国际电气工程先进技术译丛 风力发电并网及其动态影响.pdf

国际电气工程先进技术译丛风力发电并网及其动态影响（美）V i j a yV i t t a lR a j aA y y a n a r 著周京华 陈亚爱 译机 械 工 业 出 版 社?、?、?-?-?、?、?-?-?-?、?-?、?、?-?、?-?。?-?、?-?、?、?、?、?、?、?-?-?-?-?、?、?-?-?-?-、?-?-?-?、?、?-?-?、?-?、?、?-?-?、?-?。?-。?译 者 序风能是自然产生的取之不尽、用之不竭而又不会产生任何污染的可再生资源。它是空气流动作功而提供给人类的一种可利用的能量，因此被人们广泛应用。由于科学水平的进步，以及风能自身清洁、环保的特点，风能被应用到发电行业。过去的十年里，基于风能的可再生能源发电量的增长速度越来越快，这主要得益于变速风力发电机在技术上的不断进步，其中包括双馈异步风力发电机和配有全功率变换器的永磁同步风力发电机。风电技术的发展直接推动了全球范围内与电网互联的风电场数量的增长；同时，也激发了人们研究、分析风力发电在电力系统中渗透率升高对互联电网的稳态性能和动态性能的影响的兴趣。本书对风力发电并网系统关键技术及其电力系统的动态影响进行了详细的介绍，主要内容包括电力电子技术基础、几力并网电力电子变换器拓扑结构、风力发电机控制技术、风力发电机动态模型、双馈异步风力发电机渗透率上升对系统动态性能的影响，双馈异步风力发电机对系统频率响应的影响，重点关注了风力发电在电力系统中渗透率升高对互联电网的稳态性能和动态性能的影响。本书适合从事风力发电系统研究的科研工作人员和企业研发人员阅读，同时可作为新能源专业的高年级本科生、研究生和教师的参考用书。本书第13章由陈亚爱教授翻译，第46章由周京华教授翻译。全书由周京华教授统稿。本书的翻译及出版得到2 0 1 4年北京市自然科学基金项目、2 0 1 2年北京市优秀人才项目、2 0 0 9年北京市科技新星计划资助。由于时间仓促加之经验不足，书中译文难免存在不妥之处，请读者谅解，并提出宝贵意见。译者2 0 1 4年4月原 书 前 言在过去的十年里，基于风能的可再生能源发电经历了一个重要的复苏历程。这主要得益于变速风力发电机在技术上的不断进步，其中包括双馈异步风力发电机和配有全功率变换器的永磁同步风力发电机。这些风力发电机的有效利用在很大程度上是由于电力电子变换器技术的发展。这些变换器不仅可以实现发电机的变速运行，还能提供更多的电网支撑功能。风电技术的发展直接推动了全球范围内与电网互联的风电场数量的增长；同时，也激发了人们研究、分析风力发电在电力系统中渗透率升高对互联电网的稳态和动态性能的影响的兴趣。理解、深入分析这种影响的必要性促使人们密切关注不同类型的风力发电机模型的发展，并把这些模型纳入到分析工具中。现代风力发电机是非常复杂的设备。考察它们对系统的影响，必须仔细研究风力发电机及相关的控制方法。为了达到这一目标，需要更加深入地理解与风力发电机相关的关键技术内容，包括风力发电机的机械和动态特性、发电机的电气和动态特性、电力电子变换器的特性及相关的控制方法。本书作者与他的同事、学生密切关注了风电渗透率上升对系统性能的影响。其他研究人员也对这一领域做出了重大的贡献。我们编写本书的目的在于将以下内容呈献给读者：各类风力发电技术的重要特征、电力电子变换器及相关控制方法的详细情况、风力发电机对电网系统动态性能影响的综合讨论。我们希望本书能为读者理解风电技术及其对系统性能的影响打下良好的基础。最后，在此衷心感谢研究生们对我们的帮助，尤其感谢Y o u y u a nJ i a n g、S i d d h a r t hK u l a s e k a r a n和D u r g aG a u-t a m为我们提供了大量的插图和仿真结果，感谢S u n a n d aV i t t a l为本书所做的认真仔细的校对工作。V i j a yV i t t a lR a j aA y y a n a r美国亚利桑那州坦佩市，2 0 1 2年2月目 录译者序原书前言第1章 绪论1 1.1 风力发电概述1 1.2 风力发电机技术3 1.2.1 型风力发电机3 1.2.2 型风力发电机4 1.2.3 型风力发电机4 1.2.4 型风力发电机5 1.3 型风力发电机分析及建模6 1.3.1 次同步转速下双馈异步发电机作发电机运行7 1.3.2 超同步转速下双馈异步发电机作发电机运行8 1.3.3 风力发电机功率模型8 1.3.4 机械传动链模型1 0 1.3.5 双馈异步发电机模型1 0 1.4 型风力发电机的控制1 2第2章 电力电子技术基础1 4 2.1 电力电子变换系统的组成1 4 2.1.1 反馈控制器1 5 2.1.2 脉宽调制器1 5 2.1.3 电力电子变换器电路拓扑1 6 2.1.4 具有外部电力系统和负载的直流环节与接口1 7 2.2 基本功率转换单元分析1 7 2.2.1 开关信号和占空比1 8 2.2.2 基本功率转换单元的PWM1 9 2.2.3 变换器输出电流和直流环节电流分析2 2 2.2.4 基本功率转换单元的平均模型2 3 2.3 单端输出变换器2 4 2.4 双端输出变换器2 9 2.4.1 双端输出变换器的平均模型2 9 2.4.2 单极性PWM2 9 2.4.3 单极性PWM的高频纹波3 2 2.5 适用于三相应用的三端输出变换器3 5 2.6 其他变换器拓扑结构和PWM方法3 9第3章 用于风力发电并网的电力电子变换器拓扑结构4 1 3.1 变速运行和电网支持要求4 1 3.2 用于双馈异步发电机的电力电子变换器4 2 3.2.1 变换器的控制目标4 3 3.2.2 电力电子变换器的额定值4 3 3.2.3 电网故障期间的保护4 4 3.3 用于型风力发电机的电力电子变换器4 5 3.3.1 电网故障时的性能和其他电网支持特性4 6 3.4 其他新型电力电子变换器的拓扑结构4 7第4章 风力发电机控制技术4 9 4.1 双馈异步风力发电机控制系统概述4 9 4.2 双馈异步发电机单相等效电路的稳态分析5 0 4.2.1 单相等效电路的建立过程5 0 4.2.2 不同转子电压的角速度-转矩特性5 4 4.2.3 不同风速和转子转速下的稳态分析5 5 4.3 双馈异步发电机的动态分析和控制器设计6 2 4.3.1 转矩或有功功率和无功功率的参考值6 3 4.3.2 电网电压定向控制6 5 4.3.3 转子d轴和q轴的电流参考值6 6 4.3.4 转子电流回路的控制器设计6 7 4.3.5 网侧变换器的控制6 8 4.3.6 仿真结果7 2第5章 风力发电机动态模型7 6 5.1 引言7 6 5.2 用于功率分析的风力发电机建模7 6 5.3 用于瞬态稳定性分析的风力发电机建模7 8 5.3.1 空气动力学模型7 9 5.3.2 机械控制和主轴动态特性8 0 风力发电并网及其动态影响 5.3.3 发电机特性8 0 5.3.4 电气控制8 1 5.3.5 型风力发电机的通用模型8 1 5.4 风电场的表示8 4第6章 双馈异步风力发电机渗透率上升对系统动态性能的影响8 8 6.1 引言8 8 6.2 渗透率上升对转子角度稳定性的影响8 8 6.2.1 对小信号转子角度稳定性的影响8 8 6.2.2 小信号稳定性问题的公式化表示8 9 6.2.3 特征值灵敏度9 1 6.2.4 对小信号转子角度稳定性的影响 实例分析9 2 6.2.5 对瞬态转子角度稳定性的影响9 5 6.2.6 对瞬态转子角度稳定性的影响 实例分析9 6 6.3 渗透率上升对电压响应和稳定性的影响9 9 6.3.1 双馈异步风力发电机的运行模式9 9 6.3.2 电压穿越1 0 0 6.3.3 双馈异步发电机的功率容量曲线1 0 0 6.3.4 双馈异步风力发电机对稳态电压稳定性的影响1 0 2 6.4 双馈异步风力发电机对系统频率响应的影响1 0 3 6.4.1 双馈异步风力发电机提供的频率支持1 0 4 6.4.2 桨距补偿调整1 0 5 6.4.3 最大功率序列调整1 0 5 6.4.4 辅助惯性控制效果示例1 0 5参考文献1 0 9目 录 第 1 章绪论1.1 风力发电概述在过去的几年里，风力发电的发展速度在美国和世界各地都持续超过了预期目标，打破了一连串的年度记录。仅 2009 年美国新增风电装机容量就达 10GW，比 2008 年的风电装机容量提高了 20%，占 2009 年新增总装机容量的 39%1。如图 1-11所示为将实际风电装机容量与 2030 年风电可满足全国 20%用电需求的发展规划2叠加在一起的对比图。由图 1-1 可见，过去四年里的实际增量和 2010 2012 年的年度计划增量均远远超过了发展计划。图 1-1 实际风电装机容量与 2030 年计划风电占有率达到 20%设定的发展规划的对比1增长速度尽管在2010 年如预期的那样有所放缓，但预计2011 年和2012 年的风电装机容量将再度飙升。在北美电力可靠性公司（North American Reliability Corporation，简称NARC）发布的未来10 年规划里，计划新增风电装机容量达到了210GW3，再次超过了之前计划的增量 2030 年新增总量 300GW，渗透率达到 20%。即使是现阶段，一些地区已经达到了很高的风电渗透率，如爱荷华州总发电量的19.7%来自于风能，其系统内风电渗透率超过10%的公共电网估计多达9 个。来自各类国际标准化组织（International Organ-ization for Standardization，ISO）的互联队列和公共电网的聚合数据也证实了风电的重要性及其持续增长的事实。2009 年33 个互联队列的发电资源对比结果如图 1-2 所示，可以看出，来自风能的发电量远远超过了其他发电资源1。图 1-2 2009 年 33 个不同互联队列显示的包括风能、太阳能等不同发电能源对应的装机容量1一些国家正在积极采取措施大力开拓风电市场。根据全球风能协会（Global WindEnergy Council，简称 GWEC）发布的消息，截至 2009 年底，全球风电装机容量的总和超过了 157.9GW，增加了 31%4。中国在 2008 年的总装机容量为 12.1GW，2009 年增加了 100%以上，达到了 25.1GW（新增装机容量为 13GW），这使其成为新型风电装置的最大市场。2009 年美国新增近 10GW 的风电装机容量，占全球风电总装机容量的22.3%，在风电领域内仍领先于其他国家。紧随其后的国家分别为中国、德国、西班牙，它们的风电装机容量分别为25.8GW、25.77GW 和19.14GW。鉴于风电渗透率在美国和世界范围内的其他国家都在不断增高，深入研究高风电渗透率对电力系统的性能及可靠性的影响具有非常重要的意义。大规模的风能资源已被接入到大容量输电系统中，成了风能输送至负载的主要手段。大多数现有的风力发电机都采用异步发电机进行发电。与传统的同步发电机相比，这意味着转子的磁通矢量不再取决于转子的物理位置，也不会存在同步转矩角5。风力发电机的这一特殊性，再加上风力资源的可变性，使得理解、评价风电在电力系统中渗透率的升高对系统性能的影响更加复杂，需要考虑的因素更多。按照风力发电机采用的技术，可将其分为定速或变速两类。定速风力发电机直接与电网系统连接在一起，变速风力发电机则通过电力电子设备与电网相连。变速风力发电机具有机械结构应力较小、噪声低、可实现有功功率和无功功率独立控制等优点。目前风力发电获得大范围的应用，这在很大程度上取决于额定容量为 1.5 5MW 大型风力机的出现。现代大型风力机均采用变速发电技术，通常都包含变桨距控制系统和一台双馈异步发电机（Doubly Fed Induction Generator，简称 DFIG）或永磁同步发电机（Perma-2风力发电并网及其动态影响nent Magnet