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大型海上风电场接入方案及对电网稳定性电力工程影响研究

时间:2018-10-06 22:03来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力工程可承担单项合同额不超过企业注册资本金5倍的单机容量10万千瓦及以下的机组整体工程、110千伏及以下送电线路及相同电压等级的变电站整体工程施
本文是一篇电力工程论文,电力工程可承担单项合同额不超过企业注册资本金5倍的单机容量10万千瓦及以下的机组整体工程、110千伏及以下送电线路及相同电压等级的变电站整体工程施工总承包。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
能源是基础,决定着经济与社会的发展。但是,经济的可持续发展与利用能源后所带来的环境问题息息相关。因此,如何使清洁能源得到开发和利用已成为大势所趋。在清洁能源中,风能是一种取之不尽,无任何污染的可再生能源。据世界风能理事会统计,2011 至 2015 年期间,我国风电装机容量平均年增长率 31.06%,如图 1-1 所示。2015年,我国总装机容量突破 1200 千瓦,仅 2015 年一年全球新增风电装机容量 340 万千瓦,如图 1-2 所示。其中,英国是全球最大的海上风电场,约占全球总装机容量的 40%,德国是全球第二大海上风电厂国家,约占 27%的份额,中国拥有除欧洲之外最大的海上风电场,约占全球总装机容量的 8.4%。从我国的地理位置和地形条件来说,我国风能资源十分丰富,狭长的海岸线为我国发展风能提供了便利条件。但是,我国的海上风电项目由于海况的特殊以及台风等恶劣天气的影响而不断受到挑战。海上风电的发展速度与规模相比较其发展时间来说是十分迅速的,瑞典的 Nogersund在二十世纪九十年代安装了世界上第一台海上风电机组。在接下来的几十年中,世界在研究大型海上风电场建设及相关层面取得突破性进展。2018 年 1 月,国内最大单机容量海上机型 GW171—6.45 在江苏并网运行。
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1.2 研究内容
本文在研究海上风电场的建模仿真时选择的是 DigSilent 软件工具,针对直驱永磁同步电机,其主要工作如下:1.首先搭建仿真平台,包括硬件模型与控制模型;然后在计算分析此模型在扰动过程中的特性时采用 IEEE 标准算例。这样,从风机低电压穿越问题入手,分析影响海上风电场安全稳定的因素,包括电压与频率,同时做出改进。2.对通过柔性直流输电技术并网风电场进行仿真,研究了其故障特性,并分析柔性直流输电技术并网风机的低电压穿越问题,对比分析了两种并网方式对系统稳定性的影响。3.为评价海上风电场并网方式,分析了风电场不同并网方式下接地阻抗及短路容量对系统稳定性的影响程度,并分析了在风速不同的条件下,对电力系统备用容量的影响,从多个角度评估风电场并网方案。
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2 交流送出系统无功及电压问题研究
 
伴随着海上风电规模化的发展趋势,风电场的无功电压调节及其与接入系统间的无功电压协调控制问题受到广泛关注。目前,针对风机及风电场的电压控制方面已得到了丰硕的研究成果,但并网系统的无功电压问题仍需深入研究。海上风力资源分布存在明显的特殊性,一般远离海岸线,与电网之间的电气联系薄弱,且风电场接入的电网大多是地区负荷性质的配电网,地方电源较少,电压支撑能力不强【21-22】。另外,海上风电大多通过电缆送出,带大电容的海底电缆会产生较大的对地电容电流,造成线路电压大幅下降,由于供电系统电压偏差一般控制在 10%以内,电压的静态约束已成为限制风电送出的重大原因。由于系统电压的偏差严重影响电网的输送容量,因此本章内容针对海上风电交流送出系统的静态电压问题进行了分析,并提出无功补偿方案。
 
2.1 无功电流对系统电压的影响
海上风电场在交流输送时必须用 35kV 的海底电缆连接大陆电网,电缆与普通线路相比,对地电容较大,故海底电缆会产生较大的对地电容电流,产生高输电损耗,因此需对电缆的相序参数进行分析研究【23-24】。不同的连接及接地方式下海缆的相序参数不同,分别对其进行分析如下:
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2.2 交流送出通道的无功配置研究
为了保证风电场电压的稳定,风电场内会配置相应的无功设备或采用相应的风机控制策略。为了保证整个交流送出系统的稳定性,则考虑在送出通道上增加无功补偿装置,本部分采用了两种补偿方式:一端补偿和两端同偿,分别对其进行分析研究【25-26】。电力系统无功电压调控配合,在目前还存在着电网长短期状态并存,受制于空间和空间特性因素所影响的多种因素共同决定的一些问题。需要对均衡调控的目标进行必要的分析选择,能够使其体现关于调控配合的实质,在均衡适配变量的选取上,应当考虑可操作性与可观测性。调控原则和调控策略须和其实际运行中的规程相匹配,其模型等值得根据需要调整精度。综合 2.2 节所述内容,交流输送中,海上风电场需要用一定电压的电缆和大陆的电网连接,这就使得具有大电容的海底电缆,会产生比较大的对地电容电流【29-30】。海缆的充电功率相比架空线大很多,限制过电压和无功补偿矛盾突出。相对于抑制电容效应的效果,二端同补比一端补偿更好,它的补偿容量越大,效果也更佳。当容量高抗补偿相同的情况下,风电场出力的增大会导致相对电容效应系数会减小,所以说对海缆线路的高抗补偿,应在风电场空载的情况下进行考虑,然后根据风电场在空载时的 K-Q 曲线,按照 K 的值,选择正确的电抗进行无功补偿容量。
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3 海上风电交流并网故障特性及其穿越研究........... 15
3.1 海上风电交流并网典型模式及相关数学模型..... 15
3.2 海上风电交流并网故障特性分析....... 17
3.2.1 电网模型及故障类型........ 17
3.2.2 三相短路过程仿真分析.... 18
3.3 海上风电交流并网方式下故障穿越及其稳控策略分析....... 19
3.4 小结.......... 27
4 海上风电直流并网故障低电压穿越研究...... 29
4.1 基于 VSC-HVDC 方式并网网络拓扑及相关数学模型 ........ 29
4.2 基于 VSC-HVDC 方式并网的海上风电场故障特性分析 .... 36
4.3 基于 VSC-HVDC 方式并网的海上风电场故障穿越及其稳控策略 ...... 38
4.4 小结.......... 43
5 大型海上风电场接入方案评估技术研究...... 45
5.1 交/直流系统运行维护成本对比分析........... 45
5.2 交/直流系统设备造价与建设成本对比分析........ 55
5.3 小结.......... 58
 
5 大型海上风电场接入方案评估技术研究
 
为定量评估大型海上风电场接入方案,本文针对交、直流接入方案,开展海上风电场不同接入方式下技术经济分析,从输电系统运行维护成本以及设备造价与建设成本上进行分析,综合比较分析海上风电场经不同并网方式下的技术经济性。
 
5.1 交/直流系统运行维护成本对比分析
 
5.1.1 基于备用容量的海上风电场运行维护成本分析
生产、传输、消费电能的三个过程同时进行是电力系统的基本特点,向电力用户输送连续、稳定且优质的电能是电力系统的首要任务,但电能的特点是难以储存,并且用电能需求与负荷预测曲线并不相符,围绕其上下波动,同时发电机组也有一定的强迫停运率,故对于计划外的负荷需求,电力系统要保证有充足的备用容量进行应对。备用容量是指在电力系统达到负荷预测之外,为向用户提供较好的电能质量和实现系统安稳运行而储备的有功容量。风能所特有的随机性、间歇性与不确定性不仅增加了系统运行的风险,同时对辅助服务的需求有所提高。为了提高风电并网后系统运行的稳定性,在原运行模式的前提下,需要设置一定的旋转备用容量来应对风电输出功率的波动性,从而保证电力系统运行的稳定性和可靠性【53-54】。对于多电源的电力系统,其备用容量的分配方式有很多种,水电、具有调节能力的常规火电、抽水蓄能电站及燃气电厂均可以担任系统旋转备用的角色为便于分析对比不同风电接入方案的经济性,本文假定不同接入方案所需的系统备用容量均由同样的厂站提供。因此单位兆瓦的备用容量所需的运维成本一致,不同接入方案的经济性可由其所需的备用容量大小确定。因此本文采用不同接入方案所需备用容量来评估其经济性【55-56】。海上风电场备用容量研究相对较少,本研究中,将陆上风电场备用容量分析中的相关数据进行折算,用以对海上风电场备用容量进行计算,以对海上风电场并网方式进行评价。
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总结
 
本论文围绕海上风电场的接入方式及其特性进行了研究。通过在 DIgSILENT/PowerFactory 仿真平台中搭建海上风电场风电机组及接入电网模型,分析了交流输电线并网与柔性直流输电线并网两种方式下的故障特性及其并网稳定性,并从系统损耗、建设成本等方面对交/直流并网方案进行了综合评估分析。研究表明:
(1)海上风电场通过交流输电线路接入电网时,需要考虑扰动或故障过程中风电机组的低电压穿越能力,以及由于海底电缆对地电容较大引起的电网侧过电压问题。前者可通过附加直流电压耦合控制器改变变流器控制策略实现,后者则通过电抗器及线路两端 SVC 等无功补偿装置的相互配合加以解决。
(2)海上风电场通过直流输电线路接入电网时,需要考虑扰动或故障过程中风电机组的低电压甚至零电压穿越能力。单一使用一种控制策略较难实现风电机组的零电压穿越,但通过几种控制策略的相互配合使用,可以保证直流接入方式下海上风电机组在面临最严重的三相短路故障时仍能够不脱网安全运行。
(3)海上风电场接入方案的技术经济性涉及输电系统损耗、运行维护、设备造价以及建设成本等各个方面。由于直流接入方式的输电损耗远小于交流接入方式,其输电能力较强,且当输电距离较远时,直流接入方式建设总成本将会低于交流并网方式,因此对于远海风电场,应考虑通过(柔性)直流输电线路接入电网运行;而对于近海风电场,由于直流接入方式需要建设成本较高的换流站,此时应根据海上风电场接入方案的实际情况,从系统损耗、输电距离等各方面综合考虑,以选取经济性较高的接入方案。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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