基于风电主动功率控制的风电场参与系统调频问题研究

【摘要】：在能源短缺与环境污染问题凸显的情况下,资源丰沛、技术相对成熟的风电获得了广泛的开发利用。在风电发展初期,其间歇性、波动性对系统安全稳定运行影响有限。然而,随着风电渗透率的提高,系统面临巨大的调频调峰压力。在这种情况下,单纯依靠火电、水电等传统机组承担调频调峰任务会给系统调度带来困难。因此,在各国的电网标准中也逐步对风电参与系统调频或有功功率控制提出了具体要求。相应地,制造技术的进步使得当前一些风机具备了功率控制特别是主动的有功功率控制能力。所谓主动有功功率控制是指一类使风机能够根据当前天气条件及系统运行工况主动调节有功输出以向系统提供不同时间尺度备用容量的控制策略。风电采用主动的有功控制可有效降低系统备用容量提升系统运行的经济效益。本文在现有风电参与系统调频以及有功功率控制文献的基础上,主要进行了以下几个方面的研究：1).简单介绍了风电的发展概况,讨论了风电参与系统调频时涉及的一个包括“风机层”、“风场层”、“系统层”三个层面的组织框架,介绍了各个层面的职责及有待解决的问题。为进一步明确系统对风电参与系统调频的具体需求,总结并比较了风电技术较为发达国家的并网标准。从比较中看出丹麦等北欧国家有关风电参与系统调频的网络标准较为严格,并且,要求风电参与系统调频或进行主动功率控制是大势所趋。2).风机层面,对风机参与系统调频的“有功-频率”控制策略进行了综述,包括虚拟惯性、短时过载运行、降载运行、下垂控制、多种单一控制策略组成的综合控制策略等,明晰了各种控制策略的优缺点及适用范围。针对具备长时间运行能力的降载运行控制策略,本文重点阐述了降载比的概念并对其具备的长时间备用能力进行了定性说明。3).风场层面,为确定风电场调频容量与预测风速的对应关系,提出了一种计及多种风机控制策略的风电场调频容量评估方法。该方法首先根据风场预测风速对风场内的风速分布进行建模,继而根据风速概率分布结果对处于不同风速段的风机进行调频容量估算：针对低风速下的风机,利用能量转换原理计算其利用旋转动能转化手段所能提供的调频容量；针对中风速下的风机,建立了风机运行点优化模型,通过计算风机的降载程度来评估该风速段风机所能提供的调频容量；针对高风速下的风机,通过比对其所能捕获的气动功率与变流器短时过载能力的相对大小关系来构建分段函数确定调频容量。最后,采取概率加权求和的方法得到风电场总的调频容量。4).系统层面,为评估风电有功控制对系统备用调度的经济效益,提出一种考虑风电降载控制的“事前-实时“备用计划双层优化模型：上层模型的目标为事前阶段的系统运行计划成本最小；下层目标为实时阶段的计划偏差最小,通过引入风电降载比耦合关联上下层模型。进一步,文中引入KKT条件将双层模型转化成单层模型以求取最优解。最后,采用改进的IEEE算例验证所提出模型的有效性,结果表明风电渗透率较高的系统中,风电场有功降载运行能够降低传统机组的备用容量压力,减少风场功率输出波动,提高风电接入系统的整体经济性。 【关键词】：调频 主动功率控制 降载运行 备用计划 KKT条件 风电并网
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM614
【目录】：

• 致谢6-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 第1章 绪论15-26
• 1.1 论文研究背景15-16
• 1.2 风电调频及并网研究意义16-19
• 1.2.1 风电发展现状16-18
• 1.2.2 风电调频及并网问题研究目的和意义18-19
• 1.3 风电调频及并网问题研究现状19-25
• 1.3.1 对系统调峰调频的影响19
• 1.3.2 风电并网的经济性考量19-20
• 1.3.3 风电提供辅助服务的潜力20
• 1.3.4 国内外研究现状与发展20-25
• 1.4 本文的主要工作25-26
• 第2章 风机典型调频控制策略26-33
• 2.1 风机不同调频控制策略26-30
• 2.1.1 虚拟惯性控制26-27
• 2.1.2 短时过载27-28
• 2.1.3 降载运行28-29
• 2.1.4 下垂控制29
• 2.1.5 复合控制策略29-30
• 2.2 不同控制策略的比较30-31
• 2.3 降载运行的长时间备用能力31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 计及多种风机控制策略的风电场调频容量评估33-43
• 3.1 同一风场内风速分布性建模33-34
• 3.2 风速与风机调频策略对应关系划分及风速确定34-35
• 3.3 风电场调频容量评估方法35-36
• 3.3.1 风电场调频容量评估流程35-36
• 3.3.2 风电场调频容量评估模型36
• 3.4 各风速分布区间内风机调频容量评估36-39
• 3.4.1 低风速段-短时过载(旋转动能释放)36-37
• 3.4.2 中风速段-降载运行37-39
• 3.4.3 高风速段-短时过载(变流器过载)39
• 3.5 算例及结果分析39-42
• 3.5.1 算例介绍39-40
• 3.5.2 评估结果40-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 考虑风电有功主动控制的两阶段系统备用优化43-59
• 4.1 优化模型43-46
• 4.1.1 事前计划阶段43-45
• 4.1.2 实时控制阶段45-46
• 4.2 双层耦合模型及其迭代求解46
• 4.3 基于KKT条件的模型转化46-50
• 4.3.1 一般双层优化问题及结论47
• 4.3.2 本文具体模型推导过程47-50
• 4.3.3 转化后的单层模型求解方法50
• 4.4 算例仿真及结果分析50-58
• 4.4.1 算例1-改进的IEEE6机30节点系统50-56
• 4.4.2 算例2-改进的IEEE17机162节点系统56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 总结与展望59-61
• 5.1 总结59-60
• 5.2 展望60-61
• 参考文献61-66
• 攻读硕士学位期间学术成果66

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