风电并网稳定性开题报告(共12页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上南京工程学院毕业设计开题报告课题名称：风力发电场并网运行稳定性研究学生姓名： 李金鹏 指导教师： 陈刚 所在院部： 电力工程学院 专业名称： 电气工程及其自动化 南京工程学院2012年3月5日说明1根据南京工程学院毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。5开题报告检查原则上在第24周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。毕业设计(论文)开题报告学生姓名李金鹏学号专业电气工程及其自动化指导教师姓名陈刚职称讲师所在院部电力工程学院课题来源自拟课题课题性质工程研究课题名称风力发电场并网运行稳定性研究毕业设计的内容和意义内容：早期风电的单机容量较小，大多采用结构简单、并网方便的异步发电机，直接和配电网相连，对系统影响不大。但随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，而风电场所在地区往往人口稀少，处于供电网络的末端，承受冲击的能力很弱，给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变等问题。因此以恒速恒频异步风力发电机组成的风电场为研究对象，建立风力发电系统的线性化状态方程。研究包含风电场的电力系统潮流算法，利用MATLAB及其仿真平台实现电力系统潮流计算以及机电暂态仿真。分析比较各种潮流算法的优缺点。建立简单系统的小干扰稳定分析线性化状态方程，得出了状态矩阵元素的参数表示形式。用特征值分析方法研究大型风电场接入电网后的系统小干扰稳定问题。分析风电场改变对系统小干扰稳定性的影响。采用时域仿真方法研究大型风电场接入电网后的系统暂态稳定问题。意义：据国际能源署统计，全球风力发电机总装机容量1999年的2000兆瓦增加到2005年的60000兆瓦，世界风能市场装机资金达450亿欧元，提供50万个就业岗位。风能这种清洁能源每年可以减少2.04亿吨的二氧化碳排放量。 随着风电装机容量的增加，在电网中所占比例的增大，风能的随机性、间隙性特点，和风电场采用异步发电机的一些特性，使稳态电压值上升、过电流、保护装置的动作误差，电压闪变、谐波、浪涌电流造成的电压降落，从而使得风电的并网运行对电网的安全，稳定运行带来重大的影响。其中最为突出的问题就是使风电系统的电能质量严重下降，甚至导致电压崩溃。风电场脱网事故频发，对电网安全运行构成威胁，所以进行风力发电并网运行稳定性研究是非常必要的。文献综述国内外风力发电发展现状 20世纪初，法国出现了第一台用现代快速叶轮驱动的发电机。到了20世纪30年代，各国已开始研制中型、大型风力发电机。国际能源署统计全球风力发电机总安装容最从1990年的2000兆瓦增加到2005年底的60000兆瓦。目前，德国的总装机容量已达到21000兆瓦，超过了美国跃居世界首位。到2l世纪初，风能依旧是世界上发展最快的能源。 我国风力发电起步较晚。自80年末引进大型风力发电机以来，经过十多年的不断引进、消化、吸收、积累了一定的经验。我国并网型风力发电技术在80年代中期开始进行试验、示范、经过多年努力，现在逐步转向规模开发目前我们已掌握600KW定桨距失速风电机组的组装技术和关键部件。 近年来，我国风电产业持续快速发展。“十一五”期间风电装机容量连续五年翻番，成为全球风电装机规模第一大国。随着风电发展，风电企业和风电设备制造企业迅速成长，配套电网建设逐步加强，风电整体运行态势良好，为我国能源结构调整战略的顺利实施和节能减排目标的实现作出了重要贡献。目前几种较为流行的风电技术1.定桨距失速型风电技术（Stall Regulation） 这种技术是以桨叶翼型本身的失速特性为基础，当风速超过额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶叶表面形成涡流，从而限制功率。其特点是：控制与调节简单可靠，但桨叶与塔架的受力大，根据风能利用系数Cp，不能保证在额定风速之前Cp最大。2.变桨距型风电技术（Pitch Regulation） 这种技术为达到控制吸收风能，使风轮机叶片安装角随风速变化，将通过变距调节器来调控。叶片节距角在零度附近时，风速在额定以下；当风速在额定以上时，为保证发电机的输出功率在合适范围内，必须调整叶片攻角。变桨距风电机组比定桨距风电机组所需的起动风速低，停机冲击应力小。在实际中，相对风速的反应，风机桨距调节机构有一定的时延，在阵风到来时，桨距调节会因为来不及动作，而造成瞬时风机过载，不利于其运行。由于风能所拥有的随机波动性，并且普通的调节方法跟不上风速变化所引起的发电机功率变化，这显然对电网与风电质量影响极大。文献综述3.主动定桨距型风电技术（Active Stall Regulation） 国际上风机制造商已在他们的新产品中采用了此技术，这种方法的主要特点是：桨叶应用定桨距失速调节，调节系统采用变桨距技术，输出功率在额定以下时，采用变桨距调节方式；输出功率在额定以上时，采用定桨距调节方式，其优点是：功率输出波动幅度较小且比较平稳。4.变速恒频风电技术（Variable Speed Constant Frequency） 综合以上几种风电技术，目前最优良的调节技术当属变速恒频技术。它为了达到效率最高，发电系统稳定性提高，系统效率提高，可以在输出功率低于额定功率之前就能实现。最早在上世纪40年代，这种技术就出现了，但当时没能得到很好的发展应用，是受到控制技术和电力电子器件水平的制约，兆瓦级的变速恒频风电技术直到80年代原苏联、日本等国才投入运行。 风力发电有两种不同的类型，即：独立运行的“离网型”和接入电力系统运行的“并网型”。“离网型”的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他能源发电技术相结合（如风电/水电互补系统、风电柴油机组联合供电系统）可以解决偏远地区的供电问题。“并网型”的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。风电场并网对电力系统的影响及目前主要解决方法 小规模风电场并网对电力系统的影响主要是以下几个方面：稳态电压值的上升、过电流、保护装置的动作误差，电压闪变、谐波、浪涌电流造成的电压降落。大规模风电场并网对电力系统的影响除了以上那些方面外，还会有电力系统的振荡和电压稳定性问题。 目前提高电网稳定性的主要对策是：1.采用动态无功补偿如静止补偿器SVC等，可以改善系统暂态特性，从而提高风电场的安全容量。动态无功补偿装置SVC等的容量选取需结合具体电网结构、风电场容量和SVC的调节特性确定。2.低电压自动切除风电机组是系统故障后维持电网稳定的有效控制措施，但切除过多要考虑电网的调节控制能力。3.加强电网结构和提高相应负荷的功率因数也可以提高系统的暂态稳定性和风电场的安全容量。4.必要时可考虑直流接入电网的方式，如正规划建文献综述设的上海东海大桥100MW海上风电场就提出基于轻型HDVC的并网方案。在众多的约束中，电网的暂态稳定性可能是影响风电场规模的重要因素，必要时控制风电场接入系统的容量。目前风力发电发展存在的问题 风电装机的快速增加，加大电网安全稳定运行压力。随着风电装机在电网中所占的比例不断增长，风电对电网的影响从局部配电网逐渐扩大到主网。多数风电基地，远离负荷中心，电网结构薄弱，缺乏电源支撑，需要在原来运行方式的基础上，额外安排一定容量的旋转备用以应对风电场输出功率的随机波动。 风电随机性、间隙性和反调峰性的特点，使主网调峰调压、频率控制等方面难度增加，加大了电网稳定运行的风险。另外，一些受端电网潮流随风电出力而变化较大，局部电网安全风险增加。其中最为突出的问题就是使风电系统的电能质量严重下降，甚至导致电压崩溃。 风电场脱网事故频发，对电网安全运行构成威胁。由于风电机组性能不满足要求、风电场设计安装存在隐患、并网检测手段不足、风电场运行维护和调度管理薄弱等原因，致使风电机组脱网事故频发，直接影响电网安全稳定运行。随着风电并网容量的增大，这种影响日趋严重，较小故障就可能引发电网电压的较大波动，造成大规模风电机组脱网，导致地区电网瓦解，甚至扩大为大面积停电事故。风力发电的发展趋势 新型，高效率、高可靠性风力发电机组不断推陈出新。高技术含量不断增加。从空气动力学的应用来看，风机风轮叶片的定桨距调节或称失速调节，变桨距调节及主动失速调节并行发展，使风能的利用率得到提高；从电力电子技术与发电机技术结合上来看，新型双速异步发电机、变滑差异步发电机、双馈发电机、低速永磁发电机、高压发电机以及同步发电机与交一直一交变频系统或交一交变频系统组合应用的相继出现，提高了风力发电机组的效率及技术：从风力发电杌并入电网的技术方面来看，异步发电机软并网，同步发电机经变频器并网，使得并网的可靠必得以提高，减少了对电网的干扰。 并网风力发电机组单机容量逐步增大，风电工业的生产规模日益扩大。进入上世纪90年代以后，并网风力发电机的容量向大型化的发展异常迅速。风力机的尺寸和输山功率也迅速增大。目前兆瓦级风力发电机也已研制成功，并投入商业化运行。 风电成本呈下降趋势。新型、高效、大型机组的研制成功，产业化、规模化、商文献综述业化生产的口趋完善与扩大，为降低风力发电成本及电价提供了基础。事实证明，风力发电机组的单位千瓦造价和风力发电的电价逐年都有较大降低，这正说明了风电与常规能源发电的竞争中地位逐步增强。 由陆地风电场向海上风电场发展。海面气流流动速度比在陆地上快，而且平稳，还有海上风电场机组运转时发山的噪音远离居民地，噪音干扰少等优点，使得风力机不仅在陆地上发展，而且可以向海上发展。 风力发电系统由风力发电机组，监测显示装置，控制装置等组成。风力发电机组由发电机和风轮机组成，实现能量的转换，现代风电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性的系统工程，风力机按其在空间旋转位置可以分为水平轴（HAWT）与立轴风机（VAWT），现在的风电中大都应用水平轴风机；从运行方式来看，风力发电又可以分为联合独立式，并网，独立三种运行方式。现代风电机功率控制主要采取定桨距失速控制和变桨距控制两种方式，定桨距的其桨距角固定不变；变桨距是指可以利用控制技术改变其桨距角的大小。文献综述参考文献1李建丽，李黎黎.大规模风电场并列的电压稳定性问题探讨太阳能，2006(6)：4850.2吴学光，张学成.异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用J.电网技术，1998，22(6):69-70.3风力发电系统低电压运行技术/李建林，许洪华等著.北京：机械工业出版社，2008.12.4风力发电技术及工程/宋海辉主编.北京：中国水利水电出版社，2009.5风电场并网技术/朱莉等编著.北京：中国电力出版社，2011.1.6李东东.风力发电机组并网控制与仿真分析J.水电能源科学，2006，24(1):9-11.7雷亚洲.与风电并网相关的研究课题J.电力系统自动化，2003，27(8):84-89.8马幼捷，张继东.风电场的稳定问题J.可再生能源，2006(3):37-39.9李锋，鲁一川.大规模风力发电对电力系统的影响J.中国电力，2006，39(11):80-84.10迟永宁，王伟胜，戴慧珠.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响J.电力系统自动化，2006，30(5):10-14.11World Wind Energy Association. "Worldwide Wind Energy Capacity at 47616MW - 8321MW added in 2004". Press Release March 2005.www.wwindea.org.12P.Soerensen, A.D.Hansen, Pedro Andre Carvalho Rosas."Wind Models for Prediction of Power Fluctuations of Wind Farms"J. Wind Eng.Ind.Aerodyn.No.90, pg.1381-1402, 2002.研究内容1. 基于MATLAB软件对风速仿真模型的建立。 风速是风力机的原动力，它的模型相对于风电机组比较独立。为了较精确地描述风的随机性和间歇性的特点，本研究中沿用国内外使用较多的风力四分量模型，各分量分别为基本风、阵风、渐变风和随机风。2.风力发电技术方案 方案1：定桨距失速型风电技术，这种技术是以桨叶翼型本身的失速特性为基础，当风速超过额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶叶表面形成涡流，从而限制功率。其特点是：控制与调节简单可靠，但桨叶与塔架的受力大，根据风能利用系数Cp，不能保证在额定风速之前Cp最大。 方案2：变桨距型风电技术，这种技术为达到控制吸收风能，使风轮机叶片安装角随风速变化，将通过变距调节器来调控。叶片节距角在零度附近时，风速在额定以下；当风速在额定以上时，为保证发电机的输出功率在合适范围内，必须调整叶片攻角。变桨距风电机组比定桨距风电机组所需的起动风速低，停机冲击应力小。在实际中，相对风速的反应，风机桨距调节机构有一定的时延，在阵风到来时，桨距调节会因为来不及动作，而造成瞬时风机过载，不利于其运行。由于风能所拥有的随机波动性，并且普通的调节方法跟不上风速变化所引起的发电机功率变化，这显然对电网与风电质量影响极大。 方案3:变速恒频风电技术，目前最优良的调节技术当属变速恒频技术。它为了达到效率最高，发电系统稳定性提高，系统效率提高，可以在输出功率低于额定功率之前就能实现。变速恒频风力发电系统有多种，但最具优势的方案是采用双馈感应发电机的并网型交流励磁变速恒频风力发电机组。但其需要对发电机输出的全部功率进行变频控制，故需配备全功率变频器，变频器成本较高，控制系统体积庞大；永磁发电机使用价格很高的高导磁率磁性材料，大大增加其成本；永磁发电机功率因数特性差，必须由变频器来进行补偿；要求永磁材料具有很高的稳定性，而高温以及电枢反应等原因可能导致永磁材料失磁。 综合以上三种方案，我认为定桨距失速型风电技术虽然对风能利用率不高，但结构简单，成本较低，操作维护方便， 如果在这种技术上研究出改善风能的随机研究内容性和间隙性对电力系统的影响的方法，那么可以直接应用于其他风电技术。3.研究包含风电场的电力系统潮流算法，利用MATLAB及其仿真平台实现电力系统潮流计算以及机电暂态仿真。分析比较各种潮流算法的优缺点。4.建立简单系统的小干扰稳定分析线性化状态方程，得出了状态矩阵元素的参数表示形式。用特征值分析方法研究大型风电场接入电网后的系统小干扰稳定问题。分析风电场改变对系统小干扰稳定性的影响。研究计划第1-3周 接受任务书，领会课题含义；查阅相关资料，理解有关文章；翻译 相关英文文献；提出拟完成本课题的方案，写出相关开题报告一份；第4-6周 建立了风力发电系统的数学模型第7-8周 研究风力发电场并网运行稳定性相关理论第9-10周 用软件进行仿真计算，并对比多种情况下的仿真结果第11周 完成软件编程，调试软件；第12周 进行毕业设计说明书写作。指导教师验收成果，写业务总结，接受 答辩资格审查；第13周 评阅教师评阅论文；第14周 准备参加答辩。特色与创新 对由定桨矩+普通发电机组成的恒速恒频风电系统的各个组成部分进行数学分析，并在MATLAB仿真软件上建立仿真模型。分析风电接入电网的强弱、风力机轴系统的参数、风力发电机的类型、电容补偿方式的选择会对电压在经受扰动后的电压恢复产生的影响。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室意见系部意见主任签名：年月日教学主任签名：年月日附：与课题内容相关的外文资料翻译不少于2000字，参考文献不少于10种。专心-专注-专业