具有大規模風電接入的電網系統技術方案

本發明專利技術涉及一種具有大規模風電接入的電網系統，包括風機、母線電網，風機與母線電網供電連接，風機包括風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器，風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器依次電連接形成風機整體，風輪機包括風源模塊、風速輸入邏輯模塊、風力渦輪機、風力發電機調速組件，風源模塊根據風速輸入邏輯模塊的開關指令將風源輸入風力渦輪機，風力發電機調速組件根據額定輸出功率控制風力渦輪機的轉速，升壓變壓器通過母線變壓器與母線電網連接。本發明專利技術提供了一種具有較大規模風電接入電網的可行方案，具有良好的電網運行特性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種電網系統，特別涉及一種具有大規模風電接入的電網系統，屬于風電并網發電領域。
技術介紹
在低碳經濟、節能減排的國家政策激勵下，我國的風力發電得到了快速的發展，裝機容量增長十分迅速。目前國內的研究可以大致分成兩大塊，一部分從風電機類型對電網的影響入手研究，另一部分是從變壓器和輸電線的性質對電網影響進行研究。研究結果表明：⑴在穩定輸電網側的電壓方面，在風電出力較小的時候，隨著出力的增長穩定性有所提高，而當風電出力進一步增長時，系統電壓穩定性迅速降低甚至崩潰，造成這種情況的原因為風力發電的容量越大，接入系統所需要吸收的無功功率越大，越容易導致無功功率不平衡而引發的電壓大幅度下降。⑵風電場運行在電壓比較高的節點對電網特別是弱電網的電壓水平和無功平衡比較有利，并且在無功平衡方面得出的最佳無功補償位置是在風電機側。
技術實現思路
本專利技術具有大規模風電接入的電網系統公開了新的方案，提供了一種具有較大規模風電接入電網的可行方案，解決了現有技術沒有可用方案的問題。本專利技術具有大規模風電接入的電網系統包括風機、母線電網，風機與母線電網供電連接，風機包括風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器，風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器依次電連接形成風機整體，風輪機包括風源模塊、風速輸入邏輯模塊、風力渦輪機、風力發電機調速組件，風源模塊根據風速輸入邏輯模塊的開關指令將風源輸入風力渦輪機，風力發電機調速組件根據額定輸出功率控制風力渦輪機的轉速，升壓變壓器通過母線變壓器與母線電網連接。進一步，本方案的風速輸入邏輯模塊包括風速傳感器、邏輯控制單元，邏輯控制單元根據風速傳感器傳送的風速數值低于切入風速或高于切出風速的比對結果關閉風源模塊，邏輯控制單元根據風速傳感器傳送的風速數值介于切入風速與切出風速間的比對結果開啟風源模塊。進一步，本方案的風力發電機調速組件包括風速傳感器、調速控制單元、調速執行機構，調速控制單元根據風速傳感器傳送的風速數值高于額定風速的比對結果開啟調速執行機構，調速執行機構改變風力渦輪機的葉片與風輸入的角度來阻止風力渦輪機的輸出功率超過額定功率。進一步，本方案的風機的發電機的輸出經過AC-DC-AC轉換器處理后通過升壓變壓器與ieee-34節點系統連接。進一步，本方案的ieee-34節點系統是開式網絡，ieee-34節點系統包括一個電壓源G1、若干節點，節點處并聯有無功補償電容器，無功補償電容器補償ieee-34節點系統的無功負荷與電壓源G1提供的無功功率間的差額。進一步，本方案的AC-DC-AC轉換器包括二極管整流器、直流母線、六脈沖晶閘管逆變橋，直流母線包括儲能電容、限流電阻，六脈沖晶閘管逆變橋包括儲能電感。進一步，本方案的AC-DC-AC轉換器還包括單輸入電平比較器，單輸入電平比較器與六脈沖晶閘管逆變橋的KB開關連接，單輸入電平比較器在電路故障情況下停止逆變器工作。進一步，本方案的AC-DC-AC轉換器還包括電壓控制器、電流控制器，電壓控制器根據測得的母線電壓大于設定的電壓上限值的比對結果輸出額定電流，電壓控制器根據測得的母線電壓小于設定的電壓下限值的比對結果輸出設定的最小電流值，電流控制器通過比例積分控制器產生一個角度值，上述角度值作用于電壓控制器輸出的電流值和母線上測得的電流值。進一步，本方案的AC-DC-AC轉換器與升壓變壓器間并聯有無功補償電容器A，無功補償電容器A補償線路上的無功功率。進一步，本方案通過調整升壓變壓器的分接頭來改變升壓變壓器內部兩側線圈的匝數比將節點電壓提升至系統額定電壓的95％～105％間。本專利技術具有大規模風電接入的電網系統提供了一種具有較大規模風電接入電網的可行方案，具有良好的電網運行特性。附圖說明圖1是永磁同步發電機接入電網前模型。圖2是風電機接入無窮大母線系統的簡化等值電路模型。圖3是接入風力發電機G2的ieee-34節點系統示意圖。圖4是風機接入無窮大母線系統模型。圖5是AC-DC-AC級轉換器電路示意圖。具體實施方式風力發電機可以從電氣角度和機械角度分別進行分類。從電氣角度即定轉子與電網的連接方式出發，風力發電機分為雙饋感應發電機型風機、直驅感應發電機型風機、直驅永磁感應風力發電型風機與超導無刷直流發電機型風機。其中，雙饋型發電機是指將發電機的轉子通過AC-DC-AC變頻器接入電網，而定子直接接入電網的發電機，雙饋機制在于當轉子轉速小于同步轉速時，實現發電，而轉子轉速大于同步轉速則實現從電網中吸收功率，應用的電壓等級為低壓(1kV以下)。直驅感應發電機型風機的發電機完全是通過AC-DC-AC變頻器接入電網實現功率傳遞，屬于全饋型風機，采用的變頻器容量較大，應用的電壓等級為低壓(1kV以下)、中壓(10kV以下)。直驅永磁感應風力發電型風機與直驅感應發電機型風機同樣為全饋型，發電機類型則是三相永磁感應發電機，應用的電壓等級是低壓(1kV以下)、中壓(10kV以下)，目前多用于中壓等級電力系統。超導無刷直流發電機型風機是目前世界最先進的風力發電機，減少了變頻器直接輸出直流電能，目前依舊處于研發階段。從機械角度即葉片的旋轉中心軸出發，風力發電機可以分為水平軸風力機與垂直軸風力機。其中，水平軸風力機的葉片繞著一個水平軸旋轉，主要的優點在于葉片掃過面的平均高度更高，增大風電機發電量，世界上大多數機型都是水平軸風力機。垂直軸風力機的軸是垂直于地面的一根柱子，葉片平行于旋轉軸旋轉，主要優點在于結構比較簡單，且旋轉軸垂直于地面，發電機等設備可以在底部安裝，方便維護。傳統風力發電機里有齒輪箱，隨著風機容量增大，齒輪箱十分容易損壞，而永磁同步發電機采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動省去齒輪箱，大大提高運行效率，所以在單機容量較大時，常采用這種直驅式永磁同步發電機。永磁同步發電機型風機主要包括以下六大部分：槳距控制風力機、直驅式永磁發電機、發電機側變流器(整流器)、直流環節、電網側變流器(逆變器)、變壓器(升壓)。圖1為永磁同步發電機接入電網前的模型圖。風力發電機有關風速方面的主要參數有：切入風速Vmin、額定風速Vn和切出風速Vmax。其中，切入風速：當風速高于切入風速時，機械制動器被釋放，繼而發電機轉子旋轉，本方案中風機的切入風速可以設置為4m/s。額定風速(也稱平均風速)：當風速達到額定風速時，風力發電機的輸出功率也達到額定，本方案中的風機額定風速可以設為13m/s。切出風速：當風速高于切出風速時，考慮到不損壞風力發電機的葉片，機械制動器被制動，發電機停止運行，效果與低于切入風速相同，輸出功率為0，本方案中的切出風速可以設為25m/s。風機輸出機械功率與風速輸入的關系是風速小于切入風速或者大于切除風速，風機輸出功率為0；風速在切入風速與額定風速之間，葉片射入角為0，輸出功率隨著風速增加而增加；風速在額定風速與切出風速之間，葉片入射角自動調整使風電機輸出功率為額定功率。實際電力系統中，存在多條母線、多個功率節點與電源，并非理想的無窮大系統。大規模風電接入正常運行的電力系統后，必然會大量吸收無功，引起無功功率不平衡與系統節點電壓降低，風機側的輸電網網損偏大降低了風電機的運行效率，這兩個運行方面的問題亟待解決。本方本文檔來自技高網...

【技術保護點】
具有大規模風電接入的電網系統，其特征是包括風機、母線電網，所述風機與所述母線電網供電連接，所述風機包括風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器，所述風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器依次電連接形成風機整體，所述風輪機包括風源模塊、風速輸入邏輯模塊、風力渦輪機、風力發電機調速組件，所述風源模塊根據所述風速輸入邏輯模塊的開關指令將風源輸入所述風力渦輪機，所述風力發電機調速組件根據額定輸出功率控制所述風力渦輪機的轉速，所述升壓變壓器通過母線變壓器與所述母線電網連接。

【技術特征摘要】
1.具有大規模風電接入的電網系統，其特征是包括風機、母線電網，所述風機與所述母線電網供電連接，所述風機包括風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器，所述風輪機、發電機、發電機側整流器、直流環節、電網側逆變器、升壓變壓器依次電連接形成風機整體，所述風輪機包括風源模塊、風速輸入邏輯模塊、風力渦輪機、風力發電機調速組件，所述風源模塊根據所述風速輸入邏輯模塊的開關指令將風源輸入所述風力渦輪機，所述風力發電機調速組件根據額定輸出功率控制所述風力渦輪機的轉速，所述升壓變壓器通過母線變壓器與所述母線電網連接。2.根據權利要求1所述的具有大規模風電接入的電網系統，其特征在于，所述風速輸入邏輯模塊包括風速傳感器、邏輯控制單元，所述邏輯控制單元根據所述風速傳感器傳送的風速數值低于切入風速或高于切出風速的比對結果關閉所述風源模塊，所述邏輯控制單元根據所述風速傳感器傳送的風速數值介于所述切入風速與所述切出風速間的比對結果開啟所述風源模塊。3.根據權利要求1所述的具有大規模風電接入的電網系統，其特征在于，所述風力發電機調速組件包括風速傳感器、調速控制單元、調速執行機構，所述調速控制單元根據所述風速傳感器傳送的風速數值高于額定風速的比對結果開啟所述調速執行機構，所述調速執行機構改變所述風力渦輪機的葉片與風輸入的角度來阻止所述風力渦輪機的輸出功率超過額定功率。4.根據權利要求1至3中任一項所述的具有大規模風電接入的電網系統，其特征在于，所述風機的發電機的輸出經過AC-DC-AC轉換器處理后通過所述升壓變壓器與ieee-34節點系統連接。5.根據權利要求4所述的具有大規模風電接入的電網系統，其特征在于，所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：范華東，宋超，顧潔，
申請(專利權)人：國網上海市電力公司，上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海;31