并网风电场无功补偿策略研究

华北电力大学（保定）硕士学位论文并网风电场无功补偿策略研究姓名：冉然申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：栗然2011-06华北电力大学硕士学位论文I摘要随着风电场大规模集中发展，电网对风电场日益提高的并网要求和风电场并网点电压波动、功率因数较低的现状存在矛盾。本课题针对风电场无功补偿装置策略问题展开了一系列的分析研究，提出了应用并联电容器组+SVC对风电场进行联合无功补偿策略，以保持并网点电压稳定，满足并网要求。研究了风力发电机模型、桨距控制模型、风速模型和风功率模型，其中对风速模型的研究考虑了平均风、随机风、渐变风和阵风；选取平均风、混合渐变风和阵风作为输入对不同风速时风电机组的输出特性进行了仿真，分析了功率和电压波动的原因；分析了不同风速以及三相短路故障下风电场的输出特性。研究了无功补偿装置工作原理，建立了基于PSCAD的仿真模型；分别将并联电容器组、SVC和STATCOM补偿风电场无功，分析其对风电场电压的支撑能力；对三种无功补偿装置的补偿效果进行了综合比较。根据目前风电场的实际情况在PSCAD中建立了风电场低电压保护模块，并将该模块用于电网中进行仿真；分析了无功补偿装置提高风电场低电压穿越能力的机理，分析无功补偿装置在提高风电场低电压穿越能力的同时给节点电压带来的影响；提出了应用并联电容器组+SVC对风电场进行联合补偿的无功补偿策略。建立了含有两个等值风电场的电网模型，在风电场出口采用并联电容器组+SVC联合补偿装置进行无功补偿；分析了风电场出口发生不同类型的短路故障时并联电容器组+SVC联合无功补偿对风电场并网点电压的支撑能力；对比了采用所提无功补偿策略前后风电场出口的电压水平和风机转子转速。关键词：风电场；无功补偿；SVC；STATCOM华北电力大学硕士学位论文IIAbstractWiththelarge-scalecentralizeddevelopmentofwindfarm,thereisacontradictionduringtheincreasingdemandswhicharerequiredbyconnectingtonetwork,voltagefluctuationofwindpoweraccesspointandlowpowerfactor.Aimingatthestragetyofreactivepowercompensationdevices,thisarticleconductedaseriesstudies,proposedareactivepowercompensationstrategyusingcapacitorandSVCtocompensatereactivepowercommonly,tomaintainthevoltagestabilityofwindfarmaccesspointandmeettherequiresofconnectingthenetwork.Themodelofconstantspeedconstantfrequencywind-drivengenerator,OARSelongationcontrolmodel,windspeedmodelandwindpowermodelareresearched.Theaveragewind,stochasticwind,gradientwindandgustywindweretakenconsiderinthewindspeedmodel.Simulatedoutputcharacteristicofwindfarmusingaveragewindgustswind,gradientwindandmixingofdifferentwindspeedasinput,analysedthecauseoffluctuationofvoltageandpower;Analyzesthetheoutputcharacteristicsofwindfarmwhenthewindspeedisdifferentorthereisathree-phaseshort-circuitfaultinsystem.Researchedtheworkprincipleofreactivepowercompensationdevices,setupthesimulationmodelbasedonPSCAD;Compensatedthereactivepowerwhichthewindfarmneededusingparallelcapacitor,SVCandSTATCOM,analyzesthevoltagesupportabilityofthethreedevicesonwindfarm,madeasyntheticcomparisononthecompensationeffect.ofthreereactivecompensationdevices.SetupalowvoltageprotectionmoduleinPSCADaccordingtotheactualsituationofwindpower,andanalysedthesystemwhichcontainsthemodel;Analysisthemechanismwhyreactivepowercompensationequipmentcanincreasethelowvoltageridethroughabilityofwindfarm,analysedtheeffectswhichwastakenbycompensationdeviceswhentheyimprovethelow-voltageridethroughcapabilityofwindfarm;ProposedareactivepowercompensationstrategyusingparallecapacitorandSVCtocompensatethereactivepoweronthewindfarmexport.Establishedanetworkmodelwhichcontaintwowindfarms,andcompensatedthereactivepowerusingcapacitorandSVCcommonlyonthewindfarmexport.AnalysedthevoltagesupportcapabilityofthewindfarmaccesspointusingcapacitorandSVCtocompensatecommonlywhenthereisdifferentfaultsoccurredatthewindfarmexport,contrastthevoltageandrotorspeedofwindgeneratorbeforeandaftercompensationbythestrategythatwasproposedinthisarticle.KeyWords：windfarm；reactivepowercompensation；SVC；STATCOM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《并网风电场无功补偿策略研究》，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，论文中除已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：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《并网风电场无功补偿策略研究》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，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√”）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密□作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文1第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义1.1.1风能的利用及国内外风电的发展风能作为一种清洁的可再生能源，已在世界范围内受到重视。风能蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW。近年来，全球风电继续保持快速发展的势头，2001年至2007年全世界风电总装机容量以年均25%的增长率发展，远居各种电源增长率之首[1-3]。2008年全球风电新增装机容量超过27000MW，总装机容量超过120000MW[4]。2009年全球风力发电新增31%，共增加37500MW新装机容量，全球总装机容量达到157900MW的新高峰。966313696180382432031164392904763959033741539384912079815921321884033434262826344812683491139415120196962694938415747510000200004000060000800001000001200001400001600001800001997199819992000200120022003200420052006200720082009年份装机容量（MW）风电总装机容量（MW）每年新增装机容量（MW）图1-1近年来世界风力发电装机容量中国丰富的风力资源为风电产业的发展奠定了基础。2006年《可再生能源法》出台以及国家的政策的扶持，使得我国的风力发电快速发展，截至2008年底，我国风电机组吊装容量已超过10GW，提前两年实现“十一五”风电发展目标。2009年新增装机达到1300万千瓦，占到全球新增装机三分之一强，至2009年底国家电网公司运营范围内风电统调并网运行装机容量已达16130MW[5]。我国近十年风力发电装机容量的发展状况如图1-2所示。华北电力大学硕士学位论文22242683464024695677641260259951901221016130020004000600080001000012000140001600018000199819992000200120022003200420052006200720082009年份全国总装机容量图1-2近十年中国风力发电装机容量1.1.2风电发展遇到的问题及本文的意义我国风能在地理及季节上分布不均，加之风能本身的不确定性和间歇性，导致我国风电发展中存在着一系列亟待解决的问题。主要体现在：（1）风电场接入电网末端，与电网连接薄弱；（2）风电的间歇性和反调峰特性突出，缺少快速调节电源，调峰能力不足；（3）风电大规模集中快速开发，同时率较高，单一省内难以全额消纳；（4）风电场功率预测精度低，不能有效参与系统调度；（5）风电规划与电网规划脱节，风电利用小时数低；（6）风电机组低电压穿越能力不合格，引发风电场大规模脱网。风电的特点决定了大容量风电并网必然会对电网电压稳定产生较大影响，无功备用容量和无功调节速度是维持风电场稳定的重要因素。目前主流的异步发电机向电网输出有功功率的同时还需从电网吸收无功功率，加之电力汇集系统、升压变压器及送出线路的无功消耗，导致电网向风电场输送无功较多，为了减小电网无功传输的压力，一般采取在风电场出口安装无功补偿装置对风电场需求的无功进行补偿。当风电场并网发电向系统输送有功功率时，输电线路的电阻上存在着使端电压上升的电压分量，同时风电场也会从系统吸收无功功率，在输电线路的电抗上产生使电压下降的分量，风电场的端电压昀大值对应的有功功率会因风电场流动的功率不同以及输电线路的电阻/电抗比值不同而不同，风电场发出的有华北电力大学硕士学位论文3功和无功有如下关系：222233()/NLLQIXPQUX==+