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摘 要

随着风电越来越多的接入电力系统，风电本身输出功率的不稳定性，使得其在电压较低时容易脱离电网运行，导致电力系统故障程度的加重。因此，当风力发电机并入电网时，需要评估其低电压运行特性。国家电网导则给出了风电机并网允许脱离电网运行的条件，主要关于并网点的电压降落最大值和允许运行时间。为使大扰动期间电网能够安全稳定运行，需要给风电场安装一定容量的SVC提供无功补偿。在实现以上设计的过程中，利用电力系统各个元件的动态特性建立相关模型（常规火电发电机，风力发电机，励磁系统和负荷），构建动态电力系统全网络模型。在模拟系统中施加三相短路故障，进行时域仿真，检测电网与风力发电机各个节点的电压，寻找该系统的电压薄弱环节。根据多种情况下的仿真结果，建立低电压穿越指标，并将指标转换成约束条件。在仿真系统中加入无功补偿SVC，进行容量优化，研究满足含风电场系统低电压穿越需求的无功优化问题。

关键词：风力发电机，低电压穿越，时域仿真分析，无功优化，动态电压稳定

ABSTRACT

With more and more wind power integrated into the power system, the power output instability of wind farm will make wind driven generator easy to be off the grid operation, as a result, low voltage cases will result in increased degree of power system failure. Therefore, when wind power is integrated into the grid, it is necessary to evaluate the low-voltage-ride-through characteristics. The National Grid Guidelines give the conditions for the wind turbine to be disengaged from the grid, mainly on the maximum voltage drop and allowable running time for the grid. In order to ensure the safe and stable operation of the grid during the large disturbance, it is necessary to install SVC with a certain capacity to provide the reactive power compensation and voltage stability. In the process of realizing the above design, the dynamic model of the power system is established by using the dynamic characteristics of the various components of the power system (conventional thermal power generator, wind turbine, excitation system and load). The three-phase short-circuit contingency is applied in the simulation system, and the time-domain simulation is carried out to detect the voltage of each node of the grid and the wind turbine. According to the simulation results in a variety of cases, the index of low voltage ride through technology is established and converted into constraints. In the simulation system, reactive power compensation using SVC is carried out to satisfy the low-voltage-ride-through need for an electric power system with wind power.

KEY WORDS: wind turbine, low voltage ride through, time domain simulation analysis, reactive power optimization, dynamic voltage stability

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1本课题的研究意义 1

1.2风电的历史发展概况和对电力系统影响 2

1.2.1风力发电的历史发展概况 2

1.2.2风电并网影响电网稳定性 2

1.3风电场低电压穿越及无功补偿研究的现状 3

1.3.1电网导则的具体要求 3

1.3.2对风电场无功补偿的实现 3

1.3.3国内外研究现状和热点 4

1.4主要研究内容 4

第二章 电力元件数学模型 6

2.1同步发电机数学模型 6

2.1.1理想电机 6

2.1.2发电机的数学模型 6

2.1.3三阶实用模型 6

2.2励磁系统的数学模型 7

2.3风力发电机数学模型 8

2.3.1传动系统模型 9

2.3.2风力发电机模型 10

2.3.3双馈式风力发电机的三阶模型 11

2.4SVC数学模型 12

2.5负荷数学模型 13

第三章 时域仿真 14

3.1时域仿真基础理论 14

3.1.1牛顿法 14

3.1.2隐式梯形积分法 14

3.2仿真模型介绍 15

3.3不同工况下的仿真结果分析 16

3.3.1基本负荷故障分析 16

3.3.2高峰负荷故障分析 18

3.4本章小结 19

第四章 无功优化 20

4.1无功补偿的理论 20

4.1.1无功优化目标函数 20

4.1.2无功优化约束条件 20

4.2考虑电力系统动态特性的无功补偿 21

4.2.1含微分代数方程的优化模型 21

4.2.2电力系统动态特性下的电压稳定要求 22

4.3含风电场的电力系统无功补偿 22

4.3.1低电压穿越约束分析 22

4.4采用SVC作为新增无功补偿设备 23

4.5考虑暂态过程稳定约束的无功优化模型 23

4.6算例分析 25

第五章 总结与展望 26

5.1小结 26

5.2展望 26

参考文献 27

致 谢 29

第一章 绪论

1.1本课题的研究意义

随着现代化的快速发展，工业技术不断进步，世界能源不断减少，环境渐渐变差，面对这一状况，人们的危机感不断加强。风能是一种新能源，全球储量非常大，对保护环境起到了积极的作用。同时，风能发电的成本相对较低，受到了电力工业的欢迎，与太阳能等新能源不断推动电力工业的发展。当然，也给广大电力研究人员带来新的挑战。风能的前景良好，可以实现商业化运作，使新能源工业迅速前进。

风电发展起初的形式是分布式，但是随着学者们的研究深入，风力发电机控制技术的日益成熟，风力发电机装机容量的显著提升，形成了风电大规模并网趋势。

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