風電場穿透功率極限研究學士學位論文-wenkub.com

　 　

【正文】 由于本人學識有限，文中不免有錯誤和待改進之處，真誠歡迎各位師長、同行提出寶貴意見。致 謝在論文完成之際，我首先要向陳功貴老師表示最真摯的謝意。通過在New England 39節點系統上仿真計算，驗證了所提方法的有效性及其快速準確的特點，得到了風電場接入節點選擇不同時，風電場的最大容量、風電場穿透功率極限也不同的結論。驗證結果表明，此種優化方法計算準確而迭代快速，它可與不同的仿真軟件結合，快速準確的求取系統風電場穿透功率極限。一般來說，風電場接入系統節點離發電廠越近時，它的穿透功率極限會越小，因為此時它對系統頻率影響較大。通過上述三種運行方式的仿真計算結果可以看出，在第3種運行方式下，系統因失去大量有功導致系統節點電壓、頻率降低。考慮風電場在短時間(4秒鐘)內，輸出功率由零增至額定值。假設風電場初始容量為300MW，應用本文提出的優化算法，計算三種運行方式下，風電場的穿透功率極限。假設風電場最大容量近似解w(1)為300MW；2．系統接入風電場后，通過仿真，得到um(w(k))、fm(w(k))，通過（）～（）式求得Xu(w(k)) 、Xf(w(k))和w(k+1)；3．若Xu(w(k))＞1或Xf(w(k))＞1，則令： ()如果△W(k)≤1MW,停止迭代，取上次迭代計算結果為最終解；4．如果Xu(w(k))=1且Xf(w(k))＜1，或Xf(w(k))=1且Xu(w(k))＜1，則W(k)為最終解；5．重復2～4，直到求得最終解。當風電場容量增加時，系統電壓和頻率的暫態值偏移加大，Xu(w)、Xf(w)單調遞增，它兩的和F(w)為一單調遞增函數。基于上述分析，對風電場穿透功率極限求取的目標、約束函數做下述變換: ()其中，w為風電場容量。系統的穩定判據為，；[25]。利用初試點進行的近似線性規劃解的過程。 近似線性規劃由于線性規劃有了比較有效地求解方法，所以就可以考慮使用線性規劃解法的技巧來近似的解決非線性規劃問題。通過近似線性規劃方法，先將原計算風電場穿透功率極限的非線性目標約束函數作線性化。在對風電場容量值不斷修正的過程中，修正值的選取是風電場穿透功率極限計算的關鍵。 暫態分析步驟圖4風電場穿透功率極限的近似線性規劃優化算法風電場對系統的影響牽涉到許多方面的因素，分析計算十分復雜，所以，對于風電場極限功率值的求取，至今尚沒有統一的方法。各節點電壓偏差在額定值的5%之內[22]。動態分析應用動態仿真的方法校驗穩態分析求出的風電場穿透功率極限是否能夠滿足系統的動態穩定性。經近似變化后求得目標函數滿足約束的近似解，這種方法計算準確而迭代快速，免除了人為的去估算風電場最大容量的修正值，使得風電場極限穿透功率求取簡便而快速。針對求解風電場穿透功率計算中求取的目標、約束函數較復雜的問題，文獻[20]利用計算簡單便于研究的函數來近似表達。在該文中，作者根據氣象部門提供的統計數據假設風電場的風速服從正態分布。以較小的計算代價直接求解負荷及風速隨機變化情況下的風電穿透功率極限問題。傳統的求解機會約束方法是根據事先給定的置信水平，把機會約束規劃轉化為各自的確定等價類，然后用傳統的方法求解其等價的確定性模型，但這種方法操作起來很困難，而隨機模擬技術很好地解決了這個問題。在風況很惡劣或者系統的工況不利于風電場向系統送電時允許某些約束條件不滿足，但是其發生的概率應小于某一水平。該文作者把風電場裝機容量和常規機組的出力作為優化變量，而把風電場的輸出功率作為隨機變量，以風電場的總裝機容量最大化作為優化目標，其目標函數為： ()式中：PR為風電場裝機容量向量；e為與PR維數相同，所有元素為1的列向量。風速在短時間內由額定風速升至最大風速或降至停機風速。文獻[17]討論了在重負荷和輕負荷兩種情況下，系統經受三種擾動方式的穩定性問題。在嚴重的情況下，系統可能會失去頻率的穩定。所以，系統的穩定性是影響和限制風電場穿透功率極限水平的另一個重要因素[15]。所以，系統供電電能質量是影響和限制風電場穿透功率極限水平的重要因素之一。當風電場穿透功率小于極限時，風電場并網運行后，系統必須要保證供電的電能質量，當風電場風速發生大的波動或是電網發生故障時，系統能夠穩定運行。在1998年的國際大電網會議上，系統所能接受的風電場最大容量和系統最大負荷的比值[2]。由于風電場容量的增加會導致系統中如節點電壓、系統頻率等的暫態量變化的加大，當風電場容量占系統容量的比例達到一定水平時，系統中某些電氣量指標會超出允許范圍，且系統可能失去穩定。風電場穿透功率極限是指，系統在正常運行的前提下所能接受的風電場最大裝機容量與系統最大負荷容量的比值[2]。 ()其中：vS、vR、vF是風力發電機的實際啟動風速、額定風速和關機風速；vOS、vOR、vOF是風力發電機的標準啟動風速、額定風速和關機風速[5]。若在標準空氣密度條件下和在安裝點的空氣密度條件下，風功率密度相等，則有 ()其中：和v是風電場空氣密度條件下的空氣密度和風速；和v0是標準空氣密度條件下的空氣密度和風速；是風速變換系數。風力發電機的標準功率特性曲線，是風力發電機在標準空氣密度()條件下輸出的功率與風速的關系曲線。降壓運行裝置與軟并網裝置類似，軟并網裝置只在風力發電機啟動時運行，而降壓運行裝置始終運行，控制方法也比較復雜。異步發電機直接并網時，其沖擊電流達到額定電流的68倍，電網電壓瞬時下降幅度較大，有時電網電壓下降可使風力發電機的低電壓保護動作，導致異步發電機并不上電網。風力機的并網控制是整個電控系統最關鍵、最復雜的部分，它直接影響到風力機能否向電網送電及機組不受并網時電流沖擊。風機的輸出功率會隨著其葉片傾角的增加而大幅下降。在第三個運行區域中，控制方法從獲得利用最大的風能轉為使設備受到的危害為最小。變速風機在第二運行區域會不斷的調整它們的轉速來保持葉尖速比不變使得功率系數最大。對于恒速風機來說，通過控制轉子的轉速可以使得功率系數達到最大，能最大限度的利用風能。風力發電專家將風力發電機組的運行分成了三個區域，這三個區域包括了風速從原始靜止增加到最大風速的整個過程。簡言之，失速即是改變葉片橫斷面周圍流動的氣流，從而導致效率的損失。目前使用的大多數風力發電機都采用了調速或限速裝置，目的是使風力機不論風速如何變化轉速總保持恒定或不超過某一限定值。它將會接受來自任何方向的風，發電機可以被安裝在底部，葉片上主要的機械負載是張力。目前國內外兆瓦級以上技術較先進的、有發展前景的風力發電機組主要是雙饋型風力發電機組和永磁直驅風力發電機組，二者各有優缺點。③大功率IGBT很容易驅動。風電場由一臺大容量公用逆變器把直流母線的直流電轉換成50Hz的交流電，電壓為12kV，可直接并入當地電網使用，也可經變壓器升壓至更高電壓后并入更高壓電網傳輸到遠處。對風力發電機工作點的控制是通過控制逆變器送到電網的電流實現對直流環節電壓的控制，從而控制風輪機的轉速。目前國內有多家開發成功雙饋電機控制系統，如蘭州電機有限責任公司與清華大學、沈陽工業大學合作研制的兆瓦級變速恒頻雙饋異步風力發電系統控制設備，采用全數字化矢量控制方法。穩頻的作用，提高了發電質量。由于雙饋電機既可調節有功功率，又可調節無功功率，有風時，機組并網發電；無風時，也可作抑制電網頻率和電壓波動的補償裝置。雙饋電機控制系統通過變頻器的控制器對逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節其轉速、有功功率和無功功率的目的。3．雙饋發電機雙饋電機的結構類似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三根電源激勵，所不同的是轉子繞組具有可調節頻率的三相電源激勵，一般采用交—交變頻器或交—直—交變頻器供以低頻電流。各大風力發電制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此類產品。控制上也很靈活，可以較好的調節系統的有功功率、無功功率，但控制系統較為復雜。在低風速肘，將槳葉節距調節到可獲取最大功率位置，槳距角調整優化機組功率的輸出；當風力機發出的功率超過額定功率后，槳葉節距主動向失速方向調節，將功率調整在額定值上。在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0176。定槳失速調節型的優點是失速調節由指槳葉本身完成，簡單可靠，當風速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調節而控制系統不作任何控制，使控制系統大為減化。根據漿葉的不同，分為以下三種：1．定槳距失速調節型風力發電機組定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。垂直軸風力發電機運行時，其風輪圍繞一個垂直軸旋轉。由于風速的大小隨著高度而增加，所以風機一般都很高；又由于風功率密度較低，平均值小于1000W/m，所以風力發電機都會采用大直徑的風輪口為了高效利用風能，風力發電機在運行時要將其葉尖速比(Tip Speed Ratio)保持在6~8間，此時風力發電機的功率轉換系數(Power Coefficient)最高，(貝茨Bentz極限)[16]。由風速的概率密度函數和風功率密度公式可以求出風功率密度的概率密度函數： ()由于風資源的特性，使得風力發電機在結構、運行、控制和保護方式上都有著自身的特點。因此在風能計算中，風速具有決定性的意義。對數公式在30~50米的高度范圍內擬合的最好，而對整個邊界層高度，指數公式更為精確，又因其簡便，所以經常使用的還是指數公式[15]。風速測量儀所測的風速受到受障礙物、地形、地貌等影響，因此距離風速儀一定距離的風速可能與測量點的風速差別較大。本章簡要介紹了風資源及其特性，然后介紹了風力發電機，最后介紹了風力發電機的功率特性。因為大型并網風電場對于電力系統的影響主要來自于它的功率不穩定性。因此，本文研究路線如下：1. 通過介紹風電場并網對電力系統的電壓和頻率等一系列的影響，來引申出計算風電場并網的極限穿透功率的重要性；2. 介紹了一系列計算風電場極限穿透功率的方法，通過對這些方法的認識，了解到這些方法中的不足之處，進而去尋求一種更準確、更快速的方法來計算風電場極限穿透功率；3. 提出了基于近似線性規劃地風電場穿透功率極限的優化算法，在通過動態仿真求取風電場穿透功率極限的過程中，采用近似線性規劃方法進行了優化，并采用算例系統進行驗證。通過近似線性規劃方法，先將原計算風電場穿透功率極限的非線性目標約束函數作線性化。在對風電場容量值不斷修正的過程中，修正值的選取是風電場穿透功率極限計算的關鍵。由于風電場穿透功率極限計算牽涉的因素較多，目前尚沒有一個統一適用的算法和公式。為了能向系統提供更多的風能，就需要有一定的解決措施。頻率控制 當風電場與脆弱、孤立的電網相連時，要保持系統的正常電壓就有困難。通過電力電子技術的應用，現代變速風力發電機可在足夠的范圍內控制功率因數。隨著諧波治理設備和先進的電力電子設備在變速風力發電機中的應用，諧波不再是系統注重的焦點。上述考慮的情況都是在最差的條件下，之所以在最差的條件下考慮是因為我們未能很好的了解風與真實系統間的相互影響。風能資源通常遠離負荷中心，風電場的輸出隨著風速風向的變化而變化，風力發電的特性目前尚未完全明確，所以制約了風力發電的發展。用于分析異步風力發電機組接入系統的動態穩定性以及計算風電場接入電網的穿透功率極限的異步風力發電系統動態穩定數學模型[11]。分析與大電網相連的風電場在故障中和故障后的暫態特性的分析工具可[9]現己開發出，此工具己被用于評估故障對風電場的影響和評價提高風電場運行特性的方法。現在發電過程中應用此項技術使用的最多的兩個方法是:將風機輸出的變動電壓和變動頻率完全轉換為直流，在將它轉換為交流，或者另一種方法，當變速感應電機的繞線式轉子通過一個半導體系統的合適的變頻電流調制，定子將會向內部聯接的母線提供恒壓、恒頻的功率。2001年，由中國科學研究院電工所承擔的國家“大型風力發電系統關鍵技術的研究”的兩個關鍵性專題項目通過了專家驗收。為了能大規模利用風能，風電場的電能的輸出應該得到控制，控制裝置應該可以在2秒鐘內將風電場的輸出降到額定值的20%，控制裝置還應可以將電場的總輸出控制在一個定值[7]。為了充分的利用當地的風能資源，風電場安裝了5臺600KW的風力發電機，還有風電場控制系統，控制系統會在風電場端的電網電壓過高的情況下減少風電場電能的輸出。優惠政策是發展風力發電的主要動力。,，河北張北、江蘇如東和啟東地區新增90 MW,遼寧營口、大連、廣東南澳、上海崇明和南匯等地新增80MW，其余省份“十五”。到1998年底。并網風力發電是大規模利用風能最經濟的方式，隨著技術的發展和規模的擴大，風電成本將繼續下降。中國10m高度層實際可開發的風能儲量為250GW，這說明中國風能資源豐富。2002年4月2日，在首屆世界風能大會上歐洲風能協會宣布，截至2001年底，全球風力發電能力已經達到2400萬kw，比上一年增長650萬kw，創下世界風力發電功率年增長的最高記錄。已有5個歐洲國家計劃使風電達本國總發電量的10%左右，丹麥甚至計劃2030年達到40%，歐盟目前風力發電市場規模已達到80～100億美元，已成為歐洲的新興經濟領域。1999年全世界風力發電總裝機容量約13400MW，比1998年增長了38%，超過了任何一種電力增長的速度，其中裝機容量較多的國家是：德國4074MW、美國2622MW、丹麥1600MW[4]。20世紀初，法國出現了第一臺用現代快速風輪驅動的發電機。 近年來，隨著我國風力發電事業的不斷發展，新建風電場的規模越來越大。隨著