大容量風電并網(wǎng)，給電力系統(tǒng)分析與控制帶來許多新的問題。故障后風電機組故障穿越，有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定，但是增加了分析計算的難度。 李生虎編著的《風力電力系統(tǒng)分析》針對風力電力系統(tǒng)，分析潮流、暫態(tài)穩(wěn)定、靜態(tài)穩(wěn)定和概率仿真中風電機組的建模及影響。計及風電機組結(jié)構(gòu)和變流器約束，提出擴展潮流模型，建立潮流靈敏度算法；計及繞組和變流器約束，采用優(yōu)化算法求解穩(wěn)態(tài)出力范圍。以內(nèi)電勢為狀態(tài)變量，提出同步電機精確電磁暫態(tài)模型；討論風電機組故障穿越和參與緊急控制方式。采用 Prony分析，提取風電系統(tǒng)振蕩特征參數(shù)；區(qū)分同步電機和感應電機，分類定義低頻振蕩模式；推導特征根高階靈敏度，以及降階系統(tǒng)特征值靈敏度；探討潮流收斂性與靜態(tài)電壓穩(wěn)定關系、電磁暫態(tài)模型中定子暫態(tài)和轉(zhuǎn)速變化的影響；給出風電系統(tǒng)概率評估算法，推導多狀態(tài)設備可靠性及其靈敏度算法。 《風力電力系統(tǒng)分析》可作為風電系統(tǒng)研究和運行調(diào)度人員的參考資料，也可作為高等學校研究生教材。
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李生虎編著的《風力電力系統(tǒng)分析》針對風力電力系統(tǒng)，分析了潮流、暫態(tài)穩(wěn)定、靜態(tài)穩(wěn)定分析和概率仿真中風電機組建模和影響。在穩(wěn)態(tài)分析中，計及風電機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)和雙饋變流器約束，采用擴展潮流模型、計算風電機組內(nèi)部參數(shù)，為穩(wěn)定分析提供初值；建立風電機組潮流分析靈敏度模型，計及繞組和變流器約束，采用優(yōu)化算法求解風電機組穩(wěn)態(tài)出力范圍；以內(nèi)電勢為狀態(tài)變量，采用矩陣運算，提出同步電機精確電磁暫態(tài)模型，討論了風電機組故障穿越和參與緊急控制的方式。書中采用Prony分析，提取風電系統(tǒng)振蕩特征參數(shù)，區(qū)分同步電機和感應電機、電磁暫態(tài)和機械暫態(tài)的狀態(tài)變量，分類定義低頻振蕩模式的參與因子。
第1章 風力發(fā)電概述
大規(guī)模可再生能源接入，給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來巨大沖擊和深遠影響。風力發(fā)電是一種主要可再生能源形式。以下介紹風電發(fā)展現(xiàn)狀和風電機組結(jié)構(gòu)，分析風電發(fā)展主要制約因素�；陲L電并網(wǎng)規(guī)程，討論風電機組和同步電網(wǎng)之間的相互影響。
1.1 風力發(fā)電簡介
能源利用形式從機械能轉(zhuǎn)化為電能，是工業(yè)革命過程的一個里程碑。有了電，就可以將能量大規(guī)模、遠距離輸送，驅(qū)動電機工作，建設高速高效生產(chǎn)流水線，為計算機、通信、網(wǎng)絡等現(xiàn)代科學技術提供必要基礎條件。
提起發(fā)電廠，人們印象里往往是高大結(jié)實的煙囪和冷凝塔，或者雄偉壯觀的攔河大壩。確實，目前絕大部分電力供應來自于火力、水力和核能發(fā)電。火電廠通過燃燒煤炭、石油、天然氣等化石能源，將水加熱成蒸汽，由汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。但是化石能源正在逐漸枯竭，二氧化碳排放造成的溫室效應日趨明顯，火力發(fā)電不能長久持續(xù)下去。水電廠在河流上游建設攔河大壩，利用水的高度落差，推導水輪機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。對于加拿大、巴西等少數(shù)國家，水電是主要能源利用形式。但是對其他大部分國家，可利用的水力資源受地理條件限制，并不豐富；而且大型水電開發(fā)，對環(huán)境、氣候和地質(zhì)條件的影響，一直還存在爭議。核能發(fā)電曾被認為是解決能源危機的有效方案。但是每一次核泄漏事故，都會加劇民眾對于核輻射的恐懼和抵制心理。部分歐洲國家已經(jīng)開始決定逐漸削減、并最終停止使用核電。
一次能源危機和環(huán)境保護，促使人類改變傳統(tǒng)能源利用形式，希望得到清潔無污染、可持續(xù)再生的能源，如風能、太陽能、潮汐能等［1~6］。這些可再生能源需要初期投資，但是無需燃料，運行成本遠低于火電，且比較安全。隨著制造成本降低和使用壽命提高，以及電價導向政策，新能源發(fā)電技術得到了廣泛重視和快速發(fā)展。目前很多國家制定了可再生能源規(guī)劃，希望在未來10~20年內(nèi)將再生能源占電能比例達到20%以上。由于經(jīng)濟、技術等制約因素，這些規(guī)劃未必能按期完成；但是從另一方面來說，新能源開發(fā)利用的最終目標，應是全部而非部分替代化石能源，因此其發(fā)展前景任重而道遠。
風力和光伏發(fā)電所利用的能量，本質(zhì)上都源于太陽光照。光伏發(fā)電核心技術包括半導體材料、化學電池以及電力變流技術等。在沙漠等人煙稀少地區(qū)，可以建設大容量太陽能電站。在城市中的住宅和廠房屋頂，只要有一定日照強度，就可以鋪設太陽能電池板，且對容量規(guī)模沒有明確限制�？梢栽O想，如果綠色建筑技術達到一定水平，采用新型光伏材料敷設民用建筑外表，將有可能實現(xiàn)居民用電的部分自給自足。
風力發(fā)電的工作原理，是利用風力機捕捉風的動能，將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能，然后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；其核心技術包括風力機材料、機械傳動、旋轉(zhuǎn)電機以及變流技術。風力發(fā)電需要風速達到一定數(shù)值以上，從經(jīng)濟性考慮需要風速常年較為穩(wěn)定，加上風力機的噪聲和視覺污染，大型風電場不大可能建在城市中心，一般都位于沙漠或近海等風能資源豐富、人類活動較少的地方。陸地風電場優(yōu)點在于建造、安裝和并網(wǎng)成本較低，運行維護容易。海上風場可以節(jié)約土地，風速大且穩(wěn)定。［7］
根據(jù)中國氣象局風能太陽能資源評估中心數(shù)據(jù)我國陸地技術可開發(fā)風能資源約為26.8億kW，在離岸20km的近海范圍技術可開發(fā)量，為1.8億kW，全國總技術可開發(fā)量為28.6億kW�？紤]到實際因素，可利用陸地風能8億kW，可利用近海風能1.5億kW，共計約9.5億kW。如果陸上風電年最大利用時間為2000h，每年可提供1.6萬億kW・h的電量；近海風電年最大利用時間為2500h，每年可提供3750億kW・h的電量，兩者合計約2萬億kW・h。折合為人均電量，可見風力發(fā)電在我國具有良好的發(fā)展前景。
目前在世界上大多數(shù)國家，風電、光伏等可再生能源占電能消費的比例仍然很低，但是發(fā)展很快，在一些國家建設速度甚至已經(jīng)超過了其他形式電廠。到2008年底，歐洲和全世界累計裝機達64.935GW和120.791GW，比2008年初分別增加14.89%和28.77%呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢（圖1.1）［8，9］。歐盟風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較早，但是世界上其他國家，包美國和中國等，風電建設極為快速，逐漸趕超歐盟。根據(jù)中國風能協(xié)會（CWEA）統(tǒng)計數(shù)據(jù)［10］中國風電裝機容量，2006年仍在世界前五之外，其后幾年都接近翻倍增長，到2009年名世界第二，僅次于美國。在甘肅、內(nèi)蒙古等省份，出現(xiàn)百萬千瓦容量的大型風電基地。更大容量的風電基地也正在規(guī)劃和建設中。括，底排，只要燃料充足、無設備故障，火電機組可達到或接近額定出力運行。風電機組出力受到風速影響，當風速低于額定風速時，不能按額定容量滿發(fā)。因此風電場最大發(fā)電小時數(shù)遠小于火電廠。風電占總發(fā)電電量的比例，也小于風電裝機容量比例。即便如此，風電已逐漸發(fā)展為一種不可忽視的能源形式。圖1.2給出2009年歐洲部分國家風電量占電量供應的百分比，其中丹麥高達20.3%其次是西班牙（12.3%）、葡萄牙（11.4%）、愛爾蘭（9.3%）和德國（6.9%）。我國2009國風電投資超過核電投資，與水電投資差距進一步縮小。2009年全國風電年利用小時數(shù)為2077，發(fā)電量為276.15億kW・h［11］，規(guī)模也較為可觀。
1.2 風電機組簡介
從結(jié)構(gòu)上，風力發(fā)電機組包括風力機、傳動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)電機，以及其保護和控制設備［12~14］。風力機將空氣動能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。風電技術涉及許多工程領域，如材料工程、機械工程和電氣工程等。在電氣工程領域，主要包括電機、電力電子與電力傳動、電力系統(tǒng)三個技術領域，而風力機防雷保護還涉及高電壓技術。
風力機可采用水平軸或者垂直軸，大部分為水平軸，有兩個或三個葉片，固定在輪轂上。風力推動葉片旋轉(zhuǎn)，帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)。然后通過低速傳動軸、增速齒輪箱、高速傳動軸，將機械能傳遞給旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子，使其旋轉(zhuǎn)發(fā)電。受機械特性限制，風力機葉片轉(zhuǎn)速ωt一般不超過20~30r／min。機組容量越大，風力機額定轉(zhuǎn)速越低［15，16］。當電網(wǎng)額定頻率為50Hz，發(fā)電機額定電角速度為3000r／min。若取極對數(shù)p＝2，則電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr的額定值為1500r／min。因此，除了通過變流器與交流電網(wǎng)連接的直驅(qū)機組外，其他風電機組都需要采用齒輪箱增速，增速比為η＝ωr／pωt，以達到電機額定轉(zhuǎn)速。
風電機組中機電能量轉(zhuǎn)換，由感應電機或同步電機實現(xiàn)。感應電機結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實便宜，以前主要用于工業(yè)負荷驅(qū)動，最近20年在風力發(fā)電中得到廣泛應用。采用鼠籠式感應電機直接并網(wǎng)時，風力機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍極為有限，由電網(wǎng)頻率、變速箱變比、感應電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定，恒速恒頻風電機組稱為恒速恒頻機組。為降低啟動涌流沖擊、降低輸電回路電壓降落，往往采用由反向并聯(lián)晶閘管組成的軟啟動器并網(wǎng)。并網(wǎng)以后旁路軟啟動器，以降低損耗。
在不同風速下，風力機實現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）的最優(yōu)轉(zhuǎn)速不同，因此恒速恒頻風電機組控制有功能力有限。可以通過改變齒輪箱變比或電機極對數(shù)，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。當風速過大時，可以采用失速控制和槳距角控制，調(diào)整有功功率輸入。感應發(fā)電機在發(fā)出有功功率的同時，將消耗無功功率，因此需要采用固定或可控并聯(lián)無功補償。快速風速擾動將轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩和功率波動，對電網(wǎng)運行造成沖擊。
雙饋感應電機是一種變速恒頻機組，轉(zhuǎn)速部分可控（圖1.4）�？紤]到大容量變流裝置的成本，雙饋電機折衷考慮運行控制靈活性和經(jīng)濟性因素。它采用繞線轉(zhuǎn)子式電機，用背靠背（B2B）變流器改變勵磁電流幅值、頻率、相位。通過改變勵磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。在負荷突變時，改變電機的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子動能，部分抵消負荷擾動，降低對電網(wǎng)擾動。在不同風速下，雙饋機組可以次同步或超同步轉(zhuǎn)速運行，轉(zhuǎn)速變化范圍較寬。雙饋機組機端可以按恒功率因數(shù)運行，即有功功率由風速決定，無功功率與有功功率成正比。當變流器容量足夠大時，在一定運行條件下，雙饋機組甚至可以用于維持端電壓幅值恒定。
直驅(qū)型風電機組采用繞線轉(zhuǎn)子式感應電機或永磁式同步電機（圖1.5），采用背靠背變流器與電網(wǎng)直接相連。由于變流器之間存在直流環(huán)節(jié)，發(fā)電機定子頻率無需跟蹤系統(tǒng)頻率，因此理運行范圍最寬，適用于大容量風電機組。
從風電發(fā)展趨勢來看，新增大型風電機組中少見恒速恒頻類型，而直驅(qū)型機組又在逐漸取代雙饋機組的主導地位。但是由于大規(guī)模風力發(fā)電歷史很短，很多過去安裝的風電機組還遠沒有達到使用壽命，從投資者角度來說，不可能馬上淘汰。因此，各種風電機組并存，是目前不得不接受的實際現(xiàn)狀�？紤]到不同廠家風電機組設計標準不同，并且隨著電力電子器件和控制技術的發(fā)展，控制策略也將發(fā)生變化。各個國家的風電機組并網(wǎng)標準、寬嚴程度也各不相同，需要時間逐漸趨同統(tǒng)一。合理分析、協(xié)調(diào)控制不同類型風電機組，有利于風電系統(tǒng)安全運行和風電事業(yè)健康發(fā)展。
1.3 風力發(fā)電制約因素
大型風電場一般建在荒漠或近海等遠離城市的地方，所發(fā)電力不是滿足本地負荷，而是通過交流或直流線路，輸送至主電網(wǎng)和負荷中心。由于風速快速波動性，風電電能質(zhì)量較差，被視為一種較不可靠能源形式，需要電網(wǎng)平抑波動、平衡供需關系。因此，大規(guī)模風力發(fā)電一般以傳統(tǒng)網(wǎng)架輸電、以傳統(tǒng)同步電機或大容量儲能設備為備用�，F(xiàn)有電力系統(tǒng)中潮流控制、保護控制、功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、低頻振蕩等問題，風力電力系統(tǒng)同樣不能避免。風電系統(tǒng)另一個特點是，感應電機與同步電機工作原理、控制方式、穩(wěn)定特性等都有一定差異。感應電機轉(zhuǎn)速不受同步機組間功角穩(wěn)定約束。在調(diào)頻控制時，輸入量不再是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而是定子頻率。大規(guī)模風電穿越，給電力系統(tǒng)運行安全提出許多新的問題，諸如：
（1）風電機組運行控制建模。與同步發(fā)電機相比，風電機組建模的區(qū)別在于引入風力機和變流器的運行控制特性。風電機組運行控制的基本目的是，使其實現(xiàn)最大功率跟蹤或按調(diào)度指令降出力運行。通過變流器參數(shù)調(diào)節(jié)，解耦控制有功和無功出力，使損耗最少且運行靈活。不同類型的風電機組，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程建模具有自己的特點。例如，對于恒速恒頻感應電機，其機端有功由風速確定，無功由有功和端電壓確定。對于雙饋和直驅(qū)型機組，機端作為恒PQ或PV型節(jié)點，但其可控范圍受到繞組及變流器限制。雙饋電機在小擾動和故障沖擊時，可能使用不同于正常運行方式的故障穿越策略。風電機組穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程建模是風力電力系統(tǒng)分析和控制的前提和基礎。
（2）風電系統(tǒng)輸電規(guī)劃和建設。就地平衡的小型風電場，無需過分關注輸電問題。對于大型陸地和海上風電基地，往往距離負荷中心很遠，需要將風電機組出力集中，升壓后通過高壓線路遠距離輸電。在我國，規(guī)劃中的風電基地大多位于西北地區(qū)，受電負荷主要位于東部地區(qū)。合理的輸電方案有利于風電建設，避免窩電現(xiàn)象。同時，輸電電壓等級較高時，輸電阻抗較小，相當于風電場與遠方同步電機電氣距離更近一些，這樣可以增加風電場在風速擾動和電網(wǎng)故障后的恢復能力。
（3）風電調(diào)度和調(diào)頻方案設計。風電機組出力由隨機變化風速決定�，F(xiàn)有預測技術對電力負荷誤差很小，但對風速誤差較大。利用時間和空間氣象預報，可以進一步提高預測精度。但是即使可以精確預測風速，由于風電波動與負荷曲線不重合，將給電網(wǎng)調(diào)度帶來很大壓力。同步發(fā)電機可以提供平抑風電功率波動的備用容量，不過僅作為備用運行，其經(jīng)濟性很難為投資者所接受。儲能裝置如蓄電池、超級電容、飛輪等，理論上可以提供調(diào)頻手段，但是限于制造技術，容量相對電網(wǎng)來說非常有限，不足以消峰填谷。抽水蓄能電站通過高、低水庫間勢能和電能轉(zhuǎn)換，可以提供一定調(diào)頻能力。但是水庫建設及高度落差，在沙漠和近海地區(qū)都不易實現(xiàn)。電動汽車和電解氫氣在風電過剩時消耗多余電力，在電能不足時向電網(wǎng)反饋電力，或可成為一種潛在的調(diào)峰方式［17］。另外，風電機組有計劃的降出力運行，可以提供部分備用容量。
（4）大容量風電對電網(wǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響。國內(nèi)外電力行業(yè)曾經(jīng)接受的風電穿越功率比例，一般不超過20%否則認為可能引起電網(wǎng)安全問題。丹麥最近幾年的風電電量比例均超過20%。由于網(wǎng)結(jié)構(gòu)和有功備用方案較為合理，并沒有出現(xiàn)嚴重的電網(wǎng)事故。我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和規(guī)模與丹麥存在較大差異。考慮風電基地和負荷中心距離、風電基地容量和同步電網(wǎng)規(guī)模，有必要精確量化大規(guī)模風電功率對風力電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性的影響。
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