风电基本原理与大规模风电并网运行问题课件

风力发电技术基本原理及大规模风电并网运行问题风力发电技术基本原理及大规模风电并网运行问题1主要内容1.风力发电技术的基本原理及其发展2.大规模风电并网的运行问题3.风电场故障穿越原理及要求；4.风电大规模脱网故障机理；主要内容 1.风力发电技术的基本原理及其发展21、风力发电技术的基本原理及其发展1、风力发电技术的基本原理及其发展31180年，西欧，水平轴风车历史上第一个确证的风车：阿富汗，公元644年，直立轴，谷物磨坊16世纪：荷兰风车，通过转动风车的上部来跟踪风向1792：Jealousie叶片，可以调节输出功率和转速 人类利用风能的历史已有几千年。图片来源：中国-德国技术合作项目 “中国风电中心“PowerFactory培训l早期的风车早期的风车1.风力发电技术的基本原理及其发展1180年，西欧，水平轴风车历史上第一个确证的风车：阿富汗，41973年石油危机后，风力发电发展得到欧美一些国家政府的大力支持，风力发电机逐渐由小型到大中型发展。80年代后，有Gerders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机涉及在激烈的竞争中成为商业赢家。90年代，进入到现代风力发电技术。600-750KW风力发电机 兆瓦级风力发电机组1.风力发电技术的基本原理及其发展1.风力发电技术的基本原理及其发展5Vastas 1.5MW风机(63米/1500kW、68米/1650/300kW，1996年）。ELSAM 2MW测试风机；NEG Micon 1.5MW风力机Nortank1.5MW风机(60米/2750kW、64米/1500/750kW。(1995年丹麦西部靠近Esbjerg市)兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级风机可以开发利用更多的风资源。1.风力发电技术的基本原理及其发展Vastas 1.5MW风机(63米/1500kW、68米/6Bonus 2MW风机,主动失速型(72米/2MW,1998年，德国威廉港）NEG Micon 2MW 风机，浆距调节(72米/2MW，1999年)兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级风机可以开发利用更多的风资源。Nordex 2.5MW风机,浆距调节(80米/2MW,2000年，德国Grevenbroich）GE 3.6MW 风机1.风力发电技术的基本原理及其发展Bonus 2MW风机,主动失速型(72米/2MW,1997根据主轴与地面的相对位置 水平轴、垂直轴 根据桨叶与轮毂的连接方式 定桨（主动失速）、变桨 根据风轮转速 恒速、变速 根据发电机 异步机：普通感应电机（鼠笼型和绕线式）、双馈感应电机、同步机：同步电机（永磁或电励磁）l风电机组的分类方法：1.风力发电技术的基本原理及其发展风电机组的分类方法：1.风力发电技术的基本原理及其发展8根据传动系统 有齿轮箱(半直驱）、直驱（无齿轮箱）根据容量 小型（10kW以下）、中型（10-100kW以下）和大型（100kW以上）桨叶数量 单叶片、双叶片、三叶片、多叶片并网方式 并网型和离网型l风电机组的分类方法：1.风力发电技术的基本原理及其发展根据传动系统风电机组的分类方法：1.风力发电技术的基本原理及9l水平轴风电机组的结构水平轴风电机组的结构风机主要由四大部分组成：叶轮（含叶片、轮毂等）；机舱（传动系统（主轴、主轴承、齿轮箱和连接轴）、偏航系统、液压与制动系统、电气系统（发电机、控制系统、电容补偿柜等）;塔塔架架；基基础础等组成。1.风力发电技术的基本原理及其发展水平轴风电机组的结构1.风力发电技术的基本原理及其发展10 风轮（桨叶、轮毂）主轴 桨距调节机构（电动伺服机构）偏航机构（电动伺服机构）刹车、制动机构 风速传感器 发电机 并网开关 软并网装置 变频器 控制系统 无功补偿设备 主变压器 转速传感器需要风电机组控制系统协调控制1.风力发电技术的基本原理及其发展l风电机组主要部件风电机组主要部件需要风电机组控制系统协调控制1.风力发电技术的基本原理及其发11 20世纪初：电气化的发展使风能应用几乎退出历史舞台 20世纪70年代中叶：世界范围内出现石油危机，许多国家政府提供基金来帮助进行风力发电研究，Darrieus（达里厄）机型(1973)美国Sandia实验室和加拿大国家空气动力实验室大量研究,具有了实用价值强风时无法承受太大的应力且振动大未得到普遍应用l垂直轴风电机组垂直轴风电机组1.风力发电技术的基本原理及其发展 20世纪初：电气化的发展使风能应用几乎退出历史舞台 12l风电机组的基本工作原理风电机组的基本工作原理首先通过风轮把风能转换为机械能，进而借助于发电机再把机械能转化为电能。由于风轮的转速一般比较低（每分钟几转到数十转），而发电机的转速通常很高（一般每分钟超过1000转），因此需要通过齿轮箱变速。1.风力发电技术的基本原理及其发展1.风力发电技术的基本原理及其发展13现代风电机组现代风电机组:体积越来越大体积越来越大,容量越来越大。容量越来越大。Enercon E-112Repower 5MMultibrid M5000容量容量6 MW5 MW5 MW轮毂高度轮毂高度112 米120 米102.6 米风轮直径风轮直径114 米126 米116 米已安装已安装地点地点德国埃姆敦、威廉港等地德国Brunsbttel德国不莱梅单机容量单机容量1.风力发电技术的基本原理及其发展现代风电机组:体积越来越大,容量越来越大。容量6 MW514lRepower 5M 双馈感应电机变速风电机组双馈感应电机变速风电机组 其叶片直径126米，机舱重量400吨，轮毂高度100-120米。1.风力发电技术的基本原理及其发展Repower 5M 双馈感应电机变速风电机组1.风力发电15lRepower 5M 双馈变速风电机组双馈变速风电机组德国：Repower公司额定容量：5MW变桨距控制变速风机(双馈电机)叶片直径：126m机舱重量：400T轮毂高度：陆上：100-120m 海上：90-100m图片及资料来源：1.风力发电技术的基本原理及其发展Repower 5M 双馈变速风电机组德国：Repower16l风电机组的发展过去的20多年里，风电机组的单机容量和尺寸增长了近100倍。随着技术、制造工艺和材料的改善，风电机组的性能也有了很大提高，稳定性和可靠性不断改善，对电网的冲击逐步减弱。1.风力发电技术的基本原理及其发展风电机组的发展过去的20多年里，风电机组的单机容量和尺寸增长171.风力发电技术的基本原理及其发展1.风力发电技术的基本原理及其发展181.风力发电技术的基本原理及其发展l风能的计算：风能的计算：1.风力发电技术的基本原理及其发展风能的计算：19v要保持最优叶尖速比，需根据风速变化调节风电机组的转速，因此，只有变速运行才能保证风力机捕获的风能最大、效率最高。v理 论 上 最 大 功 率 系 数 为16/270.59l空气动力学模型空气动力学模型 1.风力发电技术的基本原理及其发展要保持最优叶尖速比，需根据风速变化调节风电机组的转速，因此，20211、贝兹理论中的假设叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的气流始终沿着叶轮轴线；叶轮处在单元流管模型中通过截面f的空气流（速度为V1）根据Betz理论得到的通过理想风轮的空气流1.风力发电技术的基本原理及其发展211、贝兹理论中的假设通过截面f的空气流（速度为V1）根据2122流过一个控制流面f的风功率为因为流量由于流管的连续性：1.风力发电技术的基本原理及其发展22流过一个控制流面f的风功率为因为流量由于流管的连续性：12223由于压力变化甚微，可假设密度为常数，所提取的能量即为流入的能量减去流出的能量，即 所提取的功率则为：1.风力发电技术的基本原理及其发展23由于压力变化甚微，可假设密度为常数，所提取的能量即为流2324当已知风轮面的风速V2时，可求得流量，即引入一个合理的假设(Froude-Rankin定理)，即将以上两式带入功率表达式，可得到 可见，可提取的功率为风功率乘以功率系数CP,即1.风力发电技术的基本原理及其发展24当已知风轮面的风速V2时，可求得流量，即引入一个合理的假2425对功率系数CP,关于风速比V3/V1求一阶导数并令其为0，可求得最大功率处的风速比为 即当 时，CP最大，此时CP=0.59上式表明，通过一个理想风机可提取约60%的风含功率。在此，风轮面的风速为 ，远离其后的风速为 。功率系数随风轮下游风速V3与风轮上游风速V1之比的变化曲线1.风力发电技术的基本原理及其发展25对功率系数CP,关于风速比V3/V1求一阶导数并令其为025l定桨定速定桨定速 vs.vs.变桨变速风力机输出功率的比较：变桨变速风力机输出功率的比较：1.风力发电技术的基本原理及其发展定桨定速 vs.变桨变速风力机输出功率的比较：1.风力发电技261.风力发电技术的基本原理及其发展风电有功出力风电有功出力-风速特性曲线风速特性曲线 切入风速（一般为切入风速（一般为3米米/秒）；秒）；风速达到并超过额定风速风速达到并超过额定风速（15米米/秒）后，有功功率达秒）后，有功功率达到最大值并维持恒定；到最大值并维持恒定；切出风速（一般为切出风速（一般为25米米/秒秒;1.风力发电技术的基本原理及其发展风电有功出力-风速特性曲线27l并网风电发电系统的组成部分风电场/风电机群 陆上风电场、海上风电场海上风电场（近海风电场、潮间带风电场)集电部分（线路线路）升压变电站(陆上可能多于一级升压，海上可能有集控中心)升压变压器无功补偿装置（电容器、电抗器、静止及动态无功补偿装置）风电场管理系统等（风场监控系统、AGC、AVC）1.风力发电技术的基本原理及其发展并网风电发电系统的组成部分风电场/风电机群1.风力发电技术的28升压变电站输电线路PCCWF风电场ABL电 网l风力发电系统示意图风力发电系统示意图 由风电机群组成的风电场A、升压变电站B和输电线路L组成的并网型风力发电系统，是将风电电力通过PCC节点送入电力网络，再供给用户。PCC节点是风电场与电网的连接点，又称公共连接点。通常在升压变电站出口第一个电杆位置，有时也可设置在线路的末端。1.风力发电技术的基本原理及其发展升压变电站输电线路PCCWF风电场ABL电 网风力发电系统2930l 机组性能不断提升机组性能不断提升目前存在三种风电机组类型：目前存在三种风电机组类型：恒速风电机组恒速风电机组双馈变速风电机组双馈变速风电机组永磁直驱风电机组永磁直驱风电机组 我国并网风电机组中双馈变速我国并网风电机组中双馈变速风电机组约占风电机组约占60%60%，恒速风电机组约，恒速风电机组约占占30%30%，其他约占，其他约占10%10%。恒速风电机组恒速风电机组双馈变速风电机组双馈变速风电机组永磁直驱风电机组永磁直驱风电机组30 机组性能不断提升目前存在三种风电机组类型：恒速风电机组30l恒速风电机组 转速范围小效率低鼠笼式感应发电机需要并联电容器组提供补偿1.风力发电技术的基本原理及其发展恒速风电机组转速范围小1.风力发电技术的基本原理及其发展31l恒速恒频风电机组（普通异步发电机）该类型风电机组通常只能在很小的转差变化范围内运行，不能充分有效地利用风能。发电机为鼠笼式感应电机，运行时需要从系统中吸收无功功率，可在机端装设并联电容器组提供风电机组所需的无功功率。1.风力发电技术的基本原理及其发展恒速恒频风电机组（普通异步发电机）该类型风电机组通常只能在很32l恒速恒频风电机组模型及控制风速模型桨距角模型风力机模型轴系模型异步发电机 恒速风电机组运行的稳定性取决于风力机的特性及其桨距角控制系统与异步发电机的电磁转矩转速特性。由于恒速风电机组的异步发电机在运行过程中发出有功功率的同时吸收无功功率，因此恒速风电机组都配备有机端并联电容器组以补偿其无功的消耗。1.风力发电技术的基本原理及其发展恒速恒频风电机组模型及控制风速模型 恒速风电机组运行的33l变速风电机组（双馈感应发电机 DFIG）大变速范围效率高转子绕组通过变频器馈入电网采用空间矢量控制技术实现P-Q解耦控制1.风力发电技术的基本原理及其发展变速风电机组（双馈感应发电机 DFIG）大变速范围1.风力发34l变速恒频风电机组（双馈感应电机）双馈感应电机为交流励磁，是异步化同步电机的一种。绕线式转子感应电机作为发电机，转子与定子侧通过变流器联系。能够在较大的范围内实现变速运行，风能利用效率高；采用矢量控制技术后可以实现有功功率与无功功率的解耦控制。1.风力发电技术的基本原理及其发展变速恒频风电机组（双馈感应电机）绕线式转子感应电机作为发电机35转子绕组中是受控的变频交流励磁电流；转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率；能够在较大的范围内实现变速运行，风能利用效率高；拓扑结构：交直交电压型变频器。由两个共用直流环节的背靠背三相整流/逆变器组成。可实现变频、变压和功率双向流动；控制方式：发电机侧变频器采用定子磁场定向矢量控制；电网侧变频器采用电网电压定向矢量控制；可实现发电机的有功功率和无功功率之间的解耦控制。1.风力发电技术的基本原理及其发展l变速恒频风电机组（双馈感应电机）转子绕组中是受控的变频交流励磁电流；转子转速低于同步转速时也36l变速恒频风电机组（同步电机或永磁同步电机）发电机为多极永磁同步电机，经过容量与电机容量相当的背靠背式变流器与系统相连；单机容量大；可以控制无功功率与电压。1.风力发电技术的基本原理及其发展变速恒频风电机组（同步电机或永磁同步电机）发电机为多极永磁同37l变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）1.风力发电技术的基本原理及其发展变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）1.风力发电技术的基38l大容量的永磁同步直驱电机：Enercon E-112 德国：Enercon 公司额定容量：4.5MW变桨距控制变速风机(直驱电机)无齿轮箱通过变频器接入电网叶片直径：114m机舱重量：400T轮毂高度：124m 图片来源：中国-德国技术合作项目Wind Guard培训风机参数：1.风力发电技术的基本原理及其发展大容量的永磁同步直驱电机：Enercon E-112 德39异步机在超同步状态下（发电机）与次同步状态下（电动机）的电磁转矩是反向的；无功功率无论在超同步还是次同步状态随着转差绝对值的增加而增加，输出的有功功率越大、转速越高时，其吸收的无功功率就越大。电磁转矩转速特性曲线无功功率转速特性曲线1.风力发电技术的基本原理及其发展l风电机组用异步机的特性曲线：风电机组用异步机的特性曲线：异步机在超同步状态下（发电机）与次同步状态下（电动机）的电磁402.大规模风电并网的运行问题2.大规模风电并网的运行问题41分散并网：规模小、接入电压等级低，对系统运行影响较小。l风电场并网方式风电场并网方式 2.大规模风电并网的运行问题分散并网：规模小、接入电压等级低，对系统运行影响较小。风42集中并网：开发规模大、接入电压等级高，远距离输送，对系统运行影响较大，以异地消纳为主。l风电场并网方式风电场并网方式 2.大规模风电并网的运行问题集中并网：开发规模大、接入电压等级高，远距离输送，对系统运行43风电机组风电场风电场并网点PQ风电场有功功率风电场无功功率l风电场电气接线示意图风电场电气接线示意图 2.大规模风电并网的运行问题风电机组风电场风电场并网点PQ风电场有功功率风电场无功功率44发电类型火电厂和水电厂风电场输出功率可调度间歇性不能按计划发电，调度困难发电机种类同步发电机，一般发电厂包含数台或十几台机组采用多种发电机技术；变速风电机组采用电力电子控制技术；大型风电场包含数百台机组；暂态响应特性有电压支撑能力，需保持同步运行，易发生暂态稳定问题不同类型的风电机组在故障时的暂态响应特性不同运行特性取决于发电机组和励磁系统的特性风电机群的特性和协调全部风电机群运行的风电场综合控制系统l风电场的特点风电场的特点2.大规模风电并网的运行问题发电类型火电厂和水电厂风电场输出功率可调度间歇性不能按计45初期：风电机组/风电场不能控制无法调度恶化电网稳定性对电能质量影响明显当前：风电机组/风电场可以控制对电网稳定性影响降低电能质量：电压波动和闪变改善；谐波可能存在问题风电功率预测技术进步，调度运行水平可进一步提高l对风电并网问题的认识2.大规模风电并网的运行问题初期：对风电并网问题的认识2.大规模风电并网的运行问题46l约束风电并网的技术问题约束风电并网的技术问题局部电网网架结构薄弱网内其他电源运行灵活性不足风力发电机组技术水平较低（风电并网标准着重要解决的问题）以风电对无功功率平衡与电压水平的影响为例，影响的程度取决于 风电场输出的有功功率 风电场的无功特性（功率因数）风电输出线路的阻抗 被接电网的情况（含电源结构）2.大规模风电并网的运行问题约束风电并网的技术问题2.大规模风电并网的运行问题47 l张家口地区张家口地区风电出力与电网负荷曲线风电出力与电网负荷曲线2.大规模风电并网的运行问题 张家口地区风电出力与电网负荷曲线2.大规模风电并网的运行48 l东北电网冬、夏季节风电典型日发电曲线东北电网冬、夏季节风电典型日发电曲线2.大规模风电并网的运行问题 东北电网冬、夏季节风电典型日发电曲线2.大规模风电并网的49 l 400MW风电接入风电接入吉林电网的吉林电网的研究研究2.大规模风电并网的运行问题 400MW风电接入吉林电网的研究2.大规模风电并网的运50Voltage of POC（1）定速风电机组（空载补偿）定速风电机组（空载补偿）（2）定速风电机组（额定补偿）定速风电机组（额定补偿）（3）变速风电机组）变速风电机组 （功率因数控制）（功率因数控制）风电机机组机机型及控制策型及控制策略略选择，对电网网电压影影响非常大。响非常大。基于双馈感应发电基于双馈感应发电机的风电机组具备机的风电机组具备无功调节能力，可无功调节能力，可以通过以通过PWM变频变频器控制系统吸收或器控制系统吸收或发出无功功率。发出无功功率。基于感应发电机的风基于感应发电机的风电机组不具备无功调电机组不具备无功调节能力，风电机组在节能力，风电机组在连续运行时吸收大量连续运行时吸收大量的无功，造成电压稳的无功，造成电压稳定性降低。定性降低。2.大规模风电并网的运行问题l 400MW风电接入风电接入吉林电网的吉林电网的研究研究Voltage of POC（1）定速风电机组（空载补偿）（51玉门风电玉门风电1110MW安西风电安西风电4050MW甘肃电网750规划网架结构l5160MW风电接入甘接入甘肃电网的研究网的研究2.大规模风电并网的运行问题玉门风电1110MW安西风电4050MW甘肃电网750规划网52 v考虑固定串补方案。v西北750系统采用固定高抗v甘肃风电总出力超200万，750kV系统电压越下限，超260万时，出现电压崩溃。2.大规模风电并网的运行问题l5160MW风电接入甘接入甘肃电网的研究网的研究 考虑固定串补方案。2.大规模风电并网的运行问题5153 v考虑固定串补方案。v西北750系统采用可控高抗。v不同风电出力情况下，由于750系统电压发生变化，采用高抗随电压投切策略控制。风电可在400万范围内运行，750系统电压可保证。2.大规模风电并网的运行问题l5160MW风电接入甘接入甘肃电网的研究网的研究 考虑固定串补方案。2.大规模风电并网的运行问题5160M54 v甘肃风电总出力大于400万，若进一步增大时，电压失稳。大规模风电接入运行时，系统调压面临极大压力。西北西北750kV系系统即使采用了固定串即使采用了固定串补和可控高抗，高和可控高抗，高风电出力出力时，电网网电压稳定裕度仍很低。定裕度仍很低。即使是超高即使是超高压系系统，传输风电功率太大功率太大时，电压仍仍受到很大影响受到很大影响2.大规模风电并网的运行问题l5160MW风电接入甘接入甘肃电网的研究网的研究 甘肃风电总出力大于400万，若进一步增大时，电压失稳。大55对调峰调频能力的影响对无功功率平衡与电压水平的影响对稳定性影响对电能质量的影响风电对电力系统的影响2.大规模风电并网的运行问题对调峰调频能力的影响对无功功率平衡与电压水平的影响对稳定性影56l风电并网对频率和有功功率的影响风电并网对频率和有功功率的影响 目前风电场发出的功率是随着风速，随机切入或退出电网的。假设在某时刻，电网中的部分负荷由切入风电（Pw）供电，常规电源总发电有功功率PG，则等量地减少至PG0，见图a。若此时，无风，风电电力下降到零，则由常规电源的旋转备用（PG）供电，见图b。2.大规模风电并网的运行问题风电并网对频率和有功功率的影响 目前风电场发出的功57l风电并网对频率和有功功率的影响风电并网对频率和有功功率的影响 1、在频率变化的同时，风电切入或退出还将引起电网中线路功率的振荡，这与风电切入功率的大小、切入的速度、切入点的位置及所连设备的惯性常数有关。2、风电切入点附近有相当于风电功率的负荷，这部分负荷就近吸收了风电电力，引起的功率振荡就较小；风电切入点附近没有多少负荷，风电将根据潮流分配原理送到电网的其他地方，风电电力能否畅通送出，输电线路是否过载，是否会引起线路的功率振荡，则要借助于电网潮流、暂态计算程序等进行仿真分析计算。2.大规模风电并网的运行问题风电并网对频率和有功功率的影响 1、在频率变化的同58 调峰调频压力增大风电的反调峰特性增加了电网调峰的难度。根据对东北、蒙西和吉林电网的统计结果，风电反调峰概率分别为60%、57%和56%。吉林电网由于风电接入，一年期间峰谷差变大的时间达到210天。由于调峰容量不足，吉林、蒙西电网都出现了低负荷时段弃风的情况。风电的间歇性、随机性增加了电网调频的负担。据统计，2008年2月11月新疆地区风电在30分钟内出力波动超过9万千瓦达到347次，增加了电网调频的压力和常规电源调整的频次。2.大规模风电并网的运行问题l风电并网对频率和有功功率的影响风电并网对频率和有功功率的影响 调峰调频压力增大2.大规模风电并网的运行问题风59l风电并网对电压和无功功率的影响风电并网对电压和无功功率的影响 图中，无功电源使电网电压升高，无功负荷使电网电压下降。2.大规模风电并网的运行问题风电并网对电压和无功功率的影响 图中，无功电源使电60无功影响电压无功影响电压 2.大规模风电并网的运行问题l风电并网对电压和无功功率的影响风电并网对电压和无功功率的影响无功影响电压 2.大规模风电并网的运行问题风电并网对电压和无61电网故障切除风电场原因：风电场暂态电压稳定性无法保证对风电场的更高要求：在规定的故障及电网电压跌落期间，保证一定时间范围内风电场能够连续运行而不脱离电网，也即是风电场低电压穿越（LVRT）能力的提出电网故障发生后要求风电场能够发出无功功率参与电网的电压控制 2.大规模风电并网的运行问题l风电并网对电压和无功功率的影响风电并网对电压和无功功率的影响电网故障切除风电场原因：风电场暂态电压稳定性无法保证2.大规62l吉林电网大规模风电切出的影响吉林电网大规模风电切出的影响时间:2008.04.09 早晨天气情况:刮风，下小雨故障位置:白城至开发变66kV线路(19km)，距离白城变2.4km故障类型:2相短路(B-C)发生时间 05:07:54保护动作情况:线路距离保护与过流保护动作80ms后故障线路三相切除80-110ms后，洮南大通风电场内所有机组跳闸；120-150ms 后，富裕风电场所有风机跳闸；同发龙源、华能场内所有风电机组跳闸05:07:55 故障线路重合成功2.大规模风电并网的运行问题吉林电网大规模风电切出的影响2.大规模风电并网的运行问题63故障前故障前223MW232kV234kV38Mvar 电容器组电容器组55MW时间时间:05:07230kV故障前223MW232kV234kV38Mvar 电容器组564故障后故障后0MW244kV251kV38Mvar 电容器组电容器组0MW时间时间:05:07236kV定速机组定速机组故障后0MW244kV251kV38Mvar 电容器组0MW65系统调整后系统调整后0MW235kV237kV38Mvar 电容器组电容器组0MW控制电控制电压压时间时间:05:13系统调整后0MW235kV237kV38Mvar 电容器组066l大规模风电切出的后果大规模风电切出的后果潮流反转；电网电压由于潮流变化导致偏高或偏低；电网频率有较大变化，严重时会引起频率稳定问题甚至大停电。l大规模风电切出的原因大规模风电切出的原因变速风电机组由于变频器对电网故障过于敏感，电网轻微故障会引起机组切除。风电机组都是0s启动切除。风电机组没有低电压穿越功能，当风电装机更大时，电网频率会有问题。2.大规模风电并网的运行问题大规模风电切出的后果2.大规模风电并网的运行问题67l风电并网对谐波和闪变的影响风电并网对谐波和闪变的影响 谐波 1、谐波电流的主要来源是发电机组中的电力电子元件。2、对于恒速风力发电机组来说，谐波电流注入实际上是可以忽略的。变速恒频风力发电机组在运行过程中机组的变流器始终处于工作状态，谐波电流的大小与机组的输出功率相关，也就是与风速大小相关。3、风力发电机组可以看作谐波源，其自身特性会影响可能产生的谐波分量，此外，电网的强弱也是影响谐波成分的因素。相同的谐波源，接入较弱电网时的谐波问题比接入较强的电网更严重。适于建设大型风电场的地区一般风能资源较好，但电网较弱，因此大型风电场的并网运行就有可能对其所接入系统的电能质量造成影响。2.大规模风电并网的运行问题风电并网对谐波和闪变的影响 1、谐波电流的主要来源68l风电并网对谐波和闪变的影响风电并网对谐波和闪变的影响 闪变 1、影响因素：风的湍流强度，风剪切，塔影效应和偏航等因素。2、对于三叶片风力发电机组而言，其周期性功率波动的频率为三倍的风力发电机叶片旋转频率，也就是常说的3p频率。3p频率范围通常为12Hz，正好位于人眼对灯光照度变动最敏感的频率范围，由此可能引起闪变问题。3、当多台风力发电机组同时运行时，将对输出功率的脉动产生平滑作用，脉动幅度有所降低，但是由此引起的电压波动幅值会加大。4、变速风力发电机组引起的闪变强度只相当于恒速风力发电机组的四分之一。2.大规模风电并网的运行问题风电并网对谐波和闪变的影响 1、影响因素：风的湍流69l风电并网对谐波和闪变的影响风电并网对谐波和闪变的影响 风电场对电网电能质量的影响程度，与风力发电机组的类型、控制方式、风电场布置、所接入系统的短路容量以及线路参数等许多因素有关。如果已知上述参数，可以进行仿真分析，计算出由风力发电机组并网所产生的谐波分量，并用标准要求的限制值衡量是否超标，如果不满足要求，则应采取相应的措施。2.大规模风电并网的运行问题风电并网对谐波和闪变的影响 风电场对电网电能质量的703.风电场故障穿越原理及要求；3.风电场故障穿越原理及要求；71系统故障时原有的保护原则：系统故障时原有的保护原则：将风机立即从电网中脱网以确保机组的安全风电比例增大时该原则的弊端：风电比例增大时该原则的弊端：导致系统潮流的大幅度转移，对系统频率和电压造成较大影响，将严重威胁系统的运行稳定性。在目前大规模风电并网的形式下，风电机组与电网间的相互影响日趋严重！（一）什么是风电机组的低电压穿越3.风电场故障穿越原理及要求系统故障时原有的保护原则：（一）什么是风电机组的低电压穿越372因此提出对风力发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（fault ride-through）的要求，并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(low voltage ride-through，LVRT)能力。（中德论文）（一）什么是风电机组的低电压穿越3.风电场故障穿越原理及要求因此提出对风力发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运73（二）风电机组低电压穿越技术要求根据GBT19963-2011风电场接入电力系统技术规定，风电机组低电压穿越需要满足如下标准：3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求根据GBT19963-20174（二）风电机组低电压穿越技术要求风电机组应该具有低电压穿越能力：1）风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms；2）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行；电力系统发生不同类型故障时，若风电场并网点考核电压全部在图中电压轮廓线及以上的区域内，风电机组必须保证不脱网连续运行；否则，允许风电机组切除。3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求风电机组应该具有低电压穿越能75（二）风电机组低电压穿越技术要求除了不脱网的基本要求外，还要满足有功恢复和动态无功支撑能力：有功恢复有功恢复对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障切除后应快速恢复，以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求除了不脱网的基本要求外，还要76（二）风电机组低电压穿越技术要求动态无功支撑能力动态无功支撑能力要求如下：a)电网发生故障或扰动，机组出口电压跌落处于额定电压的20%90%区间时，机组需通过向电网注入无功电流支撑电网电压，该动态无功控制应在电压跌落出现后的75ms内响应，并能持续550ms的时间。b)机组注入电网的动态无功电流ItK(0.9-Vt)In，其中In为机组的额定电流；Vt为故障期间风电场并网电压标幺值。3.风电场故障穿越原理及要求（二）风电机组低电压穿越技术要求动态无功支撑能力3.风电场故77（三）风电机组低电压穿越实现方法目前具备低电压穿越能力的机组主要有两类：u同步直驱式风机PMSG(permanent magnetic synchronous generator)u双馈异步式风机DFIG(doubly-fed induction generator)3.风电场故障穿越原理及要求（三）风电机组低电压穿越实现方法目前具备低电压穿越能力的机组78（三）风电机组低电压穿越实现方法 DFIG 定子侧直接联接电网。这种直接耦合使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上,电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，导致定子磁链出现直流成分,不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转的电机转子会形成较大的转差，从而感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流,导致转子电路中电压和电流大幅增加。对于PMSG,定子经AC/DC/AC变流器与电网相接,发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小,而发电机的输出功率瞬时不变,功率不匹配将导致变频器直流母线电压上升，威胁到变频器安全。3.风电场故障穿越原理及要求（三）风电机组低电压穿越实现方法 DFIG 定子79（三）风电机组低电压穿越实现方法 风电机组变流器采用的电力电子器件的过压、过流能力有限，如果对电压跌落不采取控制措施限制故障电流,较高的暂态转子电流会造成电力电子器件的损坏。因此在低电压穿越过程中必须采用变频器保护手段，Crowbar或chopper保护电路是目前较为常用的方法，当电网出现故障，闭锁发电机的转子侧变流器，通过Crowbar保护电路中的电阻限制转子绕组的过电流，通过chopper保护电路保证变流器直流母线，抑制过电压，当电网故障清除时，切除Crowbar或chopper电路，风机进入正常的工作状态。DFIGRotor SideConverter VacUACVdc3.风电场故障穿越原理及要求（三）风电机组低电压穿越实现方法 风电机组变流器804.风电大规模脱网故障机理；4.风电大规模脱网故障机理；81（二）风电大规模脱网故障分析 针对几起风电大规模故障脱网事故分析，故障过程可以分为4个部分风电场电气设备故障（直接原因）部分风电机组不具备低电压穿越能力而脱网风电机组由于高电压脱网风电机组与系统的动态交互过程4.风电大规模脱网故障机理（二）风电大规模脱网故障分析 针对几起风电大规模故82（二）风电大规模脱网故障分析风电场电气设备故障（直接原因）风电场电气设备故障（直接原因）大部分风电机组脱网事故的初始诱因源于接近风电场位置的某个电气设备短路故障。例如：2011年2月24日甘肃酒泉地区风电机组连锁脱网事故是由某风电场35B开关间隔相电缆头故障绝缘击穿造成三相短路引起；2011年4月17日甘肃瓜州地区风电机组连锁脱网事故是由某风电场35kV箱变高压侧电缆头击穿导致短路引起；2011年4月17日河北张家口地区风电机组连锁脱网事故是由某风电场35kV送出架空线发生相间短路引起。4.风电大规模脱网故障机理（二）风电大规模脱网故障分析风电场电气设备故障（直接原因）483甘肃酒泉风电基地甘肃酒泉风电基地2011.4.32011.4.3日风机大规模脱网事故日风机大规模脱网事故事故过程：起始阶段：桥东第二风电场内35kV馈线开关柜内发生单相短路，并迅速发展成三相短路。低电压过程：敦煌变330kV母线电压最低跌至284kV，320台风机因低电压发生脱网，损失出力445.5MW。高电压过程：敦煌变330kV母线电压最高至370.7kV，部分风机因高电压脱网，共计67台，损失出力103MW；硬件故障13台风机脱网，损失出力19.5MW。甘肃酒泉风电基地2011.4.3日风机大规模脱网事故事故过程84甘肃酒泉风电基地甘肃酒泉风电基地2011.4.32011.4.3日风机大规模脱网事故日风机大规模脱网事故事故影响：400台风机脱网，占事故前并网风机总数量的26.5%。损失出力568MW，占事故前风电总出力的28.9%。系统频率最低降至49.847Hz，电网启动紧急预案应对功率缺额。风机低电压脱网后，因风电场无功补偿装置未能及时动作导致局部故障被放大，产生连锁故障，导致风机大面积脱网。甘肃酒泉风电基地2011.4.3日风机大规模脱网事故事故影响85（二）风电大规模脱网故障分析部分风电机组不具备低电压穿越能力而脱网部分风电机组不具备低电压穿越能力而脱网 短路故障导致短路点附近风电机组机端电压下降时，触发风机保护（一般风机低电压保护定值为90%Un），导致一部分风机与电网解列。3.风电大规模脱网故障机理（二）风电大规模脱网故障分析部分风电机组不具备低电压穿越能力86（二）风电大规模脱网故障分析风电机组由于高电压脱网风电机组由于高电压脱网 风电机组低电压脱网过程结束后，外送功率减小，而网内无功补偿装置因不具备自投切功能继续挂网运行，造成局部电网无功过剩、电压抬高。高电压波及初始故障点附近的风电场，使部分风电机组因高电压保护动作切除。风电机组高电压脱网后，线路负载下降，进一步加剧电网无功过剩程度，恶性循环而导致更多风电机组连锁脱网。这一过程中脱网的风电机组数量甚至超过了低电压脱网过程中的风电机组数量。4.风电大规模脱网故障机理（二）风电大规模脱网故障分析风电机组由于高电压脱网4.风电大87（二）风电大规模脱网故障分析风电机组与系统的动态交互过程风电机组与系统的动态交互过程 大规模风电机组连锁脱网使系统出现大量有功缺额，引起频率波动，产生动态频率扰动过程，造成更多风电机组因频率保护切除脱网，可能进一步扩大事故影响范围，威胁主网安全稳定运行。4.风电大规模脱网故障机理（二）风电大规模脱网故障分析风电机组与系统的动态交互过程4.88（二）风电大规模脱网故障分析以上脱网过程主要涉及问题1、风电场设备制造及建设施工2、风电机组低电压穿越能力3、风电场无功补偿装置动态特性为避免大规模风电脱网，一方面需要从提高设备质量和施工标准方面要求，为避免大规模风电脱网，一方面需要从提高设备质量和施工标准方面要求，另一方面要从提高风电并网要求，提高风电场技术水平方面加以要求，并另一方面要从提高风电并网要求，提高风电场技术水平方面加以要求，并制定相应的检测标准加以验证。制定相应的检测标准加以验证。4.风电大规模脱网故障机理（二）风电大规模脱网故障分析以上脱网过程主要涉及问题为避免大89Thanks!谢谢！谢谢！Thanks!谢谢！90