一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法
【专利摘要】本发明公开了一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，针对风力发电机的结构和模型进行了详细的分析和阐述，基于风速的四分量模型确定了风速模型的修正方程式；在详细分析风力发电机输出机械功率的基础上提出了异步式风力发电机和双馈式风力发电机等不同类型的稳态潮流模型，在此基础上结合已有的潮流计算确定了不同类型风力发电机并网后的潮流计算模型，并根据实际的仿真需要，提出了异步风力发电机的简化处理模型和流程，通过研究风电并网后的系统潮流计算方法，有利于确定风电场的并网方案，并为进一步研究其对系统稳定性、可靠性等方面的工作打下了基础。
【专利说明】一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力发电机组研究方法，具体地说是一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法。
【背景技术】
[0002]目前在世界范围，为了保障能源安全，实现能源来源多元化，并应对气候变化，各国都积极发展可再生能源。风能是取之不尽，用之不竭的清洁、无污染、可再生能源，因而风力发电在新能源的开发和利用中占据了优先且主导的地位。
[0003]风力发电在世界范围内真正发展始于20世纪70年代，由于石油危机的影响，为开发替代能源，美欧等发达国家投入大量经费，利用多种先进技术研制出现代风力发电机组。九十年代以来，世界风力发电得到了飞速的发展，为实现二氧化碳等温室气体减排的目标，欧洲将风电发展作为一项重要的措施，其中为保证风电持续高速发展，德国、丹麦、西班牙等国家都制定了较高的风电收购价格。根据全球风能理事会(GWEC)发布的《2011年全球风报告》可知，截至2011年底，世界风电装机容量达到2.38亿kW，同比增长20.6 %，2001-2011年期间年均增长约28%。
[0004]我国幅员辽阔、海岸线长、风能资源丰富。在20世纪80年代后期和2004-2005年，中国气象局分别组织了第一次和第二次全国风能资源普查，得出我国陆地1m高度层风能资源理论可开发储量分别为3226GW和4350GW。据统计，我国陆上可开发利用的风电约为
2.5亿kw，海上是陆上的三倍，即750GW，总量为1000GW的结论。由于我国风能资源主要集中在“三北”地区，大多远离负荷中心。我国的风电事业在《可再生能源法》颁布以来发展迅速，据国发改委规划，到2020年我国风电装机总量将增加到3000万千瓦。当前，我国的风力发电正处于快速发展阶段，随着风电场容量的增大及相关规范的出台，引入风电的省市地区都开始对已建成和拟设计的风电场就并网风电对电网带来的各方面影响进行研究。
[0005]由于风电是间歇性的电源，而且常和电力电子装置一起接入系统，因此，风电场的接入对电力系统的运行是有影响的，有可能影响原系统的可靠性、稳定性和电能质量。随着风力发电机组单机容量和风电场规模的增大，风能的随机性、间歇性和不可调度性的缺点使得其并网后对电力系统的影响也越来越明显。这些影响表现在以下几方面:
[0006](I)风力发电选址于沿海、山区等风力资源丰富的地区，而这些地区往往远离主网，风电功率的注入将改变当地电网的潮流分布，引起局部电网的节点电压产生波动。从保证风电场和电力系统正常运行的角度考虑，确定一个风电场的最大注入功率及其影响因素成为规划设计风电场时需要解决的问题。
[0007](2)风力发电机组(风力发电机组)出力的变化，使网内常规机组的运行方式发生变化，因此风电场并网后会对电网的低频振荡模式和振荡特性造成一定影响，甚至可能导致一些局部振荡模式出现或消失。
[0008](3)风电作为一种间歇性电源,风电场的可靠性对系统运行方式的制定存在一定的影响，因此在设计阶段需要充分考虑其供电的可靠性。[0009]因此，针对风电并网后对原有系统的影响研究分析，具有良好的经济意义和良好的社会意义。而风电并网后对系统潮流分析和计算的影响则是一个需首先解决的基础问题。一方面通过分析含风力发电机组的潮流可确定风电场的并网方案并可有效评估风机并网后对电网稳态运行产生的影响，包括由风电场引起的节点母线电压变化分析以及线路功率和节点电压的仿真校验等问题；另一方面分析风电并网后的潮流问题也是进一步分析研究其对系统稳定性、可靠性等方面影响的工作基础。
[0010]风电场并网后，在进行电力系统的潮流计算中，采用何种的风电场模型至关重要。文献[1-3]提出了以下几种模型:第一种是简单的PQ模型，结合风电场的额定有功和功率因数，推算出风电场吸收的无功功率，进而在潮流计算中将其作为普通的PQ负荷节点进行处理。另一种是将感应电机的滑差表示成端电压、有功功率和等值支路阻抗的函数，称为RX模型，通过初始滑差和风速计算风机的电功率和机械功率，不断迭代直至收敛。实际的仿真结果表明，PQ模型需要的迭代步骤较小，其结果同样满足要求，而RX模型的计算量则较大。
[0011]文献[I]:吴义纯，丁明，张立军.含风电场的电力系统潮流计算[J].中国电机工程学报.2005，25 (4): 36-39。
[0012]文献[2]:王海超，周双喜，鲁宗相，等.含风电场的电力系统潮流计算的联合迭代方法及应用[J].电网技术，2005，29 (18):59-62。
[0013]文献[3]:陈金富，陈海焱,段献忠.含大型风电场的电力系统多时段动态优化潮流[J].中国电机工程学报，2006，26 (3):31-35。
【发明内容】
[0014]针对现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，通过研究风电并网后的电力系统潮流计算方法，有利于确定风电场的并网方案。
[0015]本发明解决其技术问题采取的技术方案是:一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，包括以下过程:
[0016]I)对风电场风力发电机组的结构和模型进行研究:所述风力发电机组进行并列连接，并共同接入电网系统；整个风电场的风力发电机组的能量转换过程是风能-机械能-电能，风力发电机组可分为两部分，一部分是将风能转化为机械能的风力机，另一部分是将机械能转为电能的发电机；风力发电过程是通过叶轮将风能转变为风轮的转动惯量即机械能，通过主轴的传动作用，经过齿轮箱的作用使得异步发电机转子达到合适的转速后，带动转子发电，并经励磁变流器将定子电能注入电网；
[0017]2)基于风速的四分量模型确定风速模型的修正方程式:当前风速模型常采用国际通用的四分量模型，即包括基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四部分，基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四部分之和组成了正常风力机的风速；正常风力机在轮毂高度所处的风速为Vw，在实际分析处理过程中需要对其进行修正，风速模型的修正方程式如式I所示:
【权利要求】
1.一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，包括以下过程: 1)对风电场风力发电机组的结构和模型进行研究:所述风力发电机组进行并列连接，并共同接入电网系统；整个风电场的风力发电机组的能量转换过程是风能-机械能-电能，风力发电机组可分为两部分，一部分是将风能转化为机械能的风力机，另一部分是将机械能转为电能的发电机；风力发电过程是通过叶轮将风能转变为风轮的转动惯量即机械能，通过主轴的传动作用，经过齿轮箱的作用使得异步发电机转子达到合适的转速后，带动转子发电，并经励磁变流器将定子电能注入电网； 2)基于风速的四分量模型确定风速模型的修正方程式:当前风速模型常采用国际通用的四分量模型，即包括基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四部分，基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四部分之和组成了正常风力机的风速；正常风力机在轮毂高度所处的风速为Vw，在实际分析处理过程中需要对其进行修正，风速模型的修正方程式如式I所示:
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，所述高度修正系数α的取值范围为0.10-0.40。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，所述并网风力机组主要包括:风轮机、塔架、传动轴、齿轮箱、发电机以及相应的控制系统。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，所述风速模型中的基本风是风力机正常运行中一直存在的部分，决定了风力发电机组输出的额定功率；阵风分量用于反映实际过程中风速突然变化的部分；渐变风则用来描述风能的渐变特性；而风能变化的随机特性则通过随机噪声风分量来进行描述。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，所述对含有异步式风力发电机组的电力系统进行潮流计算的过程包括以下步骤: SI I，形成母线导纳矩阵； S12，设定各母线的电压初值:相角和幅值； S13，给定风电场的风速； S14，按式3和式8确定风力发电机组发出的有功功率和吸收的无功功率； S15，求式I中的有功和无功不平衡量，并获得雅可比矩阵元素； S16，用牛顿-拉夫逊方法求解式1，并修改各母线电压和相角； S17，校验潮流是否收敛，若收敛，则计算结束，否则用新的电压值作为初值，重复步骤S14，直至计算结束为止。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，所述在恒功率因数方式下的对含有双馈式风力发电机组的电力系统进行潮流计算的过程包括以下步骤: S21，设定风速和风电场电压初值Us ； S22，根据双馈式风力发电机风速功率曲线得Pe ； S23，根据风力发电机组的转速控制规律式(10)，计算转差率s ； S24，根据式(12)计算Ps，并根据式(11)计算得Qs; S25，将Pe、Qs WPQ母线形式代入电力系统，计算出风电场母线电压U' s，判定电压之差在设定的误差范围内，即U' S-US< ε ； S26，如果U' S#US，令Us = 0.5(US+W s)，返回到步骤S24继续执行步骤S24和S25，直到电压之差小于ε为止； S27，得到Us的最终计算值，代入式(12)，得到Ps、Pr的分布情况。
7.根据权利要求1所述的一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，所述在恒电压运行方式下的对含有双馈式风力发电机组的电力系统进行潮流计算的过程包括以下步骤: S31,设定风速,设定恒定运行电压Us ；S32，根据双馈式风力发电机风速功率曲线得Pe ；S33，将Pe、Us WPV母线形式代入电力系统，计算出风电场母线注入无功功率Qe ；S34，根据风力发电机组的转速控制规律计算转差率s ；S35，根据式13计算Ps;S36，将Ps、Qe 、Us代入式14检查电流是否越限。
【文档编号】H02J3/38GK104037806SQ201410279951
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】王轶群, 吴健, 王浩, 贾善杰, 郑志杰, 吴奎华, 杨慎全, 杨波, 梁荣, 冯亮 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司经济技术研究院