国际电气工程先进技术译丛 风力发电并网运行的无功管理.pdf

国际电气工程先进技术译丛风力发电并网运行的无功管理Hortensia Amaris(西)Monica Alonso 著Carlos Alvarez Ortega 温春雪 胡长斌 朴政国 等译机 械 工 业 出 版 社大量风力发电接入电力系统会带来电压稳定性方面的问题，如何更好地解决这个问题近年来已经成为电力系统无功功率规划管理所必须要考虑的事情。本书在介绍各国电网运行规范、各种无功功率补偿设备以及风力发电机的基础上，重点介绍了风力发电并网运行情况下的无功功率规划管理控制策略及其相关的电压稳定性问题，最后分析了有大量风力发电接入电力系统后无功功率优化管理所带来的效益。本书既有传统无功功率补偿方法的介绍，也有风力发电并网运行后无功功率优化管理的新型控制策略分析。因此，本书非常适合于从事电气工程、新能源发电并网运行方向研究的工程师、研究生及高年级本科生阅读。Translation from English language edition：Reactive Power Management of Power Networks with Wind Generationby Hortensia Amaris，Monica Alonso and Carlos Alvarez OrtegaCopyright 2013 Springer LondonSpringer London is a part of Springer Science Business MediaAll Rights Reserved.本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社出版，未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。版权所有，翻印必究。北京市版权局著作权合同登记图字：01-2013-4245 号。图书在版编目(CIP)数据风力发电并网运行的无功管理(西)霍滕西亚(Amaris，H.)，(西)莫妮卡(Alonso，M.)，(西)卡洛斯(Ortega，C.A.)著；温春雪等译.北京：机械工业出版社，2014.4(国际电气工程先进技术译丛)书名原文：Reactive Power Management of Power Networks with Wind GenerationISBN 978-7-111-46091-6.风.霍莫卡温.风力发电系统-电力系统运行.TM614中国版本图书馆 CIP 数据核字(2014)第 044269 号机械工业出版社(北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037)策划编辑：刘星宁 责任编辑：王 琪版式设计：赵颖喆 责任校对：佟瑞鑫封面设计：马精明 责任印制：北京市四季青双青印刷厂印刷2014年6月第1版第1次印刷169mm239mm7印张127千字00013000册标准书号：ISBN 978-7-111-46091-6定价：48.00元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：(010)88361066销 售 一 部：(010)68326294销 售 二 部：(010)88379649读者购书热线：(010)88379203网络服务教 材 网：http：机工官网：http：机工官博：http： cmp1952封面无防伪标均为盗版李洋译者序到目前为止，风力发电仍然是具有竞争力和有效的新能源之一。风力发电的应用在稳步发展中，世界各国的风力发电装机容量都在不同程度地增加。但是，随着大规模风力发电接入电力系统，大容量风力发电的并网运行不仅会影响电力系统潮流，也会造成并网节点处出现电能质量和电压稳定性问题。无功功率补偿一直以来就是解决这些问题的传统方法，随着风力发电这种带有间歇性特点的新能源接入，电力系统的无功功率规划管理已经成为电力系统安全可靠运行所必须要考虑的重要问题。因此，如何更好地实现风力发电并网运行的电力系统的无功功率优化管理，如风力发电并网运行优化控制，风电场和无功功率补偿设备数量、容量、位置等的优化配置等正成为国内外高等院校、科研院所及相关企业的重点研究方向。本书即针对电能质量和电压稳定性问题，以风力发电机和无功功率补偿装置为基础，重点介绍了风力发电并网运行的电力系统的无功功率管理优化控制策略，并分析了通过风电场和无功功率补偿装置优化配置、减缓电压不稳定，进而防止电压崩溃的问题。本书共 6 章，从各个角度分析了无功功率优化管理的控制策略。本书第 1 3 章由温春雪翻译，第 4 章由胡长斌翻译，第 5 章由朴政国翻译，第 6 章由刘欣博翻译。全书由温春雪统一校对定稿。另外，罗珊娜、刘志英、霍振国、王鑫、张明、王乃鑫等研究生也参与了修改整理及部分翻译工作。为了尽量保持原书的风格，书中图表以及公式中的符号、标注等并未完全按照国家标准统一，还请读者注意。同时，需要特别指出的是，译者严格按照原书的意思进行翻译工作，书中内容并不代表译者及译者所在单位的观点。由于译者水平有限，翻译中必有错误不妥之处，衷心希望读者批评指正。译 者前言本专著的读者对象主要是从事风力发电及其并网运行研究的工程师和科学家。本书的内容主要集中于带有大量风力发电的电力系统的无功功率管理。如今，风力发电已经被证明是最有竞争力和最有效的新能源之一，因此，风力发电的应用在稳步增长。例如，截至 2010 年 6 月，全世界的风力发电总装机容量达到了 175000MW。进入配电网的风力发电不仅会影响电力系统潮流，也会同时导致某些电网节点出现低电压或高电压。此外，并网运行的风力发电可能会带来电能质量问题并产生任意类型的电压稳定性变化。无功功率补偿系统是减缓电压稳定性问题的不错选择。无功功率规划管理近些年已经成为大型电力系统中的一个非常重要的任务，因此很有必要研究一些新技术以应对其中的问题。大量风力发电的并网过程需要对应用于电力系统的这一新技术进行电力系统影响分析。据此，某些国家已经制定了一系列的电网运行规范来满足风电场并网的需求。此外，带有大量风力发电的电力系统需要明确规范数个方面的问题，如风力发电并网运行的最佳技术、并网的最优数量和规模。目前，通过电力电子变换器，并网运行的变速风力发电机可以为电力系统提供无功功率。这种无功功率支持能力允许风力发电机参与常规同步发电机的无功功率辅助调节。然而，对于这种变速风力发电机的无功功率辅助调节功能的研究还较少。本书第 1 章介绍了不同国家电网运行规范要求。第 2 章介绍了应用于FACTS(柔性交流输电系统)中的各无功功率补偿装置，如静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)以及动态电压恢复器(DVR)。第 3 章简要介绍了风力发电机，其中分析了定速风力发电机和双馈感应发电机构成的风电场的无功功率管理和全功率变换器技术。第 4 章分析了电力系统无功功率管理的优化控制策略。此外，对于无功功率的优化管理而言，元启发式技术是一个很好的选择，这种算法包括了这些无功功率补偿装置的运行、分布和容量优化。在这些技术中，遗传算法由于简单且运算速度快脱颖而出。本书所提的优化策略不仅可以优化无功功率补偿装置的分布，而且可以优化管理各装置的无功功率以实现电力系统中不同负荷和供电情况下的功率平衡。前言 第 5 章简述了电压稳定性问题，这一问题在电力系统处于重负荷、故障或缺乏无功功率补偿情况下是非常严重的。作为解决方案之一，本章表明通过功率变换器接入电网的风力发电机可以为电力系统提供快速动态的无功功率，因此它们在电力系统中的优化配置可以减缓电压不稳定问题甚至可以防止电压崩溃。最后，第 6 章分析了带有大量风力发电的电力系统的无功功率管理优化带来的相关效益。本书对上述章节中所提方法的有效性进行了仿真验证，这些验证都是基于电网安全运行标准，并以实际电力系统为模型进行的仿真。目录译者序前言第 1 章 引言1 1.1 无功功率和电压稳定性1 1.2 电网对无功功率的规范要求2 参考文献7第 2 章 柔性交流输电系统装置8 2.1 静止无功补偿器(SVC)8 2.2 静止同步补偿器(STATCOM)11 2.2.1 运行模式11 2.2.2 控制方法12 2.2.3 运行限制条件13 2.2.4 STATCOM 在风电场中的应用13 2.3 STATCOM 与 SVC 的对比14 2.4 动态电压恢复器(DVR)15 2.4.1 DVR 控制15 2.4.2 数值结果17 2.4.3 定速机组风电场在电压跌落时无功功率的支撑21 参考文献24第 3 章 风力发电机26 3.1 风力发电机原理26 3.2 机械模型27 3.3 定速风力发电机28 3.4 双馈感应发电机29 3.4.1 双馈感应发电机的稳态模型30 3.4.2 输送到电网的有功功率31 3.4.3 输送到电网的无功功率31 3.4.4 双馈感应发电机传输功率极限31 3.4.5 双馈感应发电机的最大容量35 3.5 直驱式风力发电机37目录 3.5.1 直驱式风力发电机的发电容量38 3.5.2 PQ 容量40 参考文献43第 4 章 无功功率的优化44 4.1 潮流优化概述44 4.2 公式化44 4.3 限制条件45 4.4 基于电压稳定概念的模型46 4.5 目标函数的选择46 4.5.1 最小化可变成本47 4.5.2 可变成本和有功功率损耗最小化47 4.5.3 可变成本和燃料成本最小化47 4.5.4 与设定点偏离的最小化48 4.5.5 多目标方程48 4.6 解决无功功率规划的方法49 4.6.1 传统方法49 4.6.2 改进方法50 4.7 实例54 4.7.1 初始群体54 4.7.2 评估55 4.7.3 选择55 4.7.4 交叉操作56 4.7.5 突变57 4.7.6 新群体57 4.7.7 最终解58 参考文献59第 5 章 风电并网电力系统的电压稳定性61 5.1 电压稳定的定义和概念61 5.2 双母线电力系统的电压稳定62 5.3 风电场电压稳定的增强64 5.4 最优稳定电压66 5.5 案例研究68 5.5.1 IEEE-14 母线电力系统68 5.5.2 应用案例72 参考文献75 风力发电并网运行的无功管理第 6 章 无功功率管理77 6.1 无功功率规划77 6.1.1 目标函数77 6.1.2 现有的 140 母线系统结果79 6.2 多目标规划84 6.3 无功功率辅助设备86 6.3.1 低谷期电力需求和最大风力发电量87 6.3.2 低谷期电力需求和最小风力发电出力88 6.3.3 高峰期电力需求和最大风力发电出力88 6.3.4 高峰期电力需求和最小风力发电出力89 6.4 无功功率调度90 参考文献93附录94 附录 A 母线负荷数据94 附录 B 线路数据98第 1 章引言欧洲的有效能源管理，可再生能源的广泛应用与节能共同建立起了旨在减少温室气体排放和履行在联合国气候变化框架公约下批准通过的京都议定书的一些强制性的基础措施。这一系列的措施旨在到 2012 年以及随后几年中进一步减少温室气体排放1。据国际能源机构研究，风能到 2030 年将占有欧洲电能产量供应的 14，并且其对 2006 2030 年期间发电总量的贡献将达到 60。此外，该机构还表明直到2050 年风能都将会是被广泛开发的能源，达到每年高于 70000MW 装机容量。其中的 30将由海上风电场产生。这一评估是在多种可持续能源发展方案(如 BLUE方案)的背景下提出的，其主要目的是在 2005 2050 年里进一步减少温室气体排放，其中依靠风力发电减少 26。在考虑这个背景的前提下，指导性文件 2009 28 CE2的重点是聚焦在可再生能源的推广上，即到 2020 年年底欧盟各成员国的电能总消耗的 20 将由可再生能源提供。为了满足这一欧洲标准，该指导性文件为每个成员国设置了相应的目标。1.1 无功功率和电压稳定性由于电力需求的不断增加，电力系统的运行和操作工况正逐渐接近于其最大容量。由于受这样的电力系统运行条件的影响，在过去的几年中出现了许多电压稳定性问题，这些问题甚至导致了电压崩溃。例如，