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风电并网运行对电网的谐波影响分析及电压闪变评估

摘要

随着人类社会的发展，电力能源问题越来越被世界各国所重视，电力用户对电能质量的意识也不断提高，这使得电能质量问题受到工程界和学术界的广泛关注。在诸多的电能质量问题中，由于近年来风电技术的迅猛发展以及越来越多的风电场接入大电网，风电场并网的电能质量评估、分析已经成为其中的一个研究热点。因此，论文以风电场并网导致的谐波和电压闪变评估为课题，具有较重要的工程意义和实用价值。

论文针对风电网并网可能导致的谐波和电压闪变问题，从理论和工程实际两个方面，进行了分析和探讨。

首先，综述了本课题的研究现状，明确了选题意义；其次，介绍了目前常用的几种风力发电机组的工作原理及其特性；然后，介绍了风电场并网导致的闪变和谐波问题，引出了其相应的概念、起因分析、危害以及计算公式；最后，采用理论研究和实例分析相结合的方法，针对 1 个规划的风电场并网项目，从谐波、电压闪变方面，对该风电场并网可能导致的电能质量问题进行了分析，给出了相应的评估结论。

关键词：风力发电，谐波，电压闪变，分析评估

 

目录

第 1 章 引言 1

1.1研究动态、选题目的及意义 1

1.1.1研究动态 1

1.1.2选题目的及意义 3

1.2论文的主要研究内容和工作安排 4

第 2 章 风力发电机组及其特性 5

2.1风力机的分类 5

2.2风力发电机组能量转换原理 5

2.3常用的几种风力发电机组原理及结构 6

2.3.1恒速风力发电机组的原理及结构 6

2.3.2变速风力发电机组的原理及结构 7

2.3.3双馈感应风力发电机组的原理及结构 7

2.4小结 8

第 3 章 风电场并网导致的谐波和电压闪变问题分析 9

3.1风电场的组成 9

3.2风电场并网运行后导致的闪变问题 10

3.2.1闪变的概念 10

3.2.2闪变的起因分析 11

3.2.3电压波动和闪变的危害 12

3.2.4闪变计算 13

3.2.5闪变传递 15

3.3风电场并网运行后导致的谐波问题 16

3.3.1谐波的概念 16

3.3.2谐波的起因分析 16

3.3.3谐波的影响和危害 17

3.3.4谐波计算 18

3.4  小结 21

第 4 章 算例分析 23

4.1评估依据 23

4.2风电场的接入情况 24

4.3相关设备参数 25

4.3.1主变参数 25

4.3.2风机参数 26

4.3.3无功补偿装置 30

4.3.4相关母线的短路容量 30

4.4计算结果 30

4.4.1  闪变 30

4.4.2  谐波 33

4.5  小结 38

第 5 章 总结与展望 41

5.1主要工作与创新点 41

5.2后续研究工作展望 41

参考文献 43

致 谢 45

附录 A 源程序 47

附录 B 英文翻译 59

 

第 1 章 引言

1.1研究动态、选题目的及意义

1.1.1研究动态

进入 21 世纪以来，世界许多国家和地区处于对国家能源安全、环境保护和促进社会可持续发展的考虑，纷纷将可再生能源作为其能源长期发展战略中的重要组成部分；而又随着大规模风力发电的逐渐展开，使风电电价得以进一步降低，风力发电逐渐成为替代常规化石燃料发电的一种发电方式[1]。

1）风力发电的现状

自 19 世纪末 20 世纪初，风力发电开始出现，德国、法国、丹麦、苏联和美国先后研制了试验性的风力发电机组，之后其相应技术也在前进中不断发展；而当前 全球风力发电装机容量以每年 20%~30%的速度快速增长，其中在 1998~2008 年的11 年间，风能累计装机容量的平均增长率达到 28.8%[2]。在现有风力发电总装机容量 158.973GW  中，陆上风力发电机组占有较大比例，而海上风力发电机组占有1.23%，仅为 1.9568GW；装机容量居前三位的国家是英国（687MW）、丹麦（664MW）、荷兰（246MW），其中全世界装机容量最大的海上风电场是丹麦的北海 Horn RevⅡ 风场，装机容量就达 209MW；按照国家风电发展规划，到 2020 年，我国风电装机 容量有望达到 1.5 亿 kW，并将建成酒泉、哈密、吉林、蒙西、蒙东、江苏、河北7 个千万 kW 级的风电基地，即要建成 7 个“风电三峡”[1]。 

2）风电技术的发展

（1）单机容量逐步增加； 

（2）随着经济社会的不断发展，失速调节方式的优势不在，并朝着变桨调节的方向上发展； 

（3）同（2）中失速调节一样，随着技术的不断进步，恒速恒频的优势也将不在，并朝着方式变速恒频的方向上发展； 

（4）运行可靠性逐渐被提高。 

3）风电并网的研究现状

（1）潮流与网损

 

在电力的相关技术发展过程中，对于电网中的潮流计算等课题是一个极为重要的需要解决优化的课题，而具体到风力发电的技术发展上，如何较为准确建立风电场的物理或数学模型便是其中一个较为前沿的重点方向。经过长期的技术探索， 其主要包括了 2 大类，即 P-Q 和 R-X 模型。其中常用的 P-Q 模型经过最初的算法优化，一般情况下没有过多的的叠加计算步骤，没有较为复杂的算法；而对于 R- X 模型的研究，其所进行的计算量较大，但所构建的算法模型较为准确，能够符合人们的现实技术指标。

（2）电能质量

① 闪变污染

② 谐波污染

（3）稳定性

① 无功和电压问题

经过长期地实际应用发现，就如何较为准确地描述风力发电系统的无功电压特性，同样也是一个十分值得探索的领域，当前较为常用的曲线有 2 种，即 P-V 和Q-V 曲线。一方面，为了调节风电场的无功功率和提高电压稳定性，通常是在电网中装设合适的电容器或者电抗器；另一方面，为了提高风电场的电压稳定性，可考虑装设 SVC 等设备。

② 暂态稳定性问题

对于该问题也是一个必须要研究的领域，在技术上要确保整个电网的长期安全运行，就首先要保证全部的机组处在同一运行状态下，然而随着电网的更大规模应用，这方面上的研究就已成为了一个急需解决的问题。

③ 频率稳定性问题

同上面的几个问题大致一样，也是随着电网在更大规模上的应用，带来了更多中电能上的质量问题，其中就包括了电网频率的稳定性问题。故而需要更大程度上地深入研究机组的相关特性，在技术上以保证在较大的频率时能够减小发出电力的功率大小，以及时地调整发电系统频率，使之符合规定。

（4）发电计划与调整

除了上述介绍的技术性问题，其实在整个电力的产、输、配、用电的过程中， 要能根据实际需要来制定科学的发电计划也是一个不容忽视，反而应该更加注意

的问题，因为这能够直接影响整个规划的长久发展和经济的效益。因此，需要进一步调整优化风电机组的运行方式，优化电力系统的运行算法。

1.1.2选题目的及意义

随着人类社会的不断进步，电能已成为人类社会广泛使用，且不可或缺的能源， 其应用程度也成为了观察一个国家整体发展水平（包括工业生产能力、科技水平和 社会文明程度）的参考因素之一[3]。而又随着社会经济的快速进步和国家整体实力 的上升，人们对电能的需求也日益加大，那么为了解决这个迫切的要求，就如何提 高电能的整体质量水平也逐渐成为了世界各国投入资金来加大力度进行研究的一 个课题。其影响作用主要体现在以下两个方面：

1）首先需要能够满足人们在各方面上的日常生活电力需求和工业上的生产需求，保证整个社会的正常运转和经济的平稳增长。

2）再者需要能够尽大可能上提高发电、输电和用电的效率，以能够从成本上节约电能、提高电气参数的性能；以及从长远角度上看能够促进工业生产的可持续发展和国民经济的进一步蓬勃发展，反过来也能够推进了整个电力技术的进一步发展[3]。

其实在电能输送、分配和使用的最初阶段，电能质量问题就已被关注到，但在 此阶段所研究的东西还很不完善，还需要进一步的深入研究；而又随着电力技术的 进一步发展，电能质量的相关概念很大程度上得以丰富和发展。就起发展阶段来看， 电能质量问题早已不仅仅只是研究电压和频率等基本的电气参数，而其在社会发 展中所处的地位也已被提高到关乎国家整体安全稳定和发展战略上来了，因此对 于电能质量的研究没有终止符，需要持续地加大深入研究。

既然到现在已经了解到了电能的质量水平对整个电网能够安全稳定运行的重要性，那么就进一步了解其主要的影响因素也很重要。其中影响电能质量水平的因素主要有下面两点：

1）在风力发电的整个过程之中，虽然不止自然风一个动力源（风力发电可与其他电源联合运行，如风光联合、风能和抽水蓄能联合以及可再生能源发电微电网运行[1]），但是自然风作为其最为重要的一种动力源，可变化性太强（随时随地都处在变化之中）。

2）由于物质的特有性，从物质组成上来讲，就算在某地区同一个风力发电场范围之内，在两种风力发电机组之间的出力也会出现不同程度上的数值不同。

可见需要总结指的是，随着电网朝着智能化方向的发展，新技术在电网中得以广泛应用和持续化更新，其引起的电能质量问题需要人们加大投入研究，高度重视其对电力系统甚至是社会经济发展产生的危害和影响。

因此，本次的选题所要进行研究的主要问题，也便具有了十分重要的现实指导意义。

1.2论文的主要研究内容和工作安排

论文的主要工作如下：

第 1 章为本次论文的引言部分。首先介绍了当前本课题的发展动态，明确了其主要的研究现状和趋势等内容；接着引出了选题的目的所在，明确了选择本次论文的原因、涉及的问题和所能带来的现实指导意义。

第 2 章为风电机组及其特有性质的介绍。该章节从介绍风力机的类型介绍情况入手，大概知道了当前风力发电的主要发电方式；接下来引出详细说明了风电机组控制系统的结构、运行思想和发展趋势；接着又介绍了风电机组之所以能够进行能量转换的基本原理；最后简单地说明了一下几种目前较为常用的风电机组的原理和组成结构，并对其进行了简单对比。

第 3 章为对谐波和闪变这两个问题从概念、起因、危害、计算方法等几个方面上的介绍。首先介绍目前通常规划建设的风力发电场的基本组成情况；然后介绍了风电场并网导致的闪变和谐波问题，引出了其相应的的概念、起因分析、危害以及计算公式；接着对该章主要涉及的东西进行了总结，也为下一章的数据计算分析做了总体介绍。

第 4 章为案例分析。首先介绍了主要的电能质量评估依据、步骤；之后介绍了

本风电场的接入情况和实测数据；然后根据第 3 章中的计算依据，分别处理了谐波和闪变值，并给出了相应的结论；最后简单介绍了一下闪变和谐波的抑制。

第 5 章为文章的总结与展望。分为两大部分：第一部分首先交代了本次论文的主要工作和创新点；第二部分进行了对本次论文后续研究工作的展望，交代了一下本次论文中值得进一步完善的地方和可以接下来学习的方面。