风电基本原理及大规模风电并网运行问题ppt课件.ppt

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,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,/2,750kW,、,64,米,/1500/750kW,。,(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,(72,米,/2MW,1998,年,，德,国威廉港）,GE,3.6M,W,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,?,并网型和离网型,9,1.,风力发电技术的基本原理及其发展,?,水,平,轴,风,电,机,组,的,结,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,架,；,基,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.,风力发电技术的基本原理及其发展,?,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,?,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,现代风电机组,:,体积越来越大,容量越来越大。,容量,轮毂高度,风轮直径,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,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,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：,19,1.,风力发电技术的基本原理及其发展,?,空气动力学模型,1,1,3,2,3,P,w,?,?,SC,P,V,?,?,R,C,P,(,?,?,),V,2,2,?,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,16/27,0.59,?,?,0,o,0.4,0.3,?,?,10,o,C,p,?,?,2,.,5,o,0.2,0.1,0.0,?,?,?,5,o,?,?,25,o,-0.1,0,2,4,6,8,?,?,15,o,10,12,14,16,?,20,1.,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,x,dx,v,1,v,1,v,1,v,1,v,2,v,3,21,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,.,2,1,3,E,?,m,v,1,?,?,fv,1,2,2,.,dx,?,?,fv,1,因为流量,m,?,?,f,dt,?,由于流管的连续性：,v,1,f,1,?,?,v,2,f,2,?,?,v,3,f,3,22,22,1.,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,E,Ent,所提取的功率则为：,1,2,2,?,m,(,v,1,?,v,3,),2,E,Ent,.,1,.,2,2,?,m,(,v,1,?,v,3,),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,V,2,时，可求得流量，即,m,?,?,fv,2,.,将以上两式带入功率表达式，可得到,.,v,3,v,3,2,?,1,3,?,1,E,Ent,?,?,fv,1,?,(,1,?,),1,?,(,),?,2,2,v,1,v,1,?,?,可见，可提取的功率为风功率乘以功率系数,C,P,即,v,3,v,3,2,1,C,P,?,(,1,?,),1,?,(,),2,v,1,v,1,v,1,?,v,3,v,2,?,引入一个合理的假设,(Froude-Rankin,定理,),，即,2,24,24,1.,风力发电技术的基本原理及其发展,对功率系数,C,P,关于风速比,V,3,/V,1,求一阶导数并令其为,0,，可求得,v,3,1,?,最大功率处的风速比为,v,1,3,1,v,3,?,v,1,时，,C,P,最大，此时,C,P,=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,1,2,v,1,。,，风轮面的风速为,v,1,，远离其后的风速为,3,3,C,?,16,/,27,?,0,.,59,0.6,0.5,P,.,max,0.4,0.3,0.2,0.1,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,功率系数随风轮下游风速,V,3,与风轮上游风速,V,1,之比的变化曲线,v,1,v,3,25,25,1.,风力发电技术的基本原理及其发展,?,定桨定速,vs.,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,-,风速特性曲线,?,切入风速（一般为,3,米,/,秒）；,?,风速达到并超过额定风速,（,15,米,/,秒）后，有功功率达,到最大值并维持恒定；,?,切出风速（一般为,25,米,/,秒,;,P,(,k,W,),1000,900,800,700,600,500,400,300,200,100,0,0,5,10,15,20,25,v(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,（近海风电场、潮间带风电场,),?,?,集电部分（,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,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,Wind,Turbine,恒速风电机组,IG,Gear Box,?,机组性能不断提升,Wind,LS,HS,Capacitor,Banks,Turbine,Grid,目前存在三种风电机组类型：,双馈变速风电机组,DFIG,Gear Box,?,恒速风电机组,?,双馈变速风电机组,?,永磁直驱风电机组,风,LS,HS,Grid,风力机,我国并网风电机组中双馈变速,风电机组约占,60%,，恒速风电机组约,永磁直驱风电机组,电网,AC/DC,DC/AC,30,AC/DC,DC/AC,多极永磁发电机,S,N,S,N,N,S,N,S,占,30%,，其他约占,10%,。,LS,30,1.,风力发电技术的基本原理及其发展,?,恒速风电机组,?,Wind,Turbine,?,?,Gear Box,IG,LS,HS,Capacitor,Banks,Grid,?,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。,?,gen,P,E,_,meas,风速模型,桨距角,控制模型,?,?,gen,风力机模型,p,t,轴系模型,P,w,V,w,?,tub,?,tub,普通,异步,P,发电机,E,_,meas,?,gen,33,1.,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 Box,DFIG,LS,HS,Grid,?,?,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/DC,DC/AC,34,1.,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）,?,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,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,S,N,S,N,N,S,N,S,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,?,3.0,2.5,2.0,1.5,1.0,0.5,0.0,-0.5,-1.0,-1.5,-2.0,-2.5,-3.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,风电机组用异步机的特性曲线：,8,Generator,7,6,Q,(,M,V,a,r,),T,E,(,p,u,),5,4,Motor,3,2,Generator,Motor,1,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,?,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,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,42,2.,大规模风电并网的运行问题,?,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,汇集,.,风电场,汇集,.,风电场,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,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,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,?,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,?,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,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,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,WF B,2,1,WF C,3,4,WF D,5,Thermal Power,Plant A,10,6,8,7,9,11,12,WF A,Meshed Grid,Thermal Power,Plant B,500kV AC Line,220kV AC Line,66kV AC Line,Thermal Plant,Wind Farm,500kV Substation,220kV Substation,13,50,2.,大规模风电并网的运行问题,?,400MW,风电接入吉林电网的研究,(1)Induction Machine Based 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,1.05,V,o,l,t,a,g,e,o,f,P,O,C,（,2,）定速风电机组（额定补偿）,1.00,风电机组机,型及控制策,略选择，对,电网电压影,响非常大。,V,(,p,u,),0.95,(2),0.90,(1),0.85,(3),（,3,）变速风电机组,基于双馈感应发电,（功率因数控制）,0.80,机的风电机组具备,基于感应发电机的风,（,1,）定速风电机组（空载补偿）,电机组不具备无功调,0,50,100,节能力，风电机组在,连续运行时吸收大量,的无功，造成电压稳,定性降低。,150,200,250,300,350,400,450,P(MW),无功调节能力，可,以通过,PWM,变频,器控制系统吸收或,发出无功功率。,51,2.,大规模风电并网的运行问题,?,5160MW,风电接入甘肃电网的研究,至哈密,安西,酒泉,279,玉门风电,1110MW,甘肃电网,750,规划网架结构,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,?,1.10,1.06,1.02,0.98,0.94,0.90,0,1000,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,）,2000,3000,5160MW,风电接入甘肃电网的研究,D,I,g,S,I,L,E,N,T,?,?,?,1.08,1.05,1.02,0.99,0.96,0.93,0,1000,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,）,2000,3000,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,?,1.07,1.06,1.05,1.04,1.03,1.02,0,1000,2000,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,）,3000,4000,5000,5160MW,风电接入甘肃电网的研究,D,I,g,S,I,L,E,N,T,1.08,1.07,1.06,1.05,1.04,0,1000,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,）,2000,3000,4000,5000,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,1.04,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,定裕度仍很低。,1.1,D,I,g,S,I,L,E,N,T,0.98,1.0,0.93,0.87,0.81,0.9,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。,?,4290,0.75,4090,4130,4170,4210,4250,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,）,4290,0.8,4090,4130,4170,4210,4250,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,风电功率太大时，电压仍,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,P,G,0,P,L,0,?,?,P,w,风,电,切,入,旋,转,备,用,P,G,0,?,?,P,G,P,L,0,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（,P,w,）供电，常规电源总发,电有功功率,P,G,，则等量地减少至,P,G0,，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（,P,G,）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,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,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,Q,L,Q,T,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,P,g,Q,g,S,1,=P,1,+jQ,1,P,R,Q,L,S,2,=P,2,+jQ,2,无穷大系统,Z=R+jX,U,1,?,?,?,Q,gc,Q,C/2,Q,C/2,U,2,?,0,?,P,2,R,?,Q,2,X,U,1,?,U,2,?,U,2,无功影响电压,P,2,?,P,g,?,?,P,R,Q,2,?,Q,gc,?,Q,C,/,2,?,Q,g,?,?,Q,L,61,2.,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,?,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,?,?,?,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,:05:07,Wulan,71km,Fuyu,(30MW),ZhenLai,53km,37km,19km,Taonan Datong,(49.5+49.3MW),Yuanqu,Baicheng,35km,110km,150km,TaoBei,（,49.3MW,）,故障前,Changshan,22km,Da,an,ChaGan,(30MW),55MW,230kV,232kV,43km,Dagangzi(99MW),Songyuan,Qianguo,Dehui,Nongan,Taonan,Tongfa Longyuan(150MW),107km,Tongfa,ChangLing 174,（,9.35MW,）,Jiiutai,ChangLing,Hexin,Xijiao,ChangLing Wangzi,（,49.5MW,）,223MW,Tongfa Huaneng(100MW),234kV,38Mvar,电容器组,500kV Substation,220kV Substation,Thermal Power,Wind Farm,500kV Line,220kV Line,66kV Line,66kV Substation,Baicheng Power Grid Structure in 2008,64,时间,:05:07,Wulan,定速机组,故障后,TaoBei,（,49.3MW,）,Changshan,ZhenLai,22km,110km,150km,Dagangzi(99MW),Da,an,ChaGan,(30MW),71km,Fuyu,(30MW),53km,0MW,Taonan Datong,(49.5+49.3MW),37km,19km,Yuanqu,236kV,35km,Baicheng,43km,Songyuan,Qianguo,Dehui,Nongan,244kV,Taonan,107km,Tongfa,Tongfa Longyuan(150MW),ChangLing 174,（,9.35MW,）,Jiiutai,ChangLing,Hexin,Xijiao,ChangLing Wangzi,（,49.5MW,）,0MW,Tongfa Huaneng(100MW),251kV,38Mvar,电容器组,500kV Substation,220kV Substation,Thermal Power,Wind Farm,500kV Line,220kV Line,66kV Line,66kV Substation,Baicheng Power Grid Structure in 2008,65,时间,:05:13,Wulan,71km,Fuyu,(30MW),ZhenLai,53km,37km,19km,Taonan Datong,(49.5+49.3MW),Yuanqu,Baicheng,35km,150km,110km,TaoBei,（,49.3MW,）,系统调整后,Changshan,22km,Da,an,ChaGan,(30MW),控制电,压,0MW,43km,Dagangzi(99MW),Songyuan,Qianguo,Dehui,Nongan,235kV,Taonan,107km,Tongfa,Tongfa Longyuan(150MW),ChangLing 174,（,9.35MW,）,Jiiutai,ChangLing,Hexin,Xijiao,ChangLing Wangzi,（,49.5MW,）,0MW,Tongfa Huaneng(100MW),237kV,38Mvar,电容器组,500kV Substation,220kV Substation,Thermal Power,Wind Farm,500kV Line,220kV Line,66kV Line,66kV Substation,Baicheng Power Grid Structure in 2008,66,2.,大规模风电并网的运行问题,?,?,大规模风电切出的后果,潮流反转；,?,?,?,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,?,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,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,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,频率范围通常为,1,2Hz,，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：,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：,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,）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