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1、华中科技大学硕士学位论文风电并网及其穿透功率极限研究姓名：李文娟申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：孙海顺20090527华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘 要 风能是一种环保可再生能源。风力发电是目前风能最广泛的应用方式之一。但是风具有随机、难以受人工控制的自然特性，因此风电机组的出力也具有随机、不完全受人工控制的特性，这会对电网造成一些负面的影响。当风电容量较小时，这种负面影响不会很明显；可当风电容量在系统中的比例很大时，这种负面影响会威胁电网的安全稳定运行。因此，研究风电并网对系统的影响及系统风电穿透功率极
2、限是很有实际意义的。本文主要研究了以下几方面： （1）阐述了风电场动态数学模型理论，在 PSCAD/EMTDC 中搭建了风速模型、风力机模型、传动系统模型和异步发电机模型，能准确客观地模拟风电场的实际运行特性。 （2）全面分析了风电场并网对系统造成的影响，重点仿真研究了其中的两个方面，分别是对正常运行电网的影响和对电网暂态电压稳定性的影响。通过仿真分析，可以看出风电场出力波动对正常运行系统的主要影响是频率的波动；当风电场容量增大时，其暂态电压稳定性会下降；风电场与只含同步发电机系统的暂态特性不同。 （3）综述了目前计算风电穿透功率极限的常用方法，并使用了动态仿真法计算了 WSCC 三机九节点系
3、统节点四的风电穿透功率极限， 得出制约系统风电穿透功率极限的主要因素是频率越界的结论。 关键词：关键词：风电场建模，风电并网影响，穿透功率极限，暂态电压稳定分析 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIABSTRACT The wind energy is a kind of green renewable resources. It is mainly utilized by electrical power genenration through wind turbine by far. For the wind is rando
4、m and free from the artificial control, the wind power integration into grid should have some adverse effects on the system safety and stability. When the wind farm capacity is small, the system is strong enough to accept it and such negative impacts can be neglected. However, when a large amount of
5、 wind power is filling into the power grid, the impacts on the system safety and stability must be of severe conscious. Therefore, the wind power integration study and the wind power penetration limit calculation are issues of great significance to be studied. This paper is mainly devoted to the stu
6、dy of the following aspects: First of all, the principle and modeling issues of wind farm are formulated. The detail models of wind speed, wind turbine and generation units in are introduced. These models are available in PSCAD/EMTDC, which can be used to accurately simulate the operation characteri
7、stics of wind farm. Secondly, the impacts of the wind integration on the grid are analysed comprehensively. The impacts on the operation of power grid and system transient stability are studied respectively through detail time domain simulation. Simulation results shows that the power output fluctua
8、tion mainly affects the system frequency. On the other hand, the transient stability of the grid including wind farm is worse when the capacity of the wind farm is bigger. Lastly, the current methods of calculating the wind power penetration limit are overviewed. By dynamic simulation method, the wi
9、nd power penetration limit of a benchmark system including 3 conventional generators and 9 bus is studied. It can be concluded that the cross-border of the frequency is the maily factor of calculating the wind power penetration limit. Keywords: wind farm model, wind integration, wind power penetrati
10、on limit, transient voltage stability 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权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，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学
11、可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪 论 1.1 选题背景 能源危机与环境污染是人类在发展过程中不得不面对的两大难题。寻找并开发一些新型能源是解决这两大难题的途径之一。因此，新能源越来越引起世界各国政府的重视，很多国家都投入了大量的资金和人力来发展新能源。
12、风能是目前应用比较广泛的新能源之一，有着很大的发展空间。首先，地球上风能储量丰富，可以说取之不尽、用之不竭。如果人类能够完全利用地球的风资源，将会得到用之不竭的能源。其次，风能是一种清洁能源，不会造成大气污染，对保护环境极为有利。 风力发电是人类使用风能最重要的途径之一。从现代风电机诞生的 20 世纪 70 年代末期到现在，风电在实际中的应用越来越广泛。中国的西北地区、华北北部、东北地区及东南沿海很幸运地存有丰富的风资源，有着发展风电的先天条件1。进入 21世纪后，中国政府越来越重视风电的发展，提出很多风力发电的发展规划，并且有些规划已经得以实现。因此，现阶段研究风力发电有着很重要的实际意义。
13、 风能是风力发电的原动力，它与其它常规发电技术使用的原动力有很大的区别。正是这种原动力的不同，造成了风力发电有很多不同传统的特性。比如说，自然界中的风大小方向是不定的，因此风电机的出力也是不定的，而传统发电机出力确定并且可以人工调节；风电机大部分是异步发电机、双馈感应发电机，其特性与传统的同步发电机有很大不同。正因为风电有这么多不同传统的特性，风电并网对电网的影响也会与传统有差异。研究风电并网对电网的影响将会是一项很有意义的工作。 另外，风电的不确定性会对电网造成负面的影响，当电网中风电容量较小时，由于电网本身有调节能力，其安全稳定运行不会受到影响。当电网中风电的容量超过一定比例时，系统的安全
14、稳定运行就会受到威胁。也就是说，电网中风电的比例不能超过一个极限，这个极限通常被称作系统的风电穿透功率极限。研究电网中风电穿透功华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2率极限也是很有实际意义的一项工作。 1.2 国外风力发电的现状与发展 地球上风资源极为丰富，几乎遍布世界各个国家。19 世纪末，丹麦首先研制成功了第一台现代风力发电机，开创了风力发电的新纪元。此后的一百多年，由于风力发电带来的巨大社会效益，世界各国纷纷投入大量的资金和人力资源发展风力发电技术，将风力发电推入了一个崭新的阶段2。 经过最近几十年的努力，世界风电发展已取得很大
15、的成绩3。首先，全球的风电装机容量正在不断上升，尤其最近三年来，风电的装机容量都是以超过 25%的速度增长，如图 1-1。其次，风电成本也在大幅下降。以欧洲为例，1982 年欧洲的风电成本为 13 欧分/度，2007 年已经下降到 4 欧分/度左右，预计 2010 年风电成本可下降到 3欧分/度4。 年份年份2000040000600008000010000012000014000095年底 04年底 05年底 06年底 07年底 08年底装机容量/MW120,00094,22374,223 57,537 46,6164,800200004000060000800001000001200001
16、4000095年底 04年底 05年底 06年底 07年底 08年底装机容量/MW120,00094,22374,223 57,537 46,6164,80027.36%26.94%29.00%27.36%26.94%29.00%图 1-1 截止 2008 年底世界风电装机容量 1.2.1 欧洲风力发电的现状与发展 由于技术实力、 地理位置和历史条件等因素， 欧洲是世界上最早推广风电的地区；许多国家都为风电发展制定了优惠政策，积极推广风电发展，因此欧洲也是目前世界上风电技术最先进的地区。据欧洲风能协会最新评估资料显示，截至 2008 年底，欧洲风电装机容量已经超过世界风电装机容量的 50了3 。 德国是欧洲风电装机容量最大的国家，其风电穿透率约为 8，萨安州的风电穿透率更是高达 40，这与德国政府大力发展风电的政策是密不可分的。早在 1991 年华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士
