變速風電機組的虛擬慣性與系統阻尼控制研究

【摘要】：大規(guī)模風電場集中接入電網將導致系統慣性和阻尼特性改變,因而高風電滲透率電網的穩(wěn)定性問題遠比傳統電網嚴峻。本文首先建立了變速風電機組的動態(tài)模型,進而分析高滲透率風電對系統慣性和阻尼的影響。然后在變速風電機組變流器最大功率跟蹤控制的基礎上,研究基于功率跟蹤優(yōu)化的虛擬慣性控制,以及基于有功調制和無功調制的對系統功率振蕩的阻尼控制。最后提出變速風電機組的虛擬慣性與阻尼控制相結合的綜合控制策略,不僅使其對電網頻率具備動態(tài)支持能力,并能夠有效抑制系統低頻振蕩,有效解決高風電滲透率的區(qū)域電網在有功擾動后將面臨的頻率穩(wěn)定和功角穩(wěn)定問題。本文的主要研究成果如下： (1)建立了變速風電機組的動態(tài)模型,包括：雙饋異步發(fā)電機模型、永磁同步發(fā)電機模型、變速風電機組變流器及其控制系統模型、風力機及槳距角控制系統模型,用于研究大規(guī)模風電場接入電網后對系統慣性和阻尼特性的影響。 (2)分析了變速風電機組并網后表現出的慣性與同步發(fā)電機慣性以及與自身機械慣性的區(qū)別,擴展了含風電場的系統慣性定義。通過改進最大功率跟蹤控制,提出了變速風電機組基于功率跟蹤優(yōu)化的虛擬慣性控制策略,在確保風電機組慣性控制過程安全運行的同時,使風電機組具有可控的慣性響應,能夠對系統頻率提供有效的動態(tài)支持。 (3)分析了變速風電機組并網后對系統阻尼特性的影響,基于簡單系統的小擾動穩(wěn)定分析,理論分析了通過風電機組的有功調制和無功調制增強系統阻尼的原理,提出風電機組有功、無功附加阻尼控制策略。并進一步分析了有功阻尼控制和無功阻尼控制對風電機組的故障穿越能力的影響,使風電機組在系統出現大擾動后,不僅能夠不脫網運行,并且具有改善系統的阻尼特性的能力。 (4)分析了虛擬慣性控制和有功阻尼控制對風電機組電磁功率的調節(jié)特性,實現了兩種控制的有機結合,最終提出了具備慣性和阻尼功能的有功調制方法。在虛擬慣性和有功阻尼控制的基礎上,利用風電機組變流器無功裕量,通過附加無功阻尼控制,進一步提高了變速風電機組阻尼系統功率振蕩的能力,并綜合考慮了虛擬慣性控制、有功阻尼控制、無功阻尼控制對電網及風電機組安全運行的影響,協調解決了多重控制目標間的矛盾,從而實現了變速風電機組綜合PSS控制目標。 【關鍵詞】：風力發(fā)電 虛擬慣性 頻率響應 穩(wěn)定性 阻尼控制
【學位授予單位】：華北電力大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 課題背景及意義14-15
• 1.2 國內外研究動態(tài)15-26
• 1.2.1 風力發(fā)電及電網友好型風電技術15-17
• 1.2.2 變速風電機組故障穿越控制技術17-18
• 1.2.3 變速風電機組頻率控制技術18-22
• 1.2.4 變速風電機組阻尼控制技術22-26
• 1.3 本文研究內容26-28
• 第2章 變速風力發(fā)電機組模型及控制系統28-57
• 2.1 引言28-29
• 2.2 風力發(fā)電機組的類型與特點29-32
• 2.3 雙饋風電機組模型及控制系統32-45
• 2.3.1 雙饋感應發(fā)電機的運行原理32-33
• 2.3.2 雙饋感應發(fā)電機的數學模型33-38
• 2.3.3 雙饋風電機組變流器的數學模型38-40
• 2.3.4 雙饋風電機組的控制系統40-45
• 2.4 永磁風電機組模型及控制系統45-52
• 2.4.1 永磁風電機組的運行原理45-46
• 2.4.2 永磁同步發(fā)電機的數學模型46-47
• 2.4.3 永磁風電機組變流器的數學模型47-49
• 2.4.4 永磁風電機組的控制系統49-52
• 2.5 變槳風力機模型及控制系統52-55
• 2.5.1 風力機模型52-53
• 2.5.2 風力機控制系統53-55
• 2.6 本章小結55-57
• 第3章 變速風電機組的虛擬慣性控制57-79
• 3.1 引言57-58
• 3.2 變速風電機組的虛擬慣量58-61
• 3.3 變速風電機組的虛擬慣性控制策略61-66
• 3.3.1 附加慣性控制61-62
• 3.3.2 基于功率跟蹤優(yōu)化的虛擬慣性控制62-66
• 3.4 變速風電機組對系統慣性支持的仿真分析66-77
• 3.4.1 系統簡介66-68
• 3.4.2 負荷突變時的仿真分析68-72
• 3.4.3 風速變化時的仿真分析72-74
• 3.4.4 變速風電機組與同步發(fā)電機組的慣性響應對比分析74-75
• 3.4.5 基于功率跟蹤優(yōu)化的虛擬慣性控制與附加慣性控制的對比分析75-77
• 3.5 本章小結77-79
• 第4章 變速風電機組對系統功率振蕩的阻尼控制79-100
• 4.1 引言79-80
• 4.2 變速風電機組的故障穿越控制策略80-87
• 4.2.1 雙饋風電機組的故障穿越控制方案80
• 4.2.2 永磁風電機組的故障穿越控制方案80-87
• 4.3 變速風電機組改善系統阻尼的控制策略87-93
• 4.3.1 有功阻尼控制策略87-90
• 4.3.2 無功阻尼控制策略90-93
• 4.4 變速風電機組改善系統阻尼的仿真分析93-98
• 4.4.1 系統簡介93-94
• 4.4.2 永磁風電機組的阻尼控制94-97
• 4.4.3 雙饋風電機組的阻尼控制97-98
• 4.5 本章小結98-100
• 第5章 變速風電機組的綜合PSS控制100-115
• 5.1 引言100-101
• 5.2 慣性控制對系統阻尼特性的影響101-105
• 5.2.1 基于功率跟蹤優(yōu)化的虛擬慣性控制對系統阻尼特性的影響101-104
• 5.2.2 附加慣性控制對系統阻尼特性的影響104-105
• 5.3 變速風電機組的綜合PSS控制策略105-106
• 5.4 變速風電機組的綜合PSS控制器106-108
• 5.5 綜合PSS控制改善系統慣性與阻尼的仿真分析108-113
• 5.5.1 變速風電機組的虛擬慣性響應109-111
• 5.5.2 綜合PSS控制改善系統阻尼特性的仿真分析111-113
• 5.5.3 慣性控制對系統阻尼特性影響的對比分析113
• 5.6 本章小結113-115
• 第6章 結論與展望115-117
• 6.1 結論115-116
• 6.2 進一步研究工作展望116-117
• 參考文獻117-126
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果126-128
• 攻讀博士學位期間參加的科研工作128-129
• 致謝129-130
• 作者簡介130

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