CN106451558A - 具有大规模风电接入的电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有大规模风电接入的电网系统，包括风机、母线电网，风机与母线电网供电连接，风机包括风轮机、发电机、发电机侧整流器、直流环节、电网侧逆变器、升压变压器，风轮机、发电机、发电机侧整流器、直流环节、电网侧逆变器、升压变压器依次电连接形成风机整体，风轮机包括风源模块、风速输入逻辑模块、风力涡轮机、风力发电机调速组件，风源模块根据风速输入逻辑模块的开关指令将风源输入风力涡轮机，风力发电机调速组件根据额定输出功率控制风力涡轮机的转速，升压变压器通过母线变压器与母线电网连接。本发明提供了一种具有较大规模风电接入电网的可行方案，具有良好的电网运行特性。

Description

具有大规模风电接入的电网系统

技术领域

本发明涉及一种电网系统，特别涉及一种具有大规模风电接入的电网系统，属于风电并网发电领域。

背景技术

在低碳经济、节能减排的国家政策激励下，我国的风力发电得到了快速的发展，装机容量增长十分迅速。目前国内的研究可以大致分成两大块，一部分从风电机类型对电网的影响入手研究，另一部分是从变压器和输电线的性质对电网影响进行研究。研究结果表明：⑴在稳定输电网侧的电压方面，在风电出力较小的时候，随着出力的增长稳定性有所提高，而当风电出力进一步增长时，系统电压稳定性迅速降低甚至崩溃，造成这种情况的原因为风力发电的容量越大，接入系统所需要吸收的无功功率越大，越容易导致无功功率不平衡而引发的电压大幅度下降。⑵风电场运行在电压比较高的节点对电网特别是弱电网的电压水平和无功平衡比较有利，并且在无功平衡方面得出的最佳无功补偿位置是在风电机侧。

发明内容

本发明具有大规模风电接入的电网系统公开了新的方案，提供了一种具有较大规模风电接入电网的可行方案，解决了现有技术没有可用方案的问题。

本发明具有大规模风电接入的电网系统包括风机、母线电网，风机与母线电网供电连接，风机包括风轮机、发电机、发电机侧整流器、直流环节、电网侧逆变器、升压变压器，风轮机、发电机、发电机侧整流器、直流环节、电网侧逆变器、升压变压器依次电连接形成风机整体，风轮机包括风源模块、风速输入逻辑模块、风力涡轮机、风力发电机调速组件，风源模块根据风速输入逻辑模块的开关指令将风源输入风力涡轮机，风力发电机调速组件根据额定输出功率控制风力涡轮机的转速，升压变压器通过母线变压器与母线电网连接。

进一步，本方案的风速输入逻辑模块包括风速传感器、逻辑控制单元，逻辑控制单元根据风速传感器传送的风速数值低于切入风速或高于切出风速的比对结果关闭风源模块，逻辑控制单元根据风速传感器传送的风速数值介于切入风速与切出风速间的比对结果开启风源模块。

进一步，本方案的风力发电机调速组件包括风速传感器、调速控制单元、调速执行机构，调速控制单元根据风速传感器传送的风速数值高于额定风速的比对结果开启调速执行机构，调速执行机构改变风力涡轮机的叶片与风输入的角度来阻止风力涡轮机的输出功率超过额定功率。

进一步，本方案的风机的发电机的输出经过AC-DC-AC转换器处理后通过升压变压器与ieee-34节点系统连接。

进一步，本方案的ieee-34节点系统是开式网络，ieee-34节点系统包括一个电压源G1、若干节点，节点处并联有无功补偿电容器，无功补偿电容器补偿ieee-34节点系统的无功负荷与电压源G1提供的无功功率间的差额。

进一步，本方案的AC-DC-AC转换器包括二极管整流器、直流母线、六脉冲晶闸管逆变桥，直流母线包括储能电容、限流电阻，六脉冲晶闸管逆变桥包括储能电感。

进一步，本方案的AC-DC-AC转换器还包括单输入电平比较器，单输入电平比较器与六脉冲晶闸管逆变桥的KB开关连接，单输入电平比较器在电路故障情况下停止逆变器工作。

进一步，本方案的AC-DC-AC转换器还包括电压控制器、电流控制器，电压控制器根据测得的母线电压大于设定的电压上限值的比对结果输出额定电流，电压控制器根据测得的母线电压小于设定的电压下限值的比对结果输出设定的最小电流值，电流控制器通过比例积分控制器产生一个角度值，上述角度值作用于电压控制器输出的电流值和母线上测得的电流值。

进一步，本方案的AC-DC-AC转换器与升压变压器间并联有无功补偿电容器A，无功补偿电容器A补偿线路上的无功功率。

进一步，本方案通过调整升压变压器的分接头来改变升压变压器内部两侧线圈的匝数比将节点电压提升至系统额定电压的95％～105％间。

本发明具有大规模风电接入的电网系统提供了一种具有较大规模风电接入电网的可行方案，具有良好的电网运行特性。

附图说明

图1是永磁同步发电机接入电网前模型。

图2是风电机接入无穷大母线系统的简化等值电路模型。

图3是接入风力发电机G2的ieee-34节点系统示意图。

图4是风机接入无穷大母线系统模型。

图5是AC-DC-AC级转换器电路示意图。

具体实施方式

风力发电机可以从电气角度和机械角度分别进行分类。从电气角度即定转子与电网的连接方式出发，风力发电机分为双馈感应发电机型风机、直驱感应发电机型风机、直驱永磁感应风力发电型风机与超导无刷直流发电机型风机。其中，双馈型发电机是指将发电机的转子通过AC-DC-AC变频器接入电网，而定子直接接入电网的发电机，双馈机制在于当转子转速小于同步转速时，实现发电，而转子转速大于同步转速则实现从电网中吸收功率，应用的电压等级为低压(1kV以下)。直驱感应发电机型风机的发电机完全是通过AC-DC-AC变频器接入电网实现功率传递，属于全馈型风机，采用的变频器容量较大，应用的电压等级为低压(1kV以下)、中压(10kV以下)。直驱永磁感应风力发电型风机与直驱感应发电机型风机同样为全馈型，发电机类型则是三相永磁感应发电机，应用的电压等级是低压(1kV以下)、中压(10kV以下)，目前多用于中压等级电力系统。超导无刷直流发电机型风机是目前世界最先进的风力发电机，减少了变频器直接输出直流电能，目前依旧处于研发阶段。从机械角度即叶片的旋转中心轴出发，风力发电机可以分为水平轴风力机与垂直轴风力机。其中，水平轴风力机的叶片绕着一个水平轴旋转，主要的优点在于叶片扫过面的平均高度更高，增大风电机发电量，世界上大多数机型都是水平轴风力机。垂直轴风力机的轴是垂直于地面的一根柱子，叶片平行于旋转轴旋转，主要优点在于结构比较简单，且旋转轴垂直于地面，发电机等设备可以在底部安装，方便维护。传统风力发电机里有齿轮箱，随着风机容量增大，齿轮箱十分容易损坏，而永磁同步发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动省去齿轮箱，大大提高运行效率，所以在单机容量较大时，常采用这种直驱式永磁同步发电机。永磁同步发电机型风机主要包括以下六大部分：桨距控制风力机、直驱式永磁发电机、发电机侧变流器(整流器)、直流环节、电网侧变流器(逆变器)、变压器(升压)。图1为永磁同步发电机接入电网前的模型图。

风力发电机有关风速方面的主要参数有：切入风速Vmin、额定风速Vn和切出风速Vmax。其中，切入风速：当风速高于切入风速时，机械制动器被释放，继而发电机转子旋转，本方案中风机的切入风速可以设置为4m/s。额定风速(也称平均风速)：当风速达到额定风速时，风力发电机的输出功率也达到额定，本方案中的风机额定风速可以设为13m/s。切出风速：当风速高于切出风速时，考虑到不损坏风力发电机的叶片，机械制动器被制动，发电机停止运行，效果与低于切入风速相同，输出功率为0，本方案中的切出风速可以设为25m/s。风机输出机械功率与风速输入的关系是风速小于切入风速或者大于切除风速，风机输出功率为0；风速在切入风速与额定风速之间，叶片射入角为0，输出功率随着风速增加而增加；风速在额定风速与切出风速之间，叶片入射角自动调整使风电机输出功率为额定功率。

实际电力系统中，存在多条母线、多个功率节点与电源，并非理想的无穷大系统。大规模风电接入正常运行的电力系统后，必然会大量吸收无功，引起无功功率不平衡与系统节点电压降低，风机侧的输电网网损偏大降低了风电机的运行效率，这两个运行方面的问题亟待解决。本方案将风机模型应用于ieee-34节点系统，分析大规模风电接入前后电网的无功平衡、电压质量及输电网网损，进一步提出在风机接入侧并入无功功率补偿器以及在输电网侧的变压器上调整分接头两种应对策略。如图3所示，接入风力发电机G2的ieee-34节点系统示意图。该系统为开式网络，仅G1一个电压源，G1为ieee-34节点系统的电源，G2节点处为自行搭建的风力发电机经变电站变压器升压接入ieee-34系统。其中，风力发电机的改进部分包括同步发电机的输出通过AC-DC-AC转换器再通过升压变连接到电力系统，AC-DC-AC转换器主要由三部分构成：二极管整流器，直流母线(存储电容电压)，六脉冲晶闸管逆变桥。三相二极管整流器：触发角AO恒定设为0，Thyristor derection在整流器中设置为up，逆变器中设置为down，KB为闭锁整流器的输入信号口，用于过电压保护，为保证安全，裕量为10％。直流母线：在主流母线中储存的能量，必须能够承受1s的电压骤降。电容器未充电时可建模为短路，因此必须要加入一个电阻，当低电压时，以限制峰值电流在额定值附近。

为了保证在配电网故障的情况下，能够对母线进行短路保护，避免电压崩溃的现象发生，需要在故障的情况下停止整流器或者逆变器，所以在模型中选用了单输入电平比较器(single input level)组件来完成。过电压或者低电压的安全裕量为10％，得到低电压极限值，然后把单输入电平比较器与逆变器的KB即开关相连，当电压高于低电压极限值时，输出正常为1，开关打开，当电压低于低电压极限值时，则出现配电网故障，输出为0，开关断开，逆变器停止工作。当方案中只有一个风力发电机(等值)，风机连接到电网的弱冲击会使整流器与逆变器之间的母线电压控制启动，而不是直接作用于连接点。母线的电压波动和正常电力系统的电压波动要求相同。模块中设定的参数有：电压上限值(Voff)，电压下限值(Von)以及最小电流值(CI)，如果测得的母线电压值大于电压上限值，电流输出为额定电流值In，如果测得的母线电压值小于电压下限值，电流输出为电流最小值。本方案通过一个比例积分控制器产生一个角度值，作用于电压控制器输出的电流值和母线上测得的电流值。最后通过升压变压器与电网连接，本方案的AC-DC-AC级转换器如图5所示。

大规模风电接入正常电力系统中后会吸收大量无功，而系统无功功率分布情况是影响整个电力系统各点电压的主要原因。风电场通过传输线与电网侧相连，正常运行下风机有功功率由风机侧流向电网侧。线路上传递的无功功率的大小会直接影响各个节点的电压降落。为了减少线路上的无功功率传递来削弱电压压降，本方案利用就地补偿无功补偿器，当风速到达额定风速并维持在额定输出功率的情况下，在风电场出口侧(即风电场低压侧母线)投入设定容量的补偿电容器。对比发现大规模风力发电机接入电力系统后，节点电压降落较大，增加了无功补偿设备后，节点电压水平有明显的改善，但并未达到系统要求的95％-105％之间，大部分节点电压值在94.7％左右。为了进一步改善节点电压值的范围，本方案借助调整风电机侧的变压器分接头实现节点电压位于系统额定电压的95％到105％之间。一般变压器的分接头分布在双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的中高绕组，分接头的数值为1+(0，±2.5％，±5.0％，±7.5％)。利用这种方法调节电压的前提是系统无功功率电源供应充裕的情况下才能正常进行，在无功功率不充足的情况下是不适宜采用这种方法的，虽然可能提高局部电网的电压水平，但有可能降低主电网的电压水平，不利于全网的电压稳定。这是因为改变变压器变比，相当于在回路中串联了一附加电势，仅仅改变了电网的无功功率分配而已。所以在保证无功电源充足的情况下，才可以调整变压器分接头来提高节点电压。

上述方案中涉及的电力设备、电路、模块以及电子元器件除特别说明之外，根据其实现的具体功能可以选择本领域通用的设计和方案，也可以根据实际需要选择其他设计和方案。

本方案的具有大规模风电接入的电网系统并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以基于本领域技术人员的理解而延伸，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。

Claims (10)

1.具有大规模风电接入的电网系统，其特征是包括风机、母线电网，所述风机与所述母线电网供电连接，所述风机包括风轮机、发电机、发电机侧整流器、直流环节、电网侧逆变器、升压变压器，所述风轮机、发电机、发电机侧整流器、直流环节、电网侧逆变器、升压变压器依次电连接形成风机整体，所述风轮机包括风源模块、风速输入逻辑模块、风力涡轮机、风力发电机调速组件，所述风源模块根据所述风速输入逻辑模块的开关指令将风源输入所述风力涡轮机，所述风力发电机调速组件根据额定输出功率控制所述风力涡轮机的转速，所述升压变压器通过母线变压器与所述母线电网连接。

2.根据权利要求1所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，所述风速输入逻辑模块包括风速传感器、逻辑控制单元，所述逻辑控制单元根据所述风速传感器传送的风速数值低于切入风速或高于切出风速的比对结果关闭所述风源模块，所述逻辑控制单元根据所述风速传感器传送的风速数值介于所述切入风速与所述切出风速间的比对结果开启所述风源模块。

3.根据权利要求1所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，所述风力发电机调速组件包括风速传感器、调速控制单元、调速执行机构，所述调速控制单元根据所述风速传感器传送的风速数值高于额定风速的比对结果开启所述调速执行机构，所述调速执行机构改变所述风力涡轮机的叶片与风输入的角度来阻止所述风力涡轮机的输出功率超过额定功率。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，所述风机的发电机的输出经过AC-DC-AC转换器处理后通过所述升压变压器与ieee-34节点系统连接。

5.根据权利要求4所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，所述ieee-34节点系统是开式网络，所述ieee-34节点系统包括一个电压源G1、若干节点，所述节点处并联有无功补偿电容器，所述无功补偿电容器补偿所述ieee-34节点系统的无功负荷与所述电压源G1提供的无功功率间的差额。

6.根据权利要求4所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，所述AC-DC-AC转换器包括二极管整流器、直流母线、六脉冲晶闸管逆变桥，所述直流母线包括储能电容、限流电阻，所述六脉冲晶闸管逆变桥包括储能电感。

7.根据权利要求6所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，所述AC-DC-AC转换器还包括单输入电平比较器，所述单输入电平比较器与所述六脉冲晶闸管逆变桥的KB开关连接，所述单输入电平比较器在电路故障情况下停止逆变器工作。

8.根据权利要求6所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，所述AC-DC-AC转换器还包括电压控制器、电流控制器，所述电压控制器根据测得的母线电压大于设定的电压上限值的比对结果输出额定电流，所述电压控制器根据测得的母线电压小于设定的电压下限值的比对结果输出设定的最小电流值，所述电流控制器通过比例积分控制器产生一个角度值，所述角度值作用于所述电压控制器输出的电流值和母线上测得的电流值。

9.根据权利要求4所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，在所述AC-DC-AC转换器与所述升压变压器间并联有无功补偿电容器A，所述无功补偿电容器A补偿线路上的无功功率。

10.根据权利要求9所述的具有大规模风电接入的电网系统，其特征在于，通过调整所述升压变压器的分接头来改变所述升压变压器内部两侧线圈的匝数比将节点电压提升至系统额定电压的95％～105％间。