第七讲_并网风电场的最大接入容量的确定.ppt

1、第七讲 并网风电场的最大接入容量的确定,衡量风力发电场接入电力系统对电力系统影响的两个指标风电场穿透功率（wind power penetration）和风电场与接入点短路容量比的讨论 确定风电场建设规模（风电场的注入功率）的依据；,并网风电场最大接入容量问题,必要性 衡量风电场装机规模的两个指标 影响风电接入容量的主要因素 主要分析方法 实例分析,并网风电场最大接入容量问题（续1）,必要性 从环境保护和可再生能源利用的角度考虑，要尽量扩大风力发电的规模 风力发电的波动性和间歇性对电网的电能质量以及安全稳定运行构成一定的威胁 从电网的角度看: 并网运行的风电场相当于一个具有随机性的扰动源，难以

2、预报和调度，对电网的可靠运行造成一定影响 从风电场接入的局部地区看: 风电功率的注入改变了局部电网的潮流分布，对局部电网的电压质量和稳定性有很大影响 风电场往往在电网结构薄弱的地方，它制约了风电场接入系统的方式和规模 。,衡量可接入电网的风电场规模的两个指标,国内外研究较多的两个指标 （1）风电穿透功率极限 风电穿透功率极限 （2）风电场短路容量比 风电场短路容量比K 注：电力系统中的短路比和风电中用的短路容量比是倒数关系。,两个指标的讨论,风电穿透功率极限：是从全网的角度出发，表征一个给定规模的电网最大可以承受的风电容量的大小，主要旨在考虑风电场对系统频率的影响（功率大小对电网电压也有影响）

3、 电力系统有一定的备用容量，能对风电引起的频率波动进行跟踪调节。 对于小电网，风电容量所占比重较大时，应考虑风电对系统频率的影响 目前及今后二十年间，在我国大部分地区电网，风电的接入对系统频率波动和频率稳定性的影响很小，不会对系统运行造成威胁。 确定风电穿透功率极限并不是目前亟待解决的问题,两个指标的讨论（续）,风电场短路容量比：是从风电场所在的局部电网出发，重点考察风电功率的注入对局部电网的电压质量和电压稳定性的影响。 系统中不同点短路容量不同，风电场短路容量是指PCC点的值，一般是指风电场（不是风机）变电站的高压侧出口。 短路容量表示网络结构的强弱，短路容量大说明该节点与系统电源点的电气距

4、离小（X小），联接紧密。风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。 用短路容量比这一指标表示风电场接入规模的大小，是从风电场所在的局部电网出发，重点考察风电功率的注入对局部电网的电压质量和电压稳定性的影响。 我国适合建设风电场的地区一般电网结构相对薄弱。在许多情况下不可能满足风电场短路容量比为3.3%5%的要求，根据几个电力系统的初步计算，即使风电短路容量比以10%来计算，在电网末端的边缘地区建设3050MW及以上的风电场也可能存在困难。 风电接入的电压问题是制约风电接入容量的主要因素。针对我国电力系统的具体情况，详细

5、分析这一指标具有重要的现实意义。,影响风电接入容量的主要因素,风电场接入点PCC的负载能力的强弱 风电场与电网的连接方式 系统中常规机组的调节能力的大小 风电机组的类型和无功补偿状况 地区负荷特性 要确定风电场的合理的建设规模和最大接入容量，应该给出一套切实可行的分析方法。,风电场接入点PCC的负载能力的强弱,可用PCC的短路容量来表征，它决定了该网络承受风电扰动的能力。短路容量越小，点电压对功率变化的敏感度越大，承受风电功率扰动的能力也越差 这是网络的特性，是风电对网络的要求 风电接入电网的电压等级高，PCC点短路容量大； 改变网络结构（单回、双回线等），也改变PCC点短路容量,风电场与电网

6、的连接方式,接入电网的电压等级； 联络线长度和阻抗参数 联网方案：交流、直流、接入母统、接入馈线 线路的x/r的大小不同将会影响风电场和局部电网节点电压的分布，对风电场的接入容量也有一定的影响。,系统中常规机组的调节能力的大小,旋转备用容量的大小 机组的电压调节能力（包括SVC等） 机组的频率调节能力（包括SMES等） 充裕的旋转备用容量，防止失去风电容量后造成系统频率的下降；增强系统中其它机组的频率和电压调节的响应能力可以改善风电功率变化造成的系统频率和电压的波动。,风电机组的类型和无功补偿状况,恒速恒频风电机组，即恒速风机异步发电机组，结构简单、造价低、过载能力强。但异步发电机本身没有励磁

7、环节，需要从网络吸收无功功率以建立磁场，因此，风电机组的无功补偿状况对风电场的输出特性有很大影响，进而影响风电的最大接入容量。安装动态无功补偿装置（如SVC、SMES等），可以提高风电系统的电能质量和稳定性，也能够有效提高风电最大接入容量 变速恒频的风电机组的成本较高，但是风能利用率高而且具有电压调节能力，与电网之间的相互影响较小。 变速风机的桨距角调节装置通过采用适当的控制策略，可以有效地提高风电机组的效率，在一定程度上降低风速的波动对网络的影响。 双馈感应发电机的转子通过换流器与电网相连，可以调节风电机组的功率因数，改善风电系统的运行特性，在提高风电最大接入容量方面有很大潜力,地区负荷特性

8、,风电场附近地区负荷的电压调节特性。 电动机低电压下吸收无功急剧增加。 负荷的频率调节特性 风机、水泵 负荷对电压和频率质量的要求 负荷对电能质量的要求过高将会限制系统所能承受的最大风电功率。,确定风电接入容量的主要分析方法,时域仿真法 稳态潮流仿真法 静态安全约束和优化的方法 频率约束法,时域仿真法,该方法的思路是假定一个风力发电场的输出功率水平，然后选取几个典型的系统运行方式，通过数字仿真的方法检验系统在该水平的风电冲击下是否会失去安全性和稳定性，进而确定允许的风电场接入容量，并通过改变系统参数和运行方式来分析影响风电最大接入容量的因素。 校验系统的动态性能，研究风电场和系统之间的相互影响

9、，特别是当电网结构比较薄弱时，风电接入后能否保持动态稳定性是决定系统能够承受的最大风电容量的重要因素。 该方法物理概念清晰，只要建立的模型正确就可以考虑多种因素的影响，以及各种因素之间的相互影响。 这是一种验证性的计算方法，要回答一个给定系统能够承受的最大风电功率到底是多少，则需要进行大量的仿真计算。,稳态潮流仿真法,风电场接入中低压电网，改变了局部电力系统的潮流分布和电压水平，这些影响在原有的电网规划设计时是没有预先考虑的。因此在并网风电场的规划阶段确定风电场并网方案时，从保证风电场和电力系统正常运行的角度而言，必须深入研究风电场的接入引起的局部系统节点电压变化。 防止风电注入引起的线路功率

10、过载和节点电压越限，防止风电机组因端电压过低或过高而造成非正常停机损失发电量。,静态安全约束和优化的方法,风力发电的接入改变了系统的电源结构和潮流分布，影响系统的静态安全，同时风电的不稳定性对系统旋转备用容量提出了较高的要求，增加了常规机组的运行成本。 将风电最大接入容量问题转化为在一定的安全约束条件下的风电功率注入最大化的求解。优化的目标是系统中风电场的风电注入功率最大，采用的静态安全约束指标应包括：功率的平衡，线路输送功率极限，节点电压上下限约束，常规机组的出力限制等。 静态约束和优化的方法在确定风电注入功率极限的同时，还可以给出电力系统内其他常规机组的最优运行调度方案。对风电场的并网运行

11、和规划具有一定的参考价值。 如何考虑风力发电厂并网运行的有关动态约束还需研究。,频率约束法,频率约束法的基本原则是：考虑到风电的不稳定性，失去风电出力后，常规机组经过一次、二次调频后电网频率的降低应在允许的范围之内（一般允许的频率偏差为0.2Hz） 同时还要兼顾整个电网的安全性和经济性，常规机组的旋转备用不可能太大，应在规程要求的范围内（35）。 稳态频率的分析方法与电网的结构没有关系，而只与电网的负荷水平、电源性质及组成有关。 这种分析方法对于风电接接入较小的电网时是必要的。,实例计算及分析,指标：风电场接入点的短路容量比K 方法：稳态潮流分析和时域仿真相结合 计算电网概况： 风电场接在配电

12、网的末端，通过双回输电线与电网相连。节点10是风电场的接入点，节点2和节点10之间是风电场附近地区的电网和地区负荷。 将220kV以上电压等级的网络简化为等值电源，电源电压即节点1的电压记作Us，节点12之间的阻抗代表网络的等值阻抗，记作Zs。 风电场所选机组为额定容量600kW的异步风力发电机组。,系统接线图,（一）稳态分析,考虑的可变因素包括： 1） 系统运行方式变化； 2） 风电机组的无功补偿量大小； 3）风电接入系统的联络线阻抗参数。 计算所采用的电压上下限,1）系统运行方式的影响：不同电源（地区中枢点）电压维持电压不变,系统运行方式影响（续）负荷降低一半,2）无功补偿容量的影响系统电

13、压Us=1.02，,3）联络线阻抗参数x/r的影响（系统电压Us=1.02),稳态分析结论,制约恒速恒频风机异步发电机组接入容量的主要原因是风电功率注入引起的节点电压的越限。 风电最大接入容量是风电场接入地区的中枢点电压水平、风电地区电网负荷的轻重、风电场的无功补偿度大小以及风电场接入系统的联络线x/r的大小等因素综合作用的结果。 提高等效电源电压（如系统枢纽点）调整能力、适当增加风电场的无功补偿量和采用x/r较小的联络线将有利于提高风电场的最大接入容量。 对于一个实际的风电系统，要确定其适当的风电接入容量，必须进行系统的计算分析。,（二）暂态仿真分析,风力发电机组接入电网不仅影响系统的稳态运

14、行特性，也会影响大扰动后的暂态稳定性。 为保证风电系统的安全运行，必须对网络发生故障后的暂态稳定性进行校验。 当网络发生短路故障时，风电系统容易发生电压失稳和转子失速而降低系统的稳定性，这两种现象是交织在一起的。,异步发电机的功率因数随滑差的变化,异步发电机的功率因数随滑差的变化,在偏离额定滑差时，异步发电机的功率因数迅速下降，对应于一定的有功出力，吸收的无功功率急剧增加。 输出电功率大时，滑差大,V= V1-V0= (PR-XQ)/V0,（1）短路故障后的动态过程,网络发生短路故障，发电机端电压降低，只有少量的电功率传送到电网，但此时风轮机输出的机械功率基本不变，由于机械功率和电功率的不平衡

15、，发电机开始加速，滑差增大，因而异步发电机将从电网吸收更多的无功功率，造成机端电压的进一步下降。 当故障切除后，转子的转速和机端电压将进入一个恢复过程。 若电压恢复过程快于转子转速恢复过程，则进入一个良性循环，可以恢复故障前的稳态，或建立一个新的稳态。 若电压恢复过程慢，发电机功率输出不能快速增加，机械功率和电功率不能及时平衡，不能抑制转子的加速，滑差进一步加大，发电机吸收的无功功率继续增加，则将进入一个恶性循环，这样一种正反馈的过程将使风电系统电压崩溃，并且转子失速。,（2）转矩特性分析,异步发电机的静态稳定性通常用转矩滑差特性曲线来描述 。 转矩滑差特性受系统电压、无功补偿、短路容量、网络

16、阻抗参数的影响,电磁转矩：,转矩特性分析（续1）,右图是系统电压U分别为1.05p.u.和1.0p.u.，短路容量Ssc=4.0p.u.时转矩特性 s0表示发电机运行状态 提高机端电压U将有利于稳定性的增加,转矩特性分析（续2）,风电场接入点的短路容量分别为4.0（p.u.）和8.0（p.u.）。 正常运行时滑差约为0.4，转矩最大值随短路容量的增加而升高 提高风电场接入点的短路容量有助于改善风电系统的稳定性。,转矩特性分析（续3）,短路容量Ssc=4.0p.u.，电容补偿量为30%或无电容补偿 安装补偿电容器，提高风电机组功率因数，可以提高最大输出转矩,转矩特性分析（续4）,Ssc=4.0p

17、.u.， 网络阻抗参数x/r由3/1变为1/1，异步发电机的最大转矩增加很多，系统的稳定性也相应提高,（3）仿真分析,计算网络同前 假设风电场的装机容量为75MW，在风电场出口（节点10）发生三相短路故障 考虑的可变因素包括： 风电接入点短路容量的大小 网络阻抗参数 电容补偿量的大小,仿真分析（续1）,Us1.05p.u.，电容补偿量为有功出力的30，网络阻抗参数x/r3:1，短路容量Ssc=3.91，故障持续100ms后切除一回线路。 故障后系统能够保持稳定。,仿真分析（续2）,电容补偿量降低为15，其余条件不变 故障发生后系统失去稳定性，电压降低到不可接受的程度，滑差不断增大。,仿真分析（

18、续3）,保持补偿度15不变，在短路容量不变的情况下将联络线阻抗参数变为x/r1:1。 相同的故障情况下，系统又能够恢复稳定。,仿真分析（续4）,原不稳定情况（电容补偿量降低为15，网络阻抗参数x/r3:1，短路容量Ssc=3.91）短路容量增加一倍 在同样的故障下，系统仍能恢复稳定运行,暂态仿真分析结论,风电系统在电网发生短路故障后的稳定性与风电接入点的短路容量的大小、风电场与系统联络线的阻抗参数以及风电机组的无功补偿度（即风电机组的功率因数）的大小有密切的关系。 适当提高风电接入点的短路容量和风电机组的功率因数以及采用x/r较小的线路连接风电场和电力系统将有助于提高风电系统的稳定性。 暂态仿真分析与稳态分析的结果是一致的。,（4）实例系统计算主要结论,由稳态分析