发展?1973年石油危机后，风力发电发展得到欧美一些国家政府的大力支持，风力发电机逐渐由小型到大中型发展。80年代后，有Gerders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机涉及在激烈的竞争中成为商业赢家。90年代，进入到现代风力发电技术。?600-750KW风力发电机 兆瓦级风力发电机组 5 1.风力发电技术的基本原理及其发展 Vastas 1.5MW 风机(63米/1500kW、68米/1650/300kW，1996年）。ELSAM 2MW 测试风机；NEG Micon 1.5MW风力机 Nortank1.5MW 风机(60米/2750kW、64米/1
3、500/750kW。(1995年丹麦西部靠近 Esbjerg市)兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级风机可以开发利用更多的风资源。6 1.风力发电技术的基本原理及其发展 NEG Micon 2MW 风机，浆距调节(72米/2MW，1999年)Nordex 2.5MW 风机,浆距调节(80米/2MW,2000 年，德国Grevenbroich）兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级风机可以开发利用更多的风资源。Bonus 2MW风机,主动失速型
4、(72米/2MW,1998年，德国威廉港）GE 3.6MW 风机 7 1.风力发电技术的基本原理及其发展?风电机组的分类方法：?根据主轴与地面的相对位置 水平轴、垂直轴?根据桨叶与轮毂的连接方式 根据风轮转速 根据发电机 定桨（主动失速）、变桨?恒速、变速?异步机：普通感应电机（鼠笼型和绕线式）、双馈感应电机、同步机：同步电机（永磁或电励磁）8 1.风力发电技术的基本原理及其发展?风电机组的分类方法：?根据传动系统 根据容量 有齿轮箱(半直驱）、直驱（无齿轮箱）?小型（10kW以下）、中型（10-100kW 以下）和大型（100kW以上）?桨叶数量 并网方式 单叶片、双叶片、三叶片、多叶片?并
5、网型和离网型 9 1.风力发电技术的基本原理及其发展?水水平平轴轴风风电电机机组组的的结结构构?风机主要由四大部分组成：叶轮（含叶片、轮毂等）；机舱（传动系统（主轴、主轴承、齿轮箱和连接轴）、偏航系统、液压与制动系统、电气系统（发电机、控制系统、电容补偿柜等）;塔塔架架；基基础础等组成。10 1.风力发电技术的基本原理及其发展?风电机组主要部件风电机组主要部件 风轮（桨叶、轮毂）主轴 桨距调节机构（电动伺服机构）偏航机构（电动伺服机构）刹车、制动机构 风速传感器 发电机 并网开关 软并网装置 变频器 控制系统 无功补偿设备 主变压器 转速传感器 需要风电机组控制系统协调控制 11 1.风力发电
6、技术的基本原理及其发展?垂直轴风电机组垂直轴风电机组 20世纪初：电气化的发展使风能应用几乎退出历史舞台 20世纪70年代中叶：世界范围内出现石油危机，许多国家政府提供基金来帮助进行风力发电研究，Darrieus（达里厄）机型(1973)?美国Sandia实验室和加拿大国家空气动力实验室大量研究,具有了实用价值 强风时无法承受太大的应力且振动大 未得到普遍应用 12?1.风力发电技术的基本原理及其发展?风电机组的基本工作原理风电机组的基本工作原理?首先通过风轮把风能转换为机械能，进而借助于发电机再把机械能转化为电能。由于风轮的转速一般比较低（每分钟几转到数十转），而发电机的转速通常很高（一般每
7、分钟超过1000转），因此需要通过齿轮箱变速。13 1.风力发电技术的基本原理及其发展 单机容量单机容量 现代风电机组现代风电机组:体积越来越大体积越来越大,容量越来越大。容量越来越大。容量容量 轮毂高度轮毂高度 风轮直径风轮直径 已安装地点已安装地点 Enercon E-112 6 MW 112 米 114 米 Repower 5M 5 MW 120 米 126 米 德国Brunsb ttel Multibrid M5000 5 MW 102.6 米 116 米 德国不莱梅 德国埃姆敦、威廉港等地 14 1.风力发电技术的基本原理及其发展 Repower 5M 双馈感应电机变速风电机组双馈感
8、应电机变速风电机组 其叶片直径126米，机舱重量400吨，轮毂高度100-120米。?15 1.风力发电技术的基本原理及其发展?Repower 5M 双馈变速风电机组双馈变速风电机组 德国：Repower公司 额定容量：5MW 变桨距控制 变速风机(双馈电机)叶片直径：126m 机舱重量：400T 轮毂高度：陆上：100-120m 海上：90-100m 图片及资料来源：www.Repower.de 16 1.风力发电技术的基本原理及其发展 风电机组的发展 过去的20多年里，风电机组的单机容量和尺寸增长了近100倍。随着技术、制造工艺和材料的改善，风电机组的性能也有了很大提高，稳定性和可靠性不断
9、改善，对电网的冲击逐步减弱。17?额定容量叶轮直径轮毂高度1.风力发电技术的基本原理及其发展 18 1.风力发电技术的基本原理及其发展?风能的计算：风能的计算：19 1.风力发电技术的基本原理及其发展?空气动力学模型空气动力学模型 11323Pw?SCPV?R CP(?,?)V22?0.5?R?tur/V要保持最优叶尖速比，需根据风速变化调节风电机组的转速，因此，只有变速运行才能保证风力机捕获的风能最大、效率最高。理 论 上 最 大 功 率 系 数 为16/270.59?0o0.40.3?10oCp?2.5o0.20.10.0?5o?25o-0.102468?15o10121416?20 1.
10、风力发电技术的基本原理及其发展 1、贝兹理论中的假设?叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的?气流始终沿着叶轮轴线；叶轮处在单元流管模型中 xdxv1v1v1v1v2v321 f根据Betz理论得到的通过理想风通过截面f的空气流（速度为V）1 21 轮的空气流 1.风力发电技术的基本原理及其发展 流过一个控制流面f的风功率为 .1.213E?m v1?fv122.dx?fv1因为流量 m?f dt?由于流管的连续性：v1f1?v2f2?v3f322 22 1.风力发电技术的基本原理及其发展 由于压力变化甚微，可假设密度为常数，所提取的能量即为流入的能量减去流出的能量，即 EEnt 所提取
11、的功率则为：122?m(v1?v3)2EEnt.1.22?m(v1?v3)2 23 23 1.风力发电技术的基本原理及其发展 当已知风轮面的风速V2时，可求得流量，即 m?fv2.将以上两式带入功率表达式，可得到 .v3v3 2?13?1 EEnt?fv1?(1?)1?()?22v1v1?可见，可提取的功率为风功率乘以功率系数CP,即 v3v3 21 CP?(1?)1?()2v1v1 v1?v3v2?引入一个合理的假设(Froude-Rankin定理)，即 224 24 1.风力发电技术的基本原理及其发展 对功率系数CP,关于风速比V3/V1求一阶导数并令其为0，可求得v31?最大功率处的风速
12、比为 v131v3?v1时，CP最大，此时CP=0.59 即当 3上式表明，通过一个理想风机可提取约 60%的风含功率。在此12v1。，风轮面的风速为 v1，远离其后的风速为 33C?16/27?0.59 0.60.5P.max 0.40.30.2 0.10.00.20.40.60.81.0功率系数随风轮下游风速V3与风轮上游风速V1之比的变化曲线 v1v325 25 1.风力发电技术的基本原理及其发展?定桨定速定桨定速 vs.vs.变桨变速风力机输出功率的比较：变桨变速风力机输出功率的比较：26 1.风力发电技术的基本原理及其发展 风电有功出力风电有功出力-风速特性曲线风速特性曲线?切入风速
13、（一般为切入风速（一般为3米米/秒）；秒）；?风速达到并超过额定风速风速达到并超过额定风速（15米米/秒）后，有功功率达秒）后，有功功率达到最大值并维持恒定；到最大值并维持恒定；?切出风速（一般为切出风速（一般为25米米/秒秒;P(kW)100090080070060050040030020010000510152025v(m/s)27 1.风力发电技术的基本原理及其发展?并网风电发电系统的组成部分 风电场/风电机群 陆上风电场、海上风电场海上风电场 （近海风电场、潮间带风电场)?集电部分（线路线路）升压变电站(陆上可能多于一级升压，海上可能有集控中心)?升压变压器?无功补偿装置（电容器、电抗
14、器、静止及动态无功补偿装置）风电场管理系统等（风场监控系统、AGC、AVC）28?1.风力发电技术的基本原理及其发展?风力发电系统示意图风力发电系统示意图 A B WF PCC?风电场 升压变电站 L 输电线路 电 网 由风电机群组成的风电场A、升压变电站B和输电线路L组成的并网型风力发电系统，是将风电电力通过PCC节点送入电力网络，再供给用户。PCC节点是风电场与电网的连接点，又称公共连接点。通常在升压变电站出口第一个电杆位置，有时也可设置在线路的末端。29 WindTurbine恒速风电机组恒速风电机组 IGGear Box?机组性能不断提升机组性能不断提升 WindLSHSCapacit
15、or BanksTurbineGrid目前存在三种风电机组类型：目前存在三种风电机组类型：双馈变速风电机组双馈变速风电机组 DFIGGear Box?恒速风电机组恒速风电机组?双馈变速风电机组双馈变速风电机组?永磁直驱风电机组永磁直驱风电机组 风LSHSGrid风力机 我国并网风电机组中双馈变速我国并网风电机组中双馈变速风电机组约占风电机组约占60%60%，恒速风电机组约，恒速风电机组约永磁直驱风电机组永磁直驱风电机组 电网AC/DC DC/AC30 AC/DCDC/AC多极永磁发电机SNSNNSNS占占30%30%，其他约占，其他约占10%10%。LS30 1.风力发电技术的基本原理及其发展
16、?恒速风电机组?WindTurbine?Gear BoxIGLSHSCapacitor BanksGrid?转速范围小 效率低 鼠笼式感应发电机 需要并联电容器组提供补偿 31 1.风力发电技术的基本原理及其发展?恒速恒频风电机组（普通异步发电机）该类型风电机组通常只能在很小的转差变化范围内运行，不能充分有效地利用风能。发电机为鼠笼式感应电机，运行时需要从系统中吸收无功功率，可在机端装设并联电容器组提供风电机组所需的无功功率。32 1.风力发电技术的基本原理及其发展?恒速恒频风电机组模型及控制?风速模型?桨距角模型?风力机模型?轴系模型?异步发电机 恒速风电机组运行的稳定性取决于风力机的特性及
17、其桨距角控制系统与异步发电机的电磁转矩转速特性。由于恒速风电机组的异步发电机在运行过程中发出有功功率的同时吸收无功功率，因此恒速风电机组都配备有机端并联电容器组以补偿其无功的消耗。?genPE_meas风速模型桨距角控制模型?gen风力机模型pt轴系模型PwVw?tub?tub普通异步P发电机E_meas?gen33 1.风力发电技术的基本原理及其发展?Wind变速风电机组（双馈感应发电机 DFIG）Turbine?Gear BoxDFIGLSHSGrid?大变速范围 效率高 转子绕组通过变频器馈入电网 采用空间矢量控制技术 实现P-Q解耦控制 AC/DCDC/AC34 1.风力发电技术的基本
18、原理及其发展?变速恒频风电机组（双馈感应电机）?双馈感应电机为交流励磁，是异步化同步电机的一种。绕线式转子感应电机作为发电机，转子与定子侧通过变流器联系。能够在较大的范围内实现变速运行，风能利用效率高；采用矢量控制技术后可以实现有功功率与无功功率的解耦控制。35 1.风力发电技术的基本原理及其发展?变速恒频风电机组（双馈感应电机）?转子绕组中是受控的变频交流励磁电流；转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取?决于转差率；能够在较大的范围内实现变速运行，风能利用效率高；?拓扑结构：交直交电压型变频器。由两个共用直流环节的背靠背三相整
19、流/逆变器组成。可实现变频、变压和功率双向流动；控制方式：发电机侧变频器采用定子磁场定向矢量控制；电网侧变频器采用电网电压定向矢量控制；可实现发电机的有功功率和无功功率之间的解耦控制。?36 1.风力发电技术的基本原理及其发展?变速恒频风电机组（同步电机或永磁同步电机）风力机多极永磁发电机SNSNNSNS风?电网AC/DC DC/AC?LS发电机为多极永磁同步电机，经过容量与电机容量相当的背靠背式变流器与系统相连；单机容量大；可以控制无功功率与电压。37 1.风力发电技术的基本原理及其发展?变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）38 1.风力发电技术的基本原理及其发展?大容量的永磁同步直驱电
20、机：Enercon E-112 德国：Enercon 公司 额定容量：4.5MW 变桨距控制 变速风机(直驱电机)无齿轮箱 通过变频器接入电网 叶片直径：114m 机舱重量：400T 轮毂高度：124m 图片来源：中国-德国技术合作项目Wind Guard培训 39 风机参数：www.Enercon.de 1.风力发电技术的基本原理及其发展?3.02.52.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8风电机组用异步机的特性曲线：风电机组用异步机的特性曲线：8Generator76Q (MVar)TE (pu)5
21、4Motor32GeneratorMotor100.20.40.60.81.01.21.41.61.8?r?pu?r (pu)电磁转矩转速特性曲线 无功功率转速特性曲线 异步机在超同步状态下（发电机）与次同步状态下（电动机）的电磁转矩是反向的；无功功率无论在超同步还是次同步状态随着转差绝对值的增加40 而增加，输出的有功功率越大、转速越高时，其吸收的无功功率就越大。2.大规模风电并网的运行问题 41 2.大规模风电并网的运行问题?风电场并网方式风电场并网方式 分散并网：规模小、接入电压等级低，对系统运行影响较小。大电网互联系统配电网系统配电网系统配电网系统 风电场风电场 风电场风电场风电场风电
22、场42 2.大规模风电并网的运行问题?风电场并网方式风电场并网方式 集中并网：开发规模大、接入电压等级高，远距离输送，对系统运行影响较大，以异地消纳为主。大电网互联系统风电场风电场汇集汇集.风电场风电场汇集汇集.风电场风电场汇集汇集.43 2.大规模风电并网的运行问题?风电场电气接线示意图风电场电气接线示意图 风电场送出线路至接入点 升压变高压母线风电场并网点 风电场有功功率 P 升压变低压母线汇集线Q 升压变风电场无功功率 汇集线 风电场 箱变风电机组 44 2.大规模风电并网的运行问题?风电场的特点风电场的特点 发电类型 输出功率 火电厂和水电厂 可调度 风电场 间歇性不能按计划发电，调度
23、困难 同步发电机，一般发电采用多种发电机技术；厂包含数台或十几台机发电机种类 变速风电机组采用电力电子控制技组 术；大型风电场包含数百台机组；有电压支撑能力，需保持同步运行，易发生暂不同类型的风电机组在故障时的暂暂态响应特性 态 态响应特性不同 稳定问题 运行特性取决于 发电机组和励磁系统的 风电机群的特性和协调全部风电机特性 群运行的风电场综合控制系统 45 2.大规模风电并网的运行问题?对风电并网问题的认识?初期：?风电机组/风电场不能控制?无法调度?恶化电网稳定性?对电能质量影响明显?当前：?风电机组/风电场可以控制?对电网稳定性影响降低?电能质量：电压波动和闪变改善；谐波可能存在问题?
24、风电功率预测技术进步，调度运行水平可进一步提高 46 2.大规模风电并网的运行问题?约束风电并网的技术问题约束风电并网的技术问题?局部电网网架结构薄弱?网内其他电源运行灵活性不足?风力发电机组技术水平较低（风电并网标准着重要解决的问题）以风电对无功功率平衡与电压水平的影响为例，影响的程度取决于?风电场输出的有功功率?风电场的无功特性（功率因数）?风电输出线路的阻抗?被接电网的情况（含电源结构）47 2.大规模风电并网的运行问题?张家口地区风电出力与电网负荷曲线张家口地区风电出力与电网负荷曲线 48 2.大规模风电并网的运行问题?东北电网冬、夏季节风电典型日发电曲线东北电网冬、夏季节风电典型日发
25、电曲线 49 2.大规模风电并网的运行问题?400MW风电接入吉林电网的研究风电接入吉林电网的研究 WF B21WF C34WF D5Thermal Power Plant A1068791112WF A Meshed GridThermal Power Plant B500kV AC Line220kV AC Line66kV AC LineThermal PlantWind Farm500kV Substation220kV Substation13 50 2.大规模风电并网的运行问题?400MW风电接入吉林电网的研究风电接入吉林电网的研究 (1)Induction Machine Bas
26、ed Wind Farm with No Load Compensation(2)Induction Machine Based Wind Farm with Full Load Compensation(3)DFIG Based Wind Farm with Constant Power Factor Control 1.05Voltage of POC（2）定速风电机组（额定补偿）定速风电机组（额定补偿）1.00风电机组机风电机组机型及控制策型及控制策略选择，对略选择，对电网电压影电网电压影响非常大。响非常大。V (pu)0.95(2)0.90(1)0.85(3)（3）变速风电机组）变速风
27、电机组 基于双馈感应发电基于双馈感应发电 （功率因数控制）（功率因数控制）0.80机的风电机组具备机的风电机组具备基于感应发电机的风基于感应发电机的风（1）定速风电机组（空载补偿）定速风电机组（空载补偿）电机组不具备无功调电机组不具备无功调050100节能力，风电机组在节能力，风电机组在连续运行时吸收大量连续运行时吸收大量的无功，造成电压稳的无功，造成电压稳定性降低。定性降低。150200250300350400450P(MW)无功调节能力，可无功调节能力，可以通过以通过PWM变频变频器控制系统吸收或器控制系统吸收或发出无功功率。发出无功功率。51 2.大规模风电并网的运行问题?5160MW风
28、电接入甘肃电网的研究风电接入甘肃电网的研究 至哈密安西酒泉279玉门风电玉门风电1110MW 甘肃电网750规划网架结构 安西风电安西风电4050MW 372金昌194至西宁永登至白银52 2.大规模风电并网的运行问题?1.101.061.020.980.940.9001000 x-Axis:风电场总出力:MW安西330kV 母线:电压（pu）瓜州330:电压（pu）玉门镇330kV 母线:电压（pu）200030005160MW风电接入甘肃电网的研究风电接入甘肃电网的研究 DIgSILENT?1.081.051.020.990.960.9301000 x-Axis:风电场总出力:MW安西75
29、0kV 母线:电压（pu）酒泉750kV 母线:电压（pu）金昌750kV 母线:电压（pu）20003000考虑固定串补方案。西北750系统采用固定高抗 甘肃风电总出力超 200万，750kV系统电压越下限，超260万时，出现电压崩溃。53 2.大规模风电并网的运行问题?1.071.061.051.041.031.02010002000 x-Axis:风电场总出力:MW安西330kV母线:电压（pu）瓜州330:电压（pu）玉门镇330kV母线:电压（pu）3000400050005160MW风电接入甘肃电网的研究风电接入甘肃电网的研究 DIgSILENT 1.081.071.061.051
30、.0401000 x-Axis:风电场总出力:MW安西750kV母线:电压（pu）酒泉750kV母线:电压（pu）金昌750kV母线:电压（pu）2000300040005000考虑固定串补方案。?西北750系统采用可控高抗。?不同风电出力情况下，由于750系统电压发生变化，采用高抗随电压投切策略控制。风电可在 400万范围内运行，750系统电压可保证。?54 2.大规模风电并网的运行问题?5160MW风电接入甘肃电网的研究风电接入甘肃电网的研究 1.04 西北西北750kV系统即使采用了固定串补和可控高抗，高风电出力时，电网电压稳系统即使采用了固定串补和可控高抗，高风电出力时，电网电压稳定裕
31、度仍很低。定裕度仍很低。1.1DIgSILENT0.981.00.930.87 0.810.9甘肃风电总出力大于400 万，若进一步增大时，电压失稳。大规模风电接入运行时，系统调压面临极大压力。?42900.7540904130417042104250 x-Axis:风电场总出力:MW安西 330kV母线:电压（pu）瓜州 330:电压（pu）玉门镇 330kV母线:电压（pu）42900.840904130417042104250 x-Axis:风电场总出力:MW安西 750kV 母线:电压（pu）酒泉 750kV 母线:电压（pu）金昌 750kV 母线:电压（pu）即使是超高压系统，传输
32、即使是超高压系统，传输风电功率太大时，电压仍风电功率太大时，电压仍受到很大影响受到很大影响 55 2.大规模风电并网的运行问题 对调峰调频能力的影响 风电对电力 系统的影响 对无功功率平衡与电压水平的影响 对稳定性影响 对电能质量的影响 56 2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对频率和有功功率的影响风电并网对频率和有功功率的影响 PG0PL0?Pw风电切入旋转备用PG0?PGPL0 总发电有功总负荷有功总发电有功 总负荷有功(a)风电切入后(b)风电退出后 目前风电场发出的功率是随着风速，随机切入或退出电网的。假设在某时刻，电网中的部分负荷由切入风电（Pw）供电，常规电源总发电有功功率PG
33、，则等量地减少至PG0，见图a。若此时，无风，风电电力57 下降到零，则由常规电源的旋转备用（PG）供电，见图b。2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对频率和有功功率的影响风电并网对频率和有功功率的影响 1、在频率变化的同时，风电切入或退出还将引起电网中线路功率的振荡，这与风电切入功率的大小、切入的速度、切入点的位置及所连设备的惯性常数有关。2、风电切入点附近有相当于风电功率的负荷，这部分负荷就近吸收了风电电力，引起的功率振荡就较小；风电切入点附近没有多少负荷，风电将根据潮流分配原理送到电网的其他地方，风电电力能否畅通送出，输电线路是否过载，是否会引起线路的功率振荡，则要借助于电网潮流、暂态
34、计算程序等进行仿真分析计算。58 2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对频率和有功功率的影响风电并网对频率和有功功率的影响 调峰调频压力增大?风电的反调峰特性增加了电网调峰的难度。根据对东北、蒙西和吉林电网的统计结果，风电反调峰概率分别为60%、57%和56%。吉林电网由于风电接入，一年期间峰谷差变大的时间达到210天。由于调峰容量不足，吉林、蒙西电网都出现了低负荷时段弃风的情况。?风电的间歇性、随机性增加了电网调频的负担。据统计，2008年2月11月新疆地区风电在30分钟内出力波动超过9万千瓦达到347次，增加了电网调频的压力和常规电源调整的频次。59 2.大规模风电并网的运行问题?风电并
35、网对电压和无功功率的影响风电并网对电压和无功功率的影响 可向电网注入(产生)无功功率的元件 JQ 并联电容器 JQ 同步 调相机 JQ/2 输电线路充电无功功率 JQ 同步 发电机 JQ 静止无 功补偿 可从电网吸收(消耗)无功功率的元件 JQ JQ 异步 发电机 JQ 含电感 性负荷 并联电抗器 JQ 异步 电动机 JQ/2 QL QT 线路电抗损耗 变压器电抗损耗 图中，无功电源使电网电压升高，无功负荷使电网电压下降。60 2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对电压和无功功率的影响风电并网对电压和无功功率的影响 PgQgS1=P1+jQ1 PR QLS2=P2+jQ2无穷大系统Z=R+j
36、XU1?QgcQC/2QC/2U2?0?P2R?Q2XU1?U2?U2无功影响电压无功影响电压 P2?Pg?PRQ2?Qgc?QC/2?Qg?QL61 2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对电压和无功功率的影响风电并网对电压和无功功率的影响?电网故障切除风电场原因：风电场暂态电压稳定性无法 保证?对风电场的更高要求：在规定的故障及电网电压跌落期间，保证一定时间范围内风电场能够连续运行而不脱离电网，也即是风电场低电压穿越（LVRT）能力的提出?电网故障发生后要求风电场能够发出无功功率参与电网的电压控制 62 2.大规模风电并网的运行问题?吉林电网大规模风电切出的影响吉林电网大规模风电切出的影响
37、?时间:2008.04.09 早晨 天气情况:刮风，下小雨 故障位置:白城至开发变66kV线路(19km)，距离白城变2.4km?故障类型:2相短路(B-C)发生时间 05:07:54 保护动作情况:线路距离保护与过流保护动作 80ms后故障线路三相切除?80-110ms后，洮南大通风电场内所有机组跳闸；120-150ms 后，富裕风电场所有风机跳闸；同发龙源、华能场内所有风电机组跳闸 05:07:55 故障线路重合成功 63?时间时间:05:07 Wulan71kmFuyu(30MW)ZhenLai53km37km19kmTaonan Datong(49.5+49.3MW)YuanquBai
38、cheng35km110km150kmTaoBei（49.3MW）故障前故障前 Changshan22kmDaanChaGan(30MW)55MW 230kV 232kV 43kmDagangzi(99MW)SongyuanQianguoDehuiNonganTaonanTongfa Longyuan(150MW)107kmTongfaChangLing 174（9.35MW）JiiutaiChangLingHexinXijiaoChangLing Wangzi（49.5MW）223MW Tongfa Huaneng(100MW)234kV 38Mvar 电容器组电容器组 500kV Subs
39、tation220kV SubstationThermal PowerWind Farm500kV Line220kV Line66kV Line66kV SubstationBaicheng Power Grid Structure in 200864 时间时间:05:07 Wulan定速机组定速机组 故障后故障后 TaoBei（49.3MW）ChangshanZhenLai22km110km150kmDagangzi(99MW)DaanChaGan(30MW)71kmFuyu(30MW)53km0MW Taonan Datong(49.5+49.3MW)37km19kmYuanqu236k
40、V 35kmBaicheng43kmSongyuanQianguoDehuiNongan244kV Taonan107kmTongfaTongfa Longyuan(150MW)ChangLing 174（9.35MW）JiiutaiChangLingHexinXijiaoChangLing Wangzi（49.5MW）0MW Tongfa Huaneng(100MW)251kV 38Mvar 电容器组电容器组 500kV Substation220kV SubstationThermal PowerWind Farm500kV Line220kV Line66kV Line66kV Subs
41、tationBaicheng Power Grid Structure in 200865 时间时间:05:13 Wulan71kmFuyu(30MW)ZhenLai53km37km19kmTaonan Datong(49.5+49.3MW)YuanquBaicheng35km150km110kmTaoBei（49.3MW）系统调整后系统调整后 Changshan22kmDaanChaGan(30MW)控制电控制电压压 0MW 43kmDagangzi(99MW)SongyuanQianguoDehuiNongan235kV Taonan107kmTongfaTongfa Longyuan(1
42、50MW)ChangLing 174（9.35MW）JiiutaiChangLingHexinXijiaoChangLing Wangzi（49.5MW）0MW Tongfa Huaneng(100MW)237kV 38Mvar 电容器组电容器组 500kV Substation220kV SubstationThermal PowerWind Farm500kV Line220kV Line66kV Line66kV SubstationBaicheng Power Grid Structure in 200866 2.大规模风电并网的运行问题?大规模风电切出的后果大规模风电切出的后果 潮流
43、反转；?电网电压由于潮流变化导致偏高或偏低；电网频率有较大变化，严重时会引起频率稳定问题甚至大停电。大规模风电切出的原因大规模风电切出的原因?变速风电机组由于变频器对电网故障过于敏感，电网轻微故障会引起机组切除。风电机组都是0s启动切除。?风电机组没有低电压穿越功能，当风电装机更大时，电网频率会有问题。67 2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对谐波和闪变的影响风电并网对谐波和闪变的影响 谐波 1、谐波电流的主要来源是发电机组中的电力电子元件。2、对于恒速风力发电机组来说，谐波电流注入实际上是可以忽略的。变速恒频风力发电机组在运行过程中机组的变流器始终处于工作状态，谐波电流的大小与机组的输出
44、功率相关，也就是与风速大小相关。3、风力发电机组可以看作谐波源，其自身特性会影响可能产生的谐波分量，此外，电网的强弱也是影响谐波成分的因素。相同的谐波源，接入较弱电网时的谐波问题比接入较强的电网更严重。适于建设大型风电场的地区一般风能资源较好，但电网较弱，因此大型风电场的并网运行就有可能对其所接入系统的电能质量造成影响。68 2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对谐波和闪变的影响风电并网对谐波和闪变的影响 1、影响因素：风的湍流强度，风剪切，塔影效应和偏航等因素。2、对于三叶片风力发电机组而言，其周期性功率波动的频率为三倍 闪变 的风力发电机叶片旋转频率，也就是常说的3p频率。3p频率范围通
45、常为12Hz，正好位于人眼对灯光照度变动最敏感的频率范围，由此可能引起闪变问题。3、当多台风力发电机组同时运行时，将对输出功率的脉动产生平滑作用，脉动幅度有所降低，但是由此引起的电压波动幅值会加大。4、变速风力发电机组引起的闪变强度只相当于恒速风力发电机组的四分之一。69 2.大规模风电并网的运行问题?风电并网对谐波和闪变的影响风电并网对谐波和闪变的影响 风电场对电网电能质量的影响程度，与风力发电机组的类型、控制方式、风电场布置、所接入系统的短路容量以及线路参数等许多因素有关。如果已知上述参数，可以进行仿真分析，计算出由风力发电机组并网所产生的谐波分量，并用标准要求的限制值衡量是否超标，如果不
46、满足要求，则应采取相应的措施。70?3.风电场故障穿越原理及要求；71 3.风电场故障穿越原理及要求（一）什么是风电机组的低电压穿越 系统故障时原有的保护原则：系统故障时原有的保护原则：将风机立即从电网中脱网以确保机组的安全 风电比例增大时该原则的弊端：风电比例增大时该原则的弊端：导致系统潮流的大幅度转移，对系统频率和电压造成较大影响，将严重威胁系统的运行稳定性。在目前大规模风电并网的形式下，风电机组与电网间的相互影响日趋严重！72 3.风电场故障穿越原理及要求（一）什么是风电机组的低电压穿越 因此提出对风力发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（fault ride-through
47、）的要求，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(low voltage ride-through，LVRT)能力。（中德论文）73 3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求 根据GBT19963-2011风电场接入电力系统技术规定，风电机组低电压穿越需要满足如下标准：74 3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求 风电机组应该具有低电压穿越能力：1）风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms；2）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风
48、电场内的风电机组应保证不脱网连续运行；电力系统发生不同类型故障时，若风电场并网点考核电压全部在图中电压轮廓线及以上的区域内，风电机组必须保证不脱网连续运行；否则，允许风电机组切除。75 3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求 除了不脱网的基本要求外，还要满足有功恢复和动态无功支撑能力：有功恢复有功恢复 对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障切除后应快速恢复，以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。76 3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求 动态无功支撑能力动态无功支撑能力 要求如下：a)电网发生故障或扰动，机组出口电
49、压跌落处于额定电压的20%90%区间时，机组需通过向电网注入无功电流支撑电网电压，该动态无功控制应在电压跌落出现后的75ms内响应，并能持续550ms的时间。b)机组注入电网的动态无功电流ItK(0.9-Vt)In，其中In为机组的额定电流；Vt为故障期间风电场并网电压标幺值。77 3.风电场故障穿越原理及要求（三）风电机组低电压穿越实现方法 目前具备低电压穿越能力的机组主要有两类：?同步直驱式风机PMSG(permanent magnetic synchronous generator)?双馈异步式风机DFIG(doubly-fed induction generator)78 3.风电场故
50、障穿越原理及要求（三）风电机组低电压穿越实现方法 DFIG 定子侧直接联接电网。这种直接耦合使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上,电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，导致定子磁链出现直流成分,不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转的电机转子会形成较大的转差，从而感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流,导致转子电路中电压和电流大幅增加。对于PMSG,定子经AC/DC/AC变流器与电网相接,发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小,而发电机的输出功率瞬时不变,功率不匹配将导致变频器直流母线电压上升，威胁
