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英文翻译

题 目 风电并网对无功储备的影响及其智能解决方案——丹麦电力系统案例研究

风电并网对无功储备的影响及其智能解决方案

——丹麦电力系统案例研究

Zakir. H. Rather

Member IEEE, Z. Chen, Senior Member IEEE, P. Th0gersen, Senior member IEEE

摘要-可再生能源,特别是风能一体化在世界电力系统范围内实现了深刻的增长。风能在大规模集成提出了电力系统无功功率管理的挑战。本文中给出的研究分析了风能对无功功率的影响保留丹麦电力系统与特殊的参考。聪明的利用各种本地资源(如分散发电和海上风力发电场)接管中央发电厂的无功功率的责任通过研究及结果提出了未来电力系统所支持的承诺。这个研究的结果表明智能利用可用的本地资源将避免的需要新的基础设施,否则所需无功功率管理大规模风能电力系统集成。

关键字——可再生能源;电力系统;无功功率;电力系统电压稳定;分散发电;海外风力农场。

一、介绍

再生能源尤其是风力发电受全球关注由于全球气候变化引起的严重担忧。整个世界特别是发达国家正在优先考虑替代传统化石燃料能源的可再生能源，风能和太阳能是所有可再生能源的主要选择。欧洲风能协会（EWEA）的目标是到2030年满足23％的欧洲电力需求。丹麦目前生产25％来自风力的电力和计划实现了50％的风力发电份额到2020年的电力消耗[1]和100％的化石燃料自由社会到2050年。丹麦系统今天装机容量的一大部分来自分散机组（约占总容量的40％），例如风力发电机组合和热电联产（CHP）单元，其主要与配电系统相连。与中央发电厂相反，基于异步电机的发电，特别是直接连接的风力发电机，无需生成电力，就需要无功功率，从而增强电力系统的电压调节问题。由于无功功率之间的强耦合和电力系统电压，无功功率储备被认为是电压稳定性的测量。由于电压稳定性问题，许多全球重大的停电已经导致[2,3]。已有文献报道了各种基于无功功率的电压管理方法[4-7]。这些出版物中提出的无功功率管理主要集中在中央发电厂的传统储量，然而在新一代混合动力系统中，这种经典资源预计完全不存在或者存在最少。在丹麦，中央发电厂正在逐步淘汰到2025年，这方面的进程已经开始[8]。 目前丹麦无功电力系统的主要来源是传统的中央发电厂，目前是无功电力的主要来源，需要替代解决方案来承担起在最佳安全级别调节电压的责任。已经进行了各种尝试来探索风力发电机的无功功率支持[9-11]。 迄今为止，主要关注的是无功发电，以满足传输系统运营商（TSO）制定的强制电网规范要求，然而，未来复杂电力系统的需求在无功功率支持方面起主导作用 被替代资源所占用。

在本文中，通过智能利用可用的本地资源，提供了丹麦电力系统结果支持的不同替代解决方案。本文分为七个部分。 第二部分介绍了丹麦电力系统，该系统已被用作本研究工作的测试系统，随后进行建模。 第三节介绍了丹麦西部电力系统中风能整合对无功功率储备的影响。 第四节介绍了智能利用当地资源，如连接在传输电压级别的风力发电场和分散式联合发电厂（DCHP）作为无功功率储备的替代解决方案。 第五节描述结束语，随后在第六节确认。 参考清单见第七节。

二、丹麦电力系统及其建模

1. 丹麦电力系统

丹麦电力系统分为两个称为丹麦西部和东部电力系统的非同步系统。 Energinet.dk是丹麦的传输系统运营商（TSO），一般将丹麦西部和东部电力系统命名为Energinet.dk West（ENDKW）或DK）和978-1-4673-2868-5112 / $ 31.00copy;2012 IEEE Energinet.dk 东（ENDKE）或DK2。西丹麦电力系统与德国同步，丹麦东部电力系统通过瑞典与北欧电网同步。 截至2011年，丹麦电力系统关键数据见表1. DKI和DK2由600MW容量的大带高压直流（HYDC）链路相互连接。 强大的跨境互联网络将丹麦电力系统DKI连接到德国（HY AC），挪威（HYDC），瑞典（HYDC）和DK2到德国（HYDC），瑞典（HYAC）。 为了加强跨境网络，除了与德国和荷兰之间的新计划链接之外，正在建设新的基于VSC的HYDC链接到挪威的挪威。

丹麦特别是近二十年来，风力发电的增长速度非常快速[12]。 海上风电场正在重点关注二十六个约5200兆瓦的海上潜力位置[13]。 在丹麦西部电力系统中，目前有两个大型海上风电场连接到传输系统：Horns Rev A（160MW）和Horns Rev B（209MW），向海上风电场迈进了一步，拥有400MW容量的Anholt风力发电场正在进行中 预计到2012年底上线。

表1.西部和东部丹麦电力系统的关键数据

B.西方丹麦电力系统建模

411公共西部丹麦电力系统已经在DigSILENT PowerFactory中建模。 西班牙丹麦电力系统数据由丹麦TSO Energinet.dk提供。 每个变电站的总体负荷模型已被认为主要以60KV的水平连接。 DigSilent电厂的丹麦西部电力系统建模的总体思路见表二。

表2 西部丹麦系统的DigSILENT模型的关键数字

三 风能整合对电力储备的影响

传统的基于同步发电机的中央发电厂的优势在于其固有的特性，可以在需要时支持电力系统。 由于这些集中发电厂主要以传输系统电压等级（ENDKW为4001150KV）连接，这些发电厂无功供电加上快速平稳的现场控制在电力系统的电压调节中起着重要的作用。 由于电力系统历史上的巨大专长，全球传统电力系统运行顺利。 然而，从传统电力系统转向分散式电力系统，系统运行复杂化。 作为无功电力主要来源的中央发电厂正在被风力发电厂所取代。 这些风力发电厂（WPP）特别是直接连接感应电机的WPP需要电网的无功功率而不是供电，因此其行为与无功电源中的中央发电厂相反。 虽然世界许多国家已经制定了电网规范来确保无功功率的支持，但主要限于稳态运行中极少百分比。

ENDKW有七个中央发电厂连接在400KV和150KV传输级别。 在这种情况下，研究风力发电以中央发电厂发电量减少为代价，但总体发电量和总负荷保持不变。 此外，在本案例研究中，ENDKW被认为是孤立的系统，没有挪威，瑞典，德国和丹麦东部电力系统相邻互连的支持。 本研究中负荷维持在3700兆瓦。

中央发电厂，DCHP和风力发电机的发电变化如图3所示。 最初中央发电厂（CPP）正在生产2789兆瓦，其生产量下降，由DCHP补偿，直至CPP3完全停产。 每个CPP逐一停产，DCHP紧随其后的风力发电厂满足不平衡。 风电份额增加到总发电量的50％，实现了丹麦电力系统2020的情况。 对于所有这些操作情况，可以考虑从所有资源（包括中央发电厂，并联补偿装置和同步电容器）中获得的无功功率储备。 由于CPP以传输电压（4001150KY）连接，并且由于其在ENDKW上的空间地理分布，CPPS的无功功率储备被计算为每个运行状态的额定最大无功功率能力与实际无功功率之间的差值。

图 3.中央发电厂，分散式电厂，风力发电机组和其他分布式发电机的发电量

图3中给出了不同发电组合情景下CPP，DCHP和WPP的无功发电情况。总收入的总无功发电量随着取消CPP比例的增加而下降，主要原因是DCHP和WPP的无功功率低。对于导致一个CPP完全关闭的每个状态，大块无功电源消失，同时来自增加的风力发电的无功功率与CPP的无功功率的减少相比要小得多。图5显示了无功功率储备，总有功功率发电量和总无功发电量以及电力生产的总功率。所有CPP与电网同步时，运行情况下的无功功率储备最大（1296MVAr），但随着CPK从ENDKW的移除增加而减少。每个操作场景都表示一个CPP从电网完全取消同步，从而导致运营情景-8的净无功功率储备减少到零，所有CPP都停止运行，风力发电占50％。额外的10％的风力发电住宿费用是无功功率饥饿的成本，最终导致风力发电份额达到60％的系统崩溃。为了评估当前电力系统基础设施，ENDKW能够将风能适应超过50％的潜力，企图将风能超过50％。总MW产生的微小变化是由于系统中传输损耗的变化。目前，丹麦TSO已经宣布三家必须在丹麦西部电力系统中运行中央发电厂，以确保短路能力，无功功率储备和惯性方面的安全。

图 4.各种发电源的无功发电

图 5. ENDKW无功功率储备

四． 智能利用当地资源

除了其他挑战之外，风能的大规模集成以无功功率/电压稳定性为代价。 如上文第三节所示，随着现在的基础设施和所有CPP的运行，最大风能一体化被限制在60％以上，超出了系统的不稳定模式。 为了适应丹麦电力系统中大部分风能的分配，主要是转换器连接的风力发电机，CPP的存在最少，无功功率的替代解决方案对于维持安全稳定的运行是非常需要的。 跨边界连接是有源功率平衡的有希望的选择之一，但是这些互连对于无功功率支持将不会有用，主要是由于长距离无功功率传输的技术限制。

广义上说，在大型风电综合电力系统中，有两种补偿无功功率的方法：i）容易但昂贵的事情是安装新的无功功率源，如新的静态电容补偿器，F ACTS装置（ST ATCOM，SVC ），新的同步电容器和ii）智能利用现有的本地资源，如DCHP和风力涡轮机。 从经济角度来看，实际上第二选择将是可行的解决无功功率/短路容量供应/电压稳定性。 通过智能控制策略和一些额外的控制基础设施，本地资源可以在适应大规模风能方面发挥主要作用，如下文所述。

1. 风电场的无功功率/短路容量支持。

目前丹麦风电装机总装机容量约占总装机容量的28％，西电网主要安装在丹麦风电总量的75％左右。 预计在未来的西部丹麦电力系统中，大约有3800兆瓦的海上风电将会上升[13]。 由于风力涡轮机通常运行在额定功率以下，所以剩余容量可用于无功供电。 在直接连接的风力发电机中，由于PQ能力曲线的限制[10]，与同步电机的情况一样，限制最大无功发电量。 在完全转换器连接的风力涡轮机中，对无功供电的附加限制是通过转换器限制，但是电网侧转换器的智能操作肯定会将它们置于更高的边缘，特别是对于辅助服务支持。

在全变流器连接的风力发电机中，无功和有功功率控制是独立的，无功功率控制的轻微智能变化可用于从电网侧变流器产生无功功率，与FACTS设备STATCOM（静态补偿器 ）。 因此，通过控制电网侧转换器输出端的电流和电压相移，可以从转换器产生转换器附加无功功率的最大电流额定值。 根据无功功率市场，电网侧转换器也可以设计为过高的容量，即使在全额定功率运行时间内也能提供无功功率。对于我们的案例研究，上述无功发电概念首先应用于两台海上风电场（HARA Rev-A（HRA）），Horns Rev-B（HRB），安装在ENDKW之后，随后是400MW Anholt（ARH）海上风力发电场 预计到2012年底将在线。

图6显示了安装的H

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