大规模风电外送次同步振荡机理研究-孔永乐.pdf

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1、国内图书分类号：TM712国际图书分类号：6213硕士学位论文学校代码：10079密级：公开大规模风电外送次同步振荡机理研究硕士研究生：导 师：申 请 学 位：学 科：专 业：所 在 学 院：答 辩 日 期：授予学位单位：孔永乐毕天姝教授工学硕士电气工程电力系统及其自动化电气与电子工程学院201 3年3月华北电力大学Classified Index：TM7 1 2UDC：6213Thesis for the Master DegreeStudy on the Sub-Synchronous Oscillation Caused bythe Integration of Large-Scale

2、Wind PowerCandidate：Supervisor：School：Date of Defense：DegreeConferringInstitution：Yongle KongProfTianshu BiSchool of Electrical and ElectronicEngineeringMarch，2013North China Electric Power University华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大规模风电外送次同步振荡机理研究是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文

3、中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：孑b永砥 日期： zDI弓 年弓月刁日华北电力大学硕士学位论文使用授权书大规模风电外送次同步振荡机理研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查

4、阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“”)：保密口，在 年解密后适用本授权书不保密口作者签名： 才LJ永膏导师虢彳日期：功l弓年弓月习曰Et期：功J弓年3月2=7 Et华北电力大学硕士学位论文摘要目前我国正在建设7个千万千瓦级风电基地，大规模风电外送成为必然。而加装串补电容的超特高压交流输电和高压直流输电作为大规模风电外送的2种重要方式可能会诱发次同步振荡问题。因此对大规模风电外送次同步振荡机理进行研究具有重要意义。本文首先分析了鼠笼异步型、双馈感应型和永磁同步型风电机组的结构特点，论述了风电

5、引起的次同步振荡的概念与分类，并分析了不同类型风电机组可能存在的次同步振荡问题。在此基础上，深入阐述了双馈感应型风电机组通过串补电容外送风电时次同步振荡的产生机理和影响因素。算例仿真验证了理论分析的正确性。此外，针对风电引起的次同步振荡问题的特殊性，提出了适用于风电次同步振荡分析的频率扫描法和时域仿真法，并利用频率扫描法和时域仿真法对实际算例的次同步振荡问题进行了分析。关键词：电力系统；次同步振荡；双馈感应型风电机组；串联电容补偿；机理分析；频率扫描法华北电力大学硕士学位论文AbstractAt present，China is building 7 wind power generation

6、 bases and the capacity ofeach of them is over ten million kilowattsThe EHVUHV AC with series compensationand HVDC are two main modes for transmitting large-capacity of wind power,whichmay lead to sub-synchronous oscillation problemTherefore，the study on thesub-synchronous oscillation(sso)caused by

7、the integration and transmission oflargescale、析nd power has great significanceIn this thesisthe structural characteristicsof different kinds of wind turbine generators，including squirrel-cage induction generator(SEIG)，doubly-fed induction generator(DFIG)and permanent magnet synchronousgenerator(PMSG

8、)，are firstly analyzedThe concept and the classification of SSO谢mthe consideration of wind turbines are clarifiedFurthermore，the principle analysis andthe affecting factors of SSO for DFIG through a series-compensation transmission lineare elaboratedFinally,the frequency scanning method suitable for

9、 analyzing the SSOwitll wind turbines is proposedThe time-domain simulation method is discussed as wellThe simulmion results for a practical example are given to demonstrate the theoreticalanalysisKeywords：Power system，sub-synchronous oscillation，DFIG,series compensmion，principle analysis，the 1jrequ

10、ency scanning methodII华北电力大学硕士学位论文目录摘 要IAbsraetII第1章绪论111课题研究背景与意义一112国内外研究现状及存在问题2121大规模风电外送次同步振荡现状及面临问题2122次同步振荡分析方法评述313论文主要工作一5第2章大规模风电外送次同步振荡问题分析721已有次同步振荡产生机理概述7211感应发电机效应7212机电扭振互作用7213暂态力矩放大8214装置引起的次同步振荡922风电机组结构特点分析一9221鼠笼异步型风电机组10222双馈感应型风电机组10223永磁同步型风电机组1l23风电引发的次同步振荡概念及分类1 l24本章小结13第3章

11、双馈感应型风电机组次同步振荡机理与影响因素分析1531双馈感应型风电机组次同步振荡机理分析一1532双馈感应型风电机组次同步振荡影响因素分析1833算例分析2034本章小结27第4章双馈感应型风电机组次同步振荡分析方法研究2841适用于风电次同步振荡的频率扫描法一28411理论分析28412应用实例2942时域仿真法33421时域仿真建模33III华北电力大学硕士学位论文422时域仿真分析算例3643本章小结38第5章结论与展望3951结论一3952展望39参考文献4l攻读硕士学位期间发表的论文44攻读硕士学位期间参加的科研工作45致谢46IV华北电力大学硕士学位论文第1章绪论11课题研究背景

12、与意义风能是一种无污染的可再生能源，蕴藏量丰富。近年来随着化石燃料的短缺，越来越受到人们的重视，增长速度是所有可再生能源中最快的。当前，大规模开发风能资源已经成为我国能源战略的重要组成部分。“十二五”期间，我国将在甘肃、新疆、河北、吉林、内蒙古、江苏六个省区打造7个千万千瓦级的风电基地【l，2J，其中甘肃酒泉风电基地规划装机容量3565万千瓦，是三峡水电站装机容量的2倍多，有“陆上三峡”之称。我国的资源和负荷中心逆向分布，风能资源主要分布在三北地区和东南沿海地区，而负荷中心主要分布在以京、沪、穗为中心的东部地区。目前规划中的7个千万千瓦级风电基地有6个都位于内蒙古、吉林、河北和甘肃地区，这些地

13、区负荷较低、电网薄弱，大规模风电远距离外送成为必然趋势。以往大型火电和水电基地的电能外送，主要采用“点对网”的超、特高压交流输电模式并规划串联补偿电容技术和超、特高压直流输电模式，来达到提高输电线路输送距离和输送容量的要求。因此，可以预见使用串补交流输电模式和高压直流输电HVDC(High voltage direct current，HVDC)模式进行点对网输电将成为未来我国大型风电基地外送风电中典型的两种输电模式【3 J。采用串联补偿交流输电模式和HVDC输电模式都可能会引起发电机组的次同步振荡，造成发电机组轴系的破坏，危及整个电力系统的运行【4】。随着千万千瓦级风电基地的建设中串联电容补

14、偿技术和HVDC技术的大量使用，风电引起的系统部振荡问题也逐渐显现出来。2009年10月美国德克萨斯州的一处风电场发生了由于串补电容引起的次同步振荡事故，事故造成大量风电机组跳机及Crowbar电路的损坏【5，67，8】，当时现场录波如图11所示。这次事故让我们认识到，大规模风电外送次同步振荡的严重性，需要引起我们的关注和重视。常规火电机组的次同步振荡问题始于上世纪70年代的美国Mohave电厂，当时两台大型汽轮发电机组与串补电容输电线路间相互作用引起了次同步振荡事故，发电机的大轴严重损坏【9J。在此之后人们对火力发电系统的次同步振荡问题进行了大量的研究，取得了一定的成果。但由于风电机组和火电

15、机组机构上、并网方式上与传统火电机组有本质区别，因此常规火电机组在次同步振荡分析、建模和抑制等方面取得研究成果尚不能直接应用于风电引起的次同步振荡分析中。而风力发电引起的次同步振荡问题在工程实际中发生较晚，目前无论在国内还是国外，此方面的研究基本是空华北电力大学硕士学位论文白。因此，对采用串补电容技术和HVDC技术的大规模风电外送系统进行全面的分析，阐述其发生次同步振荡的机理、分析影响风电次同步振荡的影响因素、为风电引起的次同步振荡选择合适的分析方法，对大规模风电开发具有重要的理论价值和现实意义。图11 2009年美国德州次同步振荡录波图12国内外研究现状及存在问题121大规模风电外送次同步振

16、荡现状及面临问题风能作为一种无污染的可再生能源，近年来随着化石燃料的短缺才大规模发展起来。与常规火电相比，风电发展较晚相关技术不太成熟，风电引起的次同步振荡问题也出现的较晚，还没有引起人们的重视，各方面研究也比较少。风电引起的次同步振荡的研究主要集中在鼠笼异步型风电机组次同步振荡的研究上，包括机理分析、分析方法和抑制等方面。文献1013初步探讨了鼠笼异步型风电机组采用串补外送风电时发生次同步振荡的机理，利用时域仿真法研究了鼠笼异步型风电机组次同步振荡的影响因素，指了线路串补度和风电场出力会影响次同步振荡的衰减情况，并分别提出利用静止无功补偿器(Static varcompensator,svc

17、)、可控串l(Thyristor controlled series compensation，TCSC)、静止同步无功补偿器(Static synchronous compensator,STATCOM)和统一潮流控制器(Unified power flow controller,UPFC)来抑制鼠笼异步型风电机组的次同步振荡，给出了抑制措施的仿真结果。文献14禾lj用时域仿真法初步研究了鼠笼异步型风电机组利用HVDC外送风电时的次同步振荡问题。双馈感应型和永磁同步型风电机组的次同步振荡问题研究较少，文献151建立了用于双馈感应型风电机组次同步振荡分析的的仿真模型，利用特征值分析法和时域仿真

18、法分析了双馈感应型风电机组次同步振荡的主要影响因素，研究发现：风电场风速越低、线路串补度越高，双馈感应型风电机组次同步振荡越严重。文献【16为双馈感应型风电机组设计了一个次同步振荡阻尼控制器，并通过算例仿真验证了阻尼控制器的有效性。文献【17指出双馈感应型风电机组转子侧变频器的级联控制回路参数设置不合理可能会引起机组轴系扭振，提出在机组转子侧变华北电力大学硕士学位论文频器控制中加入一个阻尼控制环节来抑制机组的次同步扭振问题。阻尼环的PI控制器参数整定需要了解轴系的固有频率，并且与变流器控制的其他参数相协调。目前风电引起的次同步振荡研究存在以下问题：(1)风电机组结构复杂，本身内部存在电力电子装

19、置，目前的研究没有认识到风电机组和火电机组的差异，采用传统火电机组的次同步振荡理论来解释风电引起的次同步振荡问题；(2)目前的研究仅仅通过时域仿真来重现风电的次同步振荡现象，尚不能从机理层面揭示风电引起次同步振荡的原因；(3)由于目前风电产生的次同步振荡产生机理不明确，研究普遍使用了70以上很高的串补度，与实际系统不符。122次同步振荡分析方法评述目前电力系统次同步振荡比较成熟的分析方法有：频率扫描法【l引、机组相互作用系数法【19201、特征值分析法【211、复转距系数法【22,23,24、时域仿真法125,26等。频率扫描法和机组相互作用系数法是初步筛选方法，复转距系数法、特征值分析法和时

20、域仿真法能够精确地、定量地分析次同步振荡特性。风电引起的次同步振荡分析应该采用何种分析方法，应该根据风电引起的次同步振荡产生机理和各种分析方法的特点进行针对性选择。(1)频率扫描法频率扫描法是一种近似的线性化方法，利用该方法可以筛选出具有潜在次同步振荡威胁的系统运行条件，并可以确定对次同步振荡问题不起作用或者作用很小的部分系统或运行条件。频率筛选法将需要的研究的系统用正序网络模拟，对于任一特定频率可计算出从待研究的发电机转子看进去的等值阻抗，进而得到两条曲线，一条是等值电阻随频率而变化的曲线，另一条是等值电抗随频率变化的曲线。如果等值电抗为零或者接近零，所对应频率点对应的等值电阻为负，则可确定系统发生次同步振荡的风险较大ll引。(2)机组相互作用系数法机组相互作用系数法针对与直流输电系统有关的电力系统次同步振荡问题提出的一种分析方法。对于一个规划好的HVDC系统利用计算机组相互作用系数来判断发电机与直流输电系统相互作用的强弱，机组相互作用系数越大直流输电系统换流站与第f台发电机组之间相互作用系数可用下式表示【19,20】：C Qr、UIF：(1一=1( ),uHVDC1-1Sl? sIolal式中UIF,、Su眦、S。、SCi和S胁，分别表示第i台发电机组作用系数、HVDC