大规模双馈型风电并网稳定性仿真研究

【摘要】：受化石能源日趋枯竭和全球环境日益恶化的驱动,风力发电作为最有发展潜力的可再生能源,在世界范围内得到了快速地发展。然而统计显示,我国很多风电场在建起来后无法实现并网发电,“并网难”问题已成为风电发展的-个瓶颈,对风电场和电网双边对并网稳定性的影响进行更加深入地研究在这个时候变得颇有意义。 本文以目前采用最为广泛的双馈风电机组为研究对象,对变速恒频原理,风力机、轴系传动机构、双馈电机和变流器等模块的数学模型进行了详细地分析,并深入地研究了变桨距、最大功率跟踪和矢量定向等控制技术。 针对风电建模与仿真,对目前常用的几种电力系统仿真工具进行了比较,并在Matlab/Simulink和DIgSILENT中分别搭建了含有双馈风电场的电力系统模型。Matlab/Simulink中采用的电网模型比较简单,主要用来对风电机组自身的运行特性进行研究,仿真分析了双馈风电机组最大功率跟踪运行特性及组合风速模型；DIgSILENT中采用了IEEE9节点电力系统模型,风电场与电网之间使用了较长的输电线路,风电容量占电力系统全部容量的比例达13.6%,能较好地模拟我国风电大规模远距离的特点,仿真分析了风速扰动对含有双馈风电场电力系统运行的影响。 提出一种基于无功功率判定的Crowbar保护电路退出控制策略。低电压穿越能力是风电并网要求中的核心内容,目前主要通过增加Crowbar保护电路来实现风电机组在电网发生大扰动情况下的低电压穿越。Crowbar电路的投切时间对风电机组的低电压穿越能力影响很大,然而目前还没有较好的Crowbar电路退出控制策略,本文系统地仿真了各种短路故障条件下,双馈风电机组电压和电流、有功和无功功率、转速等重要参量的动态响应情况,并对机组的无功功率特性进行了深入地数学分析,通过对机组输出的无功功率进行实时测量与判定,控制Crowbar电路在故障清除后立刻退出,改善了双馈风电机组的低电压穿越能力。 通过对网侧变流器控制策略进行改进,使其在电网发生故障时运行于STATCOM模式,并额外增加动态无功补偿装置,改善了故障清除后电网电压的恢复情况；通过增加直流侧耗能电路,有效快速地降低了电网发生故障时变流器直流母线过电压；通过对转子侧变流器控制策略进行改进,附加一个转速稳定环节,使机组转速在故障清除后快速地恢复到稳态值。 仿真分析了Crowbar电阻不同取值对双馈风电机组运行特性的影响,指出Crowbar电路耗能电阻取值范围的常规整定方法没有考虑到耗能电阻与电机转速之间的相互影响,并对Crowbar电阻的整定方法进行了改进。 本文从Crowbar电路退出控制策略的改进,进行动态无功补偿以稳定机组端电压,抑制直流母线故障过电压和稳定电机转速四个方面提高了双馈风电机组的低电压穿越能力。 【关键词】：变速恒频双馈风电机组 最大功率跟踪 矢量定向控制技术 低电压穿越 Crowbar保护电路 静止同步补偿器 直流侧耗能电路 附加转速稳定器
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614;TM743
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 课题背景13-15
• 1.1.1 能源与环境危机13
• 1.1.2 国际风力发电发展情况13-14
• 1.1.3 国内风力发电发展情况14-15
• 1.2 常用的风电机组类型及其发展趋势15-17
• 1.3 并网风电场与电网之间的相互影响17-18
• 1.3.1 并网风电场对电网的影响17-18
• 1.3.2 电力系统对并网风电场的要求18
• 1.4 变速恒频风电并网技术18-22
• 1.4.1 双馈风电场的并网方式18-19
• 1.4.2 风电并网稳定性研究现状19-20
• 1.4.3 双馈风电机组低电压穿越技术研究现状20-22
• 1.5 本文研究意义和主要工作22-23
• 1.6 本文章节安排23-25
• 第2章 变速恒频双馈风电机组数学模型25-39
• 2.1 双馈风电机组变速恒频工作原理25
• 2.2 风力机的空气动力学模型25-29
• 2.2.1 叶素理论26-27
• 2.2.2 风能计算27
• 2.2.3 贝兹理论27-29
• 2.2.4 风能利用系数29
• 2.3 轴系传动机构模型29-30
• 2.4 双馈异步电机数学模型30-36
• 2.4.1 双馈电机在三相静止坐标系下的动态数学模型30-33
• 2.4.2 双馈电机静态数学模型33-34
• 2.4.3 双馈电机能量传递关系34-36
• 2.5 网侧变流器在三相静止坐标系下的数学模型36-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第3章 变速恒频双馈风电机组控制系统模型39-54
• 3.1 风力机桨距角控制原理39-40
• 3.2 双馈风电机组最大风能捕获控制原理40-42
• 3.2.1 最大功率跟踪控制原理41-42
• 3.2.2 双馈风电机组的运行区域阶段42
• 3.3 坐标变换及矢量定向控制技术42-44
• 3.4 网侧变流器控制44-49
• 3.4.1 网侧变流器在两相同步旋转坐标系下的数学模型44-45
• 3.4.2 网侧变流器矢量定向控制45-49
• 3.5 转子侧变流器控制49-53
• 3.5.1 双馈电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型49-50
• 3.5.2 双馈电机矢量定向控制50-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第4章 双馈风电机组的建模与仿真54-74
• 4.1 仿真工具选择54-56
• 4.2 双馈风电机组最大功率跟踪仿真56-61
• 4.2.1 Matlab/Simulink中含双馈风电场的电力系统模型56-58
• 4.2.2 仿真分析58-61
• 4.3 组合风速模型61-64
• 4.4 风速扰动对双馈风电机组运行的影响64-73
• 4.4.1 DIgSILENT中含双馈风电场的电力系统模型64-70
• 4.4.2 仿真分析70-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第5章 双馈风电机组低电压穿越技术74-95
• 5.1 低电压穿越技术简介74-75
• 5.2 Crowbar保护电路75-77
• 5.3 Crowbar退出时间控制77-83
• 5.3.1 双馈风电机组无功功率特性78
• 5.3.2 故障切除判定方法78-79
• 5.3.3 整定值计算79
• 5.3.4 仿真分析79-83
• 5.4 动态无功补偿83-87
• 5.4.1 额外增加STATCOM83-84
• 5.4.2 网侧变流器STATCOM运行模式84-85
• 5.4.3 仿真分析85-87
• 5.5 直流侧耗能电路87-89
• 5.5.1 直流侧耗能电路原理87-88
• 5.5.2 仿真分析88-89
• 5.6 附加转速稳定器89-91
• 5.6.1 附加转速稳定器控制原理89-90
• 5.6.2 仿真分析90-91
• 5.7 Crowbar电阻取值91-94
• 5.7.1 Crowbar电阻取值范围整定91-92
• 5.7.2 仿真研究92-94
• 5.8 本章小结94-95
• 总结与展望95-97
• 致谢97-98
• 参考文献98-104
• 攻读硕士学位期间参与的项目和发表的学术论文104

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