变速风电机组的虚拟惯性与系统阻尼控制研究

【摘要】：大规模风电场集中接入电网将导致系统惯性和阻尼特性改变,因而高风电渗透率电网的稳定性问题远比传统电网严峻。本文首先建立了变速风电机组的动态模型,进而分析高渗透率风电对系统惯性和阻尼的影响。然后在变速风电机组变流器最大功率跟踪控制的基础上,研究基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制,以及基于有功调制和无功调制的对系统功率振荡的阻尼控制。最后提出变速风电机组的虚拟惯性与阻尼控制相结合的综合控制策略,不仅使其对电网频率具备动态支持能力,并能够有效抑制系统低频振荡,有效解决高风电渗透率的区域电网在有功扰动后将面临的频率稳定和功角稳定问题。本文的主要研究成果如下： (1)建立了变速风电机组的动态模型,包括：双馈异步发电机模型、永磁同步发电机模型、变速风电机组变流器及其控制系统模型、风力机及桨距角控制系统模型,用于研究大规模风电场接入电网后对系统惯性和阻尼特性的影响。 (2)分析了变速风电机组并网后表现出的惯性与同步发电机惯性以及与自身机械惯性的区别,扩展了含风电场的系统惯性定义。通过改进最大功率跟踪控制,提出了变速风电机组基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制策略,在确保风电机组惯性控制过程安全运行的同时,使风电机组具有可控的惯性响应,能够对系统频率提供有效的动态支持。 (3)分析了变速风电机组并网后对系统阻尼特性的影响,基于简单系统的小扰动稳定分析,理论分析了通过风电机组的有功调制和无功调制增强系统阻尼的原理,提出风电机组有功、无功附加阻尼控制策略。并进一步分析了有功阻尼控制和无功阻尼控制对风电机组的故障穿越能力的影响,使风电机组在系统出现大扰动后,不仅能够不脱网运行,并且具有改善系统的阻尼特性的能力。 (4)分析了虚拟惯性控制和有功阻尼控制对风电机组电磁功率的调节特性,实现了两种控制的有机结合,最终提出了具备惯性和阻尼功能的有功调制方法。在虚拟惯性和有功阻尼控制的基础上,利用风电机组变流器无功裕量,通过附加无功阻尼控制,进一步提高了变速风电机组阻尼系统功率振荡的能力,并综合考虑了虚拟惯性控制、有功阻尼控制、无功阻尼控制对电网及风电机组安全运行的影响,协调解决了多重控制目标间的矛盾,从而实现了变速风电机组综合PSS控制目标。 【关键词】：风力发电 虚拟惯性 频率响应 稳定性 阻尼控制
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 课题背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究动态15-26
• 1.2.1 风力发电及电网友好型风电技术15-17
• 1.2.2 变速风电机组故障穿越控制技术17-18
• 1.2.3 变速风电机组频率控制技术18-22
• 1.2.4 变速风电机组阻尼控制技术22-26
• 1.3 本文研究内容26-28
• 第2章 变速风力发电机组模型及控制系统28-57
• 2.1 引言28-29
• 2.2 风力发电机组的类型与特点29-32
• 2.3 双馈风电机组模型及控制系统32-45
• 2.3.1 双馈感应发电机的运行原理32-33
• 2.3.2 双馈感应发电机的数学模型33-38
• 2.3.3 双馈风电机组变流器的数学模型38-40
• 2.3.4 双馈风电机组的控制系统40-45
• 2.4 永磁风电机组模型及控制系统45-52
• 2.4.1 永磁风电机组的运行原理45-46
• 2.4.2 永磁同步发电机的数学模型46-47
• 2.4.3 永磁风电机组变流器的数学模型47-49
• 2.4.4 永磁风电机组的控制系统49-52
• 2.5 变桨风力机模型及控制系统52-55
• 2.5.1 风力机模型52-53
• 2.5.2 风力机控制系统53-55
• 2.6 本章小结55-57
• 第3章 变速风电机组的虚拟惯性控制57-79
• 3.1 引言57-58
• 3.2 变速风电机组的虚拟惯量58-61
• 3.3 变速风电机组的虚拟惯性控制策略61-66
• 3.3.1 附加惯性控制61-62
• 3.3.2 基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制62-66
• 3.4 变速风电机组对系统惯性支持的仿真分析66-77
• 3.4.1 系统简介66-68
• 3.4.2 负荷突变时的仿真分析68-72
• 3.4.3 风速变化时的仿真分析72-74
• 3.4.4 变速风电机组与同步发电机组的惯性响应对比分析74-75
• 3.4.5 基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制与附加惯性控制的对比分析75-77
• 3.5 本章小结77-79
• 第4章 变速风电机组对系统功率振荡的阻尼控制79-100
• 4.1 引言79-80
• 4.2 变速风电机组的故障穿越控制策略80-87
• 4.2.1 双馈风电机组的故障穿越控制方案80
• 4.2.2 永磁风电机组的故障穿越控制方案80-87
• 4.3 变速风电机组改善系统阻尼的控制策略87-93
• 4.3.1 有功阻尼控制策略87-90
• 4.3.2 无功阻尼控制策略90-93
• 4.4 变速风电机组改善系统阻尼的仿真分析93-98
• 4.4.1 系统简介93-94
• 4.4.2 永磁风电机组的阻尼控制94-97
• 4.4.3 双馈风电机组的阻尼控制97-98
• 4.5 本章小结98-100
• 第5章 变速风电机组的综合PSS控制100-115
• 5.1 引言100-101
• 5.2 惯性控制对系统阻尼特性的影响101-105
• 5.2.1 基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制对系统阻尼特性的影响101-104
• 5.2.2 附加惯性控制对系统阻尼特性的影响104-105
• 5.3 变速风电机组的综合PSS控制策略105-106
• 5.4 变速风电机组的综合PSS控制器106-108
• 5.5 综合PSS控制改善系统惯性与阻尼的仿真分析108-113
• 5.5.1 变速风电机组的虚拟惯性响应109-111
• 5.5.2 综合PSS控制改善系统阻尼特性的仿真分析111-113
• 5.5.3 惯性控制对系统阻尼特性影响的对比分析113
• 5.6 本章小结113-115
• 第6章 结论与展望115-117
• 6.1 结论115-116
• 6.2 进一步研究工作展望116-117
• 参考文献117-126
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果126-128
• 攻读博士学位期间参加的科研工作128-129
• 致谢129-130
• 作者简介130

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