前端调速式风电机组并网特性研究

【摘要】：并网特性是风电机组实现并网控制的参考依据，直接反映了机组并网运行特性和并网稳定性。随着风力发电技术的不断提高和风电并网容量的不断增大，进行风电机组并网特性的研究显得尤为迫切和重要。以PMSG(Permenent Megnetic Synchronous Generator,永磁同步发电机)和DFIG(Doubly-fed Induction Generator,双馈异步发电机)为主的常规风电机组由于存在低电压穿越能力差、无功输出能力不足等问题，难以风电机组并网要求。前端调速式风电机组具有低电压穿越、无功输出能力强、电能品质好等优点，因此，进行前端调速式风电机组的并网特性研究，对于促进我国风电技术的发展具有重要意义。 本文在掌握前端调速式风电机组的运行原理的基础上，对整机控制结构、机组效率进行了分析，建立了机组数学模型，确定了机组的并网控制策略，即机组准同期空载并网控制、基于遗传算法的有功功率优化控制、基于DL-H∞(Double Loop H∞,双环H∞)的电压和无功功率控制以及基于区域划分的直接转速控制，并进行了仿真研究。仿真结果表明所采用的控制方法可以实现不同控制要求，验证了控制方法的正确性和有效性。 针对风电机组在实际运行过程中可能遇到的各种非正常运行工况，分别以不同类型风速输入作为机侧扰动、对称和非对称接地故障作为网侧扰动，从机侧扰动和网侧故障两方面仿真分析了前端调速式风电机组的并网运行特性，并与相等容量双馈风电机组进行了对比分析。仿真结果表明，在各种运行工况下前端调速式风电机组较双馈风电机组有更好地运行特性。 根据电力系统对并网稳定性分析的划分标准以及常规风电机组并网对接入系统产生的影响，分别从暂态功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性三方面对前端调速式风电机组并网稳定性进行了分析和仿真研究。在并网暂态功角稳定性方面，在IEEE5机14节点系统中以机组等值模型通过时域仿真分析了系统暂态稳定性，并进行了同等容量双馈异步风电机组仿真分析；在电压稳定性方面，将风电机组并网模型进行等值计算，采用分岔理论分析了机组电压稳定性，并进行了仿真研究；在频率稳定性分析方面，通过机理分析，总结了影响系统稳定性的主要因素，在此基础上进行了仿真分析。对前端调速式风电机组并网暂态功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性的仿真结果均表明，相对于双馈异步风电机组，前端调速式风电机组具有更好的并网稳定性和电网适应性。 【关键词】：前端调速式风电机组 并网控制 运行特性 稳定性 仿真分析
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 论文的选题背景和研究意义10-14
• 1.1.1 论文的研究背景10-13
• 1.1.2 论文的研究意义13-14
• 1.2 论文的国内外研究现状14-16
• 1.2.1 国外研究现状14-15
• 1.2.2 国内研究现状15-16
• 1.3 论文的主要研究内容16-18
• 2 前端调速式风电机组的运行理论18-32
• 2.1 前端调速式风电机组的基本原理18-20
• 2.1.1 前端调速式风电机组的运行原理18-19
• 2.1.2 前端调速式风电机组的控制结构19-20
• 2.2 前端调速式风电机组的机组效率20-22
• 2.3 前端调速式风电机组的数学模型22-31
• 2.3.1 风力机模型22-23
• 2.3.2 传动链模型23-27
• 2.3.3 励磁系统模型27-29
• 2.3.4 无刷电励磁同步发电机模型29-31
• 2.4 小结31-32
• 3 前端调速式风电机组的并网控制32-58
• 3.1 电网对风电机组接入的要求32-34
• 3.2 前端调速式风电机组的准同期空载并网控制34-39
• 3.2.1 空载并网条件34-35
• 3.2.2 空载并网控制35-36
• 3.2.3 空载并网仿真分析36-39
• 3.3 基于遗传算法的机组有功功率优化控制39-45
• 3.3.1 机组有功功率控制结构40-41
• 3.3.2 模糊 PID 控制器的设计41-42
• 3.3.3 基于遗传算法的模糊规则优化42-43
• 3.3.4 仿真分析43-45
• 3.4 基于 DL-H_∞的电压和无功功率控制45-53
• 3.4.1 H_∞励磁控制器设计45-47
• 3.4.2 H_∞PSS 设计47-49
• 3.4.3 机组输出电压和无功功率仿真分析49-53
• 3.5 基于区域划分的直接转速控制53-57
• 3.5.1 直接转速控制54-56
• 3.5.2 运行及仿真分析56-57
• 3.6 小结57-58
• 4 前端调速式风电机组的并网运行特性58-72
• 4.1 风速扰动下机组运行特性59-64
• 4.1.1 渐变风扰动下的仿真59-62
• 4.1.2 阵风扰动下的仿真62-64
• 4.2 电网侧故障下机组的运行特性64-70
• 4.2.1 对称故障下的机组运行特性65-67
• 4.2.2 不对称故障下的机组运行特性67-70
• 4.3 小结70-72
• 5 前端调速式风电机组并网稳定性分析72-93
• 5.1 风电机组并网运行对接入系统的影响72-74
• 5.1.1 对电能质量的影响73
• 5.1.2 对电网电压稳定性的影响73
• 5.1.3 对电网频率稳定性的影响73
• 5.1.4 对保护装置和其他方面的影响73-74
• 5.2 前端调速式风电机组并网暂态功角稳定性分析74-80
• 5.2.1 暂态功角稳定性的定义74
• 5.2.2 风电系统暂态功角稳定分析74-77
• 5.2.3 仿真分析77-80
• 5.3 前端调速式风电机组并网电压稳定性分析80-88
• 5.3.1 风电系统中的电压稳定性问题80
• 5.3.2 风电系统中的分岔现象80-82
• 5.3.3 基于分岔理论的机组并网电压稳定性分析82-83
• 5.3.4 机组并网电压稳定性仿真分析83-88
• 5.4 前端调速式风电机组并网频率稳定性分析88-92
• 5.4.1 前端调速式风电机组并网频率稳定性机理分析88-89
• 5.4.2 风电并网引起频率波动的主要因素89-90
• 5.4.3 仿真分析90-92
• 5.5 小结92-93
• 结论93-95
• 致谢95-96
• 参考文献96-101
• 附录 A 机组参数101-102
• 附录 B 机组并网仿真 MATLAB/Simulink 模型102-103
• 附录 C 暂态稳定性分析 PSAT 仿真模型及参数103-104
• 攻读学位期间研究成果104

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