大规模风电远距离接入电网的输电能力评估-刘杨.pdf

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1、国内图书分类号：TM711国际图书分类号：6213硕士学位论文学校代码：10079密级：公开大规模风电远距离接入电网的输电能力评估国家自然科学基金项目(50877027)资助硕士研究生：导 师：申请学位：学 科：专 业：所在学院：答辩日期：授予学位单位：刘杨周明教授工学硕士电气工程电力系统及其自动化电气与电子工程学院2013年3月5日华北电力大学Classified Index：TM71 1UDC：6213Thesis for the Master DegreeAssess ment on Total Transfer Capability of PowerSystems with Remot

2、ely Connected Large-Scale WindFarmsFunded by National Natural Science Foundation of China(50877027)Candidate：Supervisor：School：Date of Defence：Degree-Conferring-Institution：LiuYangProfZhou MingSchool of Electfical and ElectronicEngmeermgMarch 5，2013North China Electric Power University华北电力大学硕士学位论文原创

3、性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大规模风电远距离接入电网的输电能力评估，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 1奢劢 日期：加l年弓月“日华北电力大学硕士学位论文使用授权书大规模风电远距离接入电网的输电能力评估系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全

4、了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“4“)：保密口，在 年解密后适用本授权书不保密函作者签名： 知拘 日期：如I弓年弓月“日导师签每二子f飞 日期：hl，年多月二莎日华北电力大学硕士学位论文摘 要随着我国大型风电基地的建设加快，由于当地电网负荷有限，

5、经常有“窝电”现象发生。这一问题的可行解决方案是将该地区风电汇集后经远距离输电通道外送至电网负荷中心进行消化，由此产生大规模风电远距离接入电网的问题。大规模风电经远距离接入电网后，输电能力(TTC)的计算将与以往有所不同，体现在以下方面：1)由于风电机组相对较弱的无功电压调节能力，大规模风电远距离接入后对系统电压稳定影响较为突出，为保证TTC计算结果的可靠性需要考虑静态电压稳定约束条件，采用适合的计算方法；2)需要考虑系统中随机性因素如风速波动、元件故障等的影响，进行TTC概率评估；3)除采用常规交流输电外，还将采用直流输电进行大规模风电外送，需要提出相应的TTC计算方法。本文首先对普通异步风

6、电机组和双馈感应式风电机组两种主流机型分别采用相应简化功率模型，建立了风电场的功率模型。接着针对大规模风电经远距离接入后系统TTC计算需要考虑静态电压稳定约束的要求，采用基于连续潮流的方法，详细叙述了风电场接入电网后TTC计算的具体过程。随后考虑系统中随机性因素的影响，利用蒙特卡洛仿真方法进行TTC的概率评估，并选取了一系列评估指标对计算结果进行分析。最后在对风电经交流输电接入电网的研究基础上，结合风火打捆输送方式对风电经直流输电通道接入的TTC计算方法进行探索，建立了相应TTC计算模型。引入直流输电通道后，TTC计算需要解决交直流混合系统潮流计算问题，本文对常规连续潮流方法进行修改以实现交直

7、流系统TTC求解。实例分析所得结论可为系统规划及运行提供参考。关键词：风电场；最大输电能力；概率评估；直流输电华北电力大学硕士学位论文AbstractWith the construction of ChinaS large wind farm base speeding up，due to the limitedpower load of local grid，the wind power cant be digested effectivelyThe feasiblesolution is to send the wind power to the load center directly

8、 through transmigsion path，which leads to the issue of large-scale wind farms connected to the grid through longdistanceUnder the new issue，total transfer capacity(TTC)calculation will be differentwith before，which is reflected in the following aspects：1)due to the relatively weakability the wind ge

9、nerator has in reactive powervoltage control,large-scale wind poweraccess will influence the system vokage stability more prominently，therefore the staticvoltage stability constraints need to be considered in TTC calculation；2)random factorssuch as wind speed change and equipment failure need to he

10、considered in TTCprobabilistic assessment；3)besides the conventional AC path,the DC path will also beused in wind power delivery,the TTC calculation method through DC path need to bestudiedAt first the model of asynchronous wind generator and doubly-fed wind generator isused to set up the wind farm

11、power output modelIn consideration of voltage stabilityconstraints，the method based on continuous power flow is used to calculate TTC in thispaperAfter that to deal with the influence of random factors，the Monte Carlo simulationmethod is used to do TTC probabilistic assessment for system with wind f

12、armsAt last，the TTC calculation method for wind power conveyed through HVDC path is exploredCombined with the windfire bundling technology,a TTC calculation model is set up andmodified CPF algorithm is used to solve the modelThe results of case analysis Canprovide useful reference for system plannin

13、g and operation；Keywords：wind farm,total transfer capacity,probolistic assessment，direct currenttranmissionIl华北电力大学硕士学位论文目 录摘 要IAbstractII第l章绪论l11选题背景及意义l12输电能力的基本概念213课题研究现状3131 TTC计算方法的研究现状3132考虑电压稳定约束的，丌C计算研究4133考虑风电接入的TTC计算研究5134交直流系统TTC计算研究514本文的主要工作6第2章考虑静态电压稳定约束的TTC计算721概述722风电场模型8221并网风电机组类型

14、8222风电机组功率模型8223风电场功率模型lO23 TTC计算模型10231目标函数10232等式约束条件lO233不等式约束条件1124计及静态电压稳定约束的连续潮流计算方法11241含参潮流模型11242功率交换方案12243预测环节13244校正环节14245迭代过程中的步长选取1525 TTC计算过程1526本章小结1 5第3章考虑随机因素影响的TTC概率评估17III华北电力大学硕士学位论文31概述1732风电场风速模型1733蒙特卡洛仿真法简介1 834系统状态的蒙特卡洛仿真18341风电场风速抽样l 8342系统元件状态抽样1 9343系统负荷仿真19344系统状态仿真193

15、45系统抽样状态校正2035 TTC概率评估流程2036 TTC概率评估指标2037实例分析2138本章小结26第4章风电经直流输电接入电网的1vrC计算2741概j苤2742风电经直流输电接入电网的相关问题27421直流输电系统27422风火打捆输送29423 TTC计算模型2943交直流系统TTC计算30431交直流系统潮流计算30432交直流系统的连续潮流计算过程31433交直流系统TTC计算流程图32434风电经直流输电接入电网的1YrC计算过程o3344风电经直流输电接入电网的TTC计算3345实例分析3446本章小结36第5章结论与展望3751结论3752展望37参考文献39攻读硕

16、士学位期间发表的论文43攻读硕士学位期间参加的科研工作44致谢45华北电力大学硕士学位论文第1章绪论11选题背景及意义在全球范围内一次能源受限、可持续发展的绿色能源形势下，电力工业正推动市场化进程。这从客观上要求电力系统规划时需充分考虑优化电源结构、绿色生产的问题，为寻求科学经济的电力供应提供有力决策支持，从而促进电力工业健康、稳定、协调的发展。优化能源结构，大力开发利用可再生能源和新能源，是我国能源可持续发展的战略需要，也是我国制定的能源发展长期政策。随着环境和能源问题的日益突出，可再生能源发电在全球范围内迅速发展，其中风力发电的发展速度最快、技术最为成熟。“十一五”及“十二五”计划期间，中

17、国的风电并网得到飞速发展。根据我国风电发展规划目标，到2020年全国风电装机将达15亿千瓦，规划建设河北、内蒙古东部、内蒙古西部、吉林、江苏沿海地区、甘肃酒泉、新疆哈密、山东沿海等八大千万千瓦级风电基地。2011年，甘肃酒泉千万kW级风电基地的装机容量达到4201GW。到“十二五”计划完成时，其规划装机容量将达到1271GWill。江苏省千万千瓦级风电基地的规划为：2015年装机容量达到380万kW。2020年风电装机达到1000万kW，成为全国最大的风电基地之一【21。从风电利用的角度看，应优先考虑就近消纳，如河北风电基地紧邻京津唐负荷中心；吉林风电基地位于东北电网中部，与吉、辽负荷中心相距

18、不远；江苏、山东沿海地区风电分布密集，以上地区距离负荷中心较近，网架结构相对坚强，本地电网具备一定的调峰能力，具备风电就近接入就地消纳的条件。与此同时，我国资源分布与消费市场极不均衡的情况突出存在。我国风能资源可开发量的90以上位于西北、华北、东北的“三北”地区【3】。“三北”地区风电基地与主要电力负荷中心呈现逆向分布格局，地区电网结构薄弱，受市场空间和系统调峰能力限制风电消纳能力十分有限，“窝电”现象严重。华北、华东、华中构成的“三华”地区作为我国未来主要的电力负荷中心，系统负荷水平高、装机规模大、调节能力相对较强。预计到2020年“三华”地区将有接近24亿kW的市场空间可接受区外送电，并且

19、区域内风电装机容量占总装机的比重相对较低，具备接纳大规模风电的能力，是消化“三北”地区风电的主要市场。为充分利用风电资源，从经济性角度出发，将“三北”地区风电集中后通过远距离输电直接送至负荷中心，已经势在必行。由于风电基地与负荷中心距离较远，需要通过超高压或特高压输电通道进行大华北电力大学硕士学位论文规模风电外送。随着直流输电技术的不断发展，交直流互联已成为电网稳定运行和远距离大功率输电的重要方式【4J。国内高压直流输电工程的成功应用，使风电经直流输电大规模、远距离传输成为一种有效的方式。为解决“三北”地区大型风电基地的风电送出问题，在2011年4月国家电网公司公布的国家电网公司促进风电发展白

20、皮书中，明确提出部分风电基地将采用直流输电系统进行远距离外送。输电能力是基于整个互联电网层面，在满足一定安全约束条件下特定区域之间可靠传输的最大功率。随着区域电网互联的扩大，输电能力计算在保证电力供应的顺利进行和电网安全稳定运行方面起着越来越重要的作用。及时准确地公布电网的输电能力信息能使各区域电网做好运行计划，充分利用电网的输电能力；对电网输电能力的准确计算还可为电网的安全可靠运行提供重要信息；此外，综合考虑各种不确定性因素的影响准确地评估现有电网的输电能力，寻找限制电网输电能力的瓶颈，能为电网的规划设计部门提供重要的参考信息。大规模风电经远距离输电接入电网后，由于风电机组相对较弱的无功电压

21、调节能力，对系统静态电压稳定影响较为突出【5】。计算系统的输电能力时，从可靠性角度出发需要考虑静态电压稳定约束条件。考虑到风电场出力受风速影响具备很大的随机性，电力系统中也存在着大量不确定性因素，如负荷波动、设备故障等。综合考虑风电随机性和系统中不确定性因素的影响，采用适当方法进行处理以对系统输电能力进行准确评估，对于电网规划和安全运行具有指导意义。鉴于直流输电在大容量、远距离输电方面所具备的优势，在风电基地外送通道的建设规划中开始采用直流通道。采用直流通道进行风电外送，对输电能力的计算方法提出新的要求。首先直流通道的引入将使系统由交流系统变为交直流混合系统。其次由于风电出力具有波动性的特点，

22、直流系统单纯输送风电对电网频率控制、电压稳定影响较大。采用风火打捆联合输送，利用火电机组对风电场功窭进行调节以实现平滑出力，可利于直流系统控制并能提高输电通道的输电经济性。考虑这些因素探寻适合风电经直流通道接入情况的输电能力计算方法，显得十分必要。12输电能力的基本概念电力系统输电能力的研究始于20世纪70年代，随着电力市场的推进有了长足的发展，已经从最初的系统运行参考信息发展成重要的调度员调度依据和市场调节信号，指导电力系统的正常运行。输电能力不仅可以显示电网运行的安全与稳定裕度，还可以为系统运行人员和电力市场参与者提供电网使用状况的详细信息，以指导其市场行为。20世纪90年代以来，为适应电

23、力市场化改革的要求，各国电力工业先后对输华北电力大学硕士学位论文电能力的涵义进行了新的阐述。1995年北美电力系统可靠性委员会(NorthAmericaElectric Reliability Council，NERC)重新修订了其早期关于输电能力的定义：所谓系统区域之间的输电能力，是指在保证系统稳定的情况下，通过区域之间所有输电回路，从一个区域点向另一区域点可靠传输的最大功率【6】。随后NERC提出了ATC(Available Transfer Capability，ATC)的定义：ATC是指在现有输电合同基础上，实际物理输电网络中余下可用于商业使用的传输容量。此定义表明市场环境下输电能力问

24、题已不再是原先意义下简单的区域功率交换能力，而是基于已有输电合同，在保证系统安全可靠运行条件下，区域间或点对点之间可能增加的功率传输量。其数学表达式为：ATC=TTC-TRMCBM-ETC (1一1)式中TTC(Total Transfer Capability，TTC)为最大输电能力，指在满足安全稳定约束条件下区域间可靠传输的最大功率。TTC计算是ATC分析的基础和关键，是本文的主要研究内容。TRM(Transmission Reliability Margin)为输电可靠裕度，反映系统内不确定性因素对ATC的影响。ETC(Existing Transmission Commitment)为

25、现有输电协议所占用的传输容量。CBM(Capability Benefit Margin)为容量效益裕度，指为保证ETC中不可撤销输电任务顺利执行时输电网应当保留的传输容量。电力市场的发展使系统运行经济性得到强化，一方面促进了电力系统向着互联方向发展，另一方面又促使区域间联络线传送功率越来越接近安全限值，对系统的安全造成影响。在大型互联电力系统中，如何在经济性和安全可靠性之间寻找最佳的运行方式并确定互联区域间的输电能力，以便在满足系统安全可靠性的约束条件下最大程度地保证各区域的用电需求，已经成为亟待解决的研究课题。13课题研究现状131 TTC计算方法的研究现状TTC计算对于电网规划和系统运行具有十分重要的意义，目前主要有确定性和概率性两种计算方法。确定性方法主要包括：1)直流灵敏度系数法【7】，该方法主要基于直流潮流分析以获得实际网络响应系数，能方便地计及“N1”静态安全约束以及支路过负荷约束，而且求解速度较快，但无法考虑电压约束。由于忽略电压无功相关性因素，应用在电网结构薄弱的系统中会产生较大误差。2)重复潮流法(Repeated Power Flow，RPF)【8】。基于交流潮流，通过逐渐增大