大型风电机组与电网间的相互作用研究

【摘要】：本文对风机与电网间的关系问题进行分析,研究重点为近几年在风电场出现的实际问题。以在风电场和风电机组现场实测数据为基础,采用多种分析工具和算法把现场问题的检测数据图形化,找出其中内在的规律性。本文主要研究成果如下：1.通过对多种类型风机的大量电压、电流实时采样测量数据的图形化分析,建立了三维的谐波幅度频率-风机功率空间,找出了变速恒频风电机组谐波的发生规律。提出了可变频率谐波的概念,解决了风电机组各次谐波、间谐波最大值出现的随机性问题。从理论上建立了统一的风电机组确定性谐波幅频-功率模型。采用三种风机电能质量数据,对此模型进行了验证,证明了模型的有效性和精确性,并给出了确定模型中各项参数的具体实验方法。定速风机作为简化特例该模型也适用。2.通过对谐波相位的控制,可以有效的降低风电场各机组谐波分量的叠加,从而提高了整个风电场的电能质量。结合风电机组现场测量数据,在IEC61400-21风电电能质量标准的基础上,对风电机组的主要整数次特征谐波进行分析,提出了风电机组谐波相位的分析统计方法,并应用该方法对风场实测电能质量数据和仿真数据的相位进行了分析,由此统计预估出各台风机谐波叠加后,形成的整个风电场特征谐波的数值。3.结合风机实际运行数据,对电网电压过高提出了风电机组高电压穿越(HVRT)过程中可能出现的谐波和直流母线过电压问题进行分析,提出了在现有低电压穿越(LVRT)硬件设备的基础上,修改相应的测试方法和控制算法,实现对风机HVRT的检测实验,和风电机组的HVRT控制。4.分析提出风电机组的特征谐波频率决定于转子电流频率与电网频率数倍频之后的合成,通过理论分析结合实测找出幅值最大的特征间谐波,进行理论和计算机仿真分析,提出了基于风机转速的可变步长的检测分析方法,较为准确的分析出特征频次间谐波的频率、幅值及相位。分析了风机闪变的类型和计算方法,对比研究了风机闪变和低频谐波的关系。5.结合风电现场测量数据,分析了电网异常对风电机组的影响。主要针对电网电压不平衡以及电网电压过高的情况,总结了风电机组在两种电网条件下,工作中出现的谐波、变流器过电压等现象。对由于电网电压不平衡使风电机组产生的大量的三次谐波和间谐波进行了理论分析计算和仿真,得出由电网电压不平衡原因产生的三次谐波,是按三相正序分布,与电网基波电流一样可以通过各种接线形式的变压器,进入风电场及大电网中。提出了改进的控制控制算法,抑制了输出电流中的三次谐波含量。6.结合风场发生的电力系统谐振现场数据,从理论上分析了由风机暂态过程引发的电力系统次同步谐振(SSR)和由此引发的风机传动链与发动机之间的扭振对机组机械、电气系统造成的破坏作用,并提出了相应的检测方法及抑制手段。针对风机并网、切换以及补偿电容投切过程的暂态过程进行理论分析,结合现场运行数据及数值仿真结果,总结出这些暂态过程可能对风电机组运行带来的负面影响。7.总结了目前国内主流机型及其特点,并针对三种主流机型进行了理论分析,采用EMTP和MATLAB工具,按照IEC61400-27风电机组建模标准,对定桨定速风机、变桨双馈风机和永磁直驱风机建立了机械、电气仿真模型。结合标准的风资源实验模型,建立了风电机组气动输入功率数据表,用于模拟机组在实际风电场的运行工况。建立了可用于机电、电磁暂态及各次谐波分析的风电机组模型。 【关键词】：风电机组 谐波模型 可变频率谐波 间谐波测量 电网不平衡 高电压穿越 次同步谐振
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-32
• 1.1 引言12-15
• 1.1.1 风电并网的主要问题13-14
• 1.1.2 我国针对风电并网问题采取的解决方法14-15
• 1.2 大型风电机组对电网的影响15-24
• 1.2.1 风电场无功及电压问题15-16
• 1.2.2 风电机组低电压穿越及高电压穿越问题16
• 1.2.3 风电场有功调度及频率稳定性16-19
• 1.2.4 风电场电能质量问题19-22
• 1.2.5 风电机组谐波分类和谐波模型22-24
• 1.3 电网对风电机组的影响及作用24-30
• 1.3.1 电网电压不平衡对风电机组的影响24-26
• 1.3.2 电网电压过高对风电机组的影响26-28
• 1.3.3 电网电压谐波及次同步谐振对机组的影响28-29
• 1.3.4 风电机组和风电场的基本调控手段29-30
• 1.4 本文主要研究内容与章节安排30-32
• 第2章 风电机组建模32-57
• 2.1 引言32
• 2.2 并网型风电机组原理、结构及类型32-37
• 2.2.1 风力发电的基础理论及风机基本模型33-34
• 2.2.2 大型风力发电机组的基本结构34
• 2.2.3 大型风力发电机组的种类34-37
• 2.3 主流风机机械传动系统模型-轴系模型37-39
• 2.3.1 有齿箱型风机的三质量块状态方程37-38
• 2.3.2 直驱和半直驱型风机的两质量块简化模型38-39
• 2.4 主流风机电气系统建模39-49
• 2.4.1 定桨失速型风电机组电气模型39-45
• 2.4.2 变桨矩双馈型发电机模型45-47
• 2.4.3 永磁直驱型风力发电机模型47-49
• 2.5 变速恒频风机转矩和功率控制模型49-52
• 2.5.1 转矩和功率控制的原理49-50
• 2.5.2 仿具模型转矩-功率数值的给定50-52
• 2.6 变速恒频风机变流器控制模型52-55
• 2.6.1 变流器转子侧控制53-54
• 2.6.2 变流器电网侧控制模型54-55
• 2.7 本章小结55-57
• 第3章 风电机组与电网的暂态过程分析57-80
• 3.1 引言57-58
• 3.2 风电机组并网及发电机切换过程58-60
• 3.3 补偿电容运行与投切过程60-69
• 3.3.1 补偿电容切入的暂态过程分析61-64
• 3.3.2 补偿电容切入的暂态过程仿真64-66
• 3.3.3 风机软启动对补偿电容投切的影响66-69
• 3.4 双馈机组与电网的次同步谐振分析69-74
• 3.4.1 电网次同步谐振的发生机理69-71
• 3.4.2 电网的次同步谐振与双馈风机的轴系扭振71-74
• 3.5 电网谐振与风机的扭振74-79
• 3.5.1 风机机械扭振的发生机理74-76
• 3.5.2 定速风机组的扭振仿真模型76-77
• 3.5.3 风电场定速风机组的扭振仿真结果77-79
• 3.6 本章小结79-80
• 第4章 风电机组谐波和闪变对系统的影响分析80-131
• 4.1 引言80
• 4.2 风电电能质量检测80-82
• 4.2.1 风场电能质量的检测方法80-82
• 4.2.2 机组数据要求和接线形式82
• 4.3 整数次谐波和高次谐波测量分析82-93
• 4.3.1 整数次谐波分析和计算82-86
• 4.3.2 风电变流器谐波理论分析86-87
• 4.3.3 风电机组整数次谐波幅值分析评估87-91
• 4.3.4 高次谐波分析91-93
• 4.4 间谐波分析93-100
• 4.4.1 间谐波产生原理93-94
• 4.4.2 IEC框架下的间谐波测量94-95
• 4.4.3 可变的时间窗口测量方法95-97
• 4.4.4 可变的时间窗口测量方法应用实例97-98
• 4.4.5 不依赖转子速度的改进型S变换测量方法98-100
• 4.5 变速恒频风电机组特征谐波模型100-114
• 4.5.1 机组特征谐波分析与建模100-107
• 4.5.2 模型计算验证107-112
• 4.5.3 谐波模型的参数及辨识112-114
• 4.6 谐波相位分析114-122
• 4.6.1 谐波相位分析的意义114-115
• 4.6.2 谐波相位的计算方法115-118
• 4.6.3 谐波相位分析评估方法118-122
• 4.7 闪变分析122-127
• 4.7.1 基于IEC标准的闪变分析方法122-123
• 4.7.2 风电机组特征闪变的分类与计算123-125
• 4.7.3 闪变与低频间谐波的区别和联系125-127
• 4.8 风电场电网谐波闪变分析127-129
• 4.8.1 风电场电力系统谐波传输模型127-128
• 4.8.2 风电场谐波和闪变的叠加计算128-129
• 4.9 本章小结129-131
• 第5章 电网电压异常对风电机组的影响131-160
• 5.1 引言131-133
• 5.2 电网电压不平衡对风电机组的影响133-146
• 5.2.1 电压不平衡对风电机组电流平衡的影响133-135
• 5.2.2 电网电压不平衡时机组电流谐波分布135-137
• 5.2.3 电网电压不平衡时变流器谐波分析137-146
• 5.3 电网电压不平衡的补偿方法146-148
• 5.3.1 算法改进的控制目标146
• 5.3.2 正负序电压的检测与目标电流计算146-148
• 5.4 系统电压偏高对机组的影响(HVRT)148-158
• 5.4.1 HVRT问题及产生原因及测试方法149-152
• 5.4.2 HVRT问题对风电机组的影响152-156
• 5.4.3 HVRT的风机控制方法156-158
• 5.5 本章小结158-160
• 第6章 结束语160-162
• 6.1 本文主要工作总结160
• 6.2 进一步的研究展望160-162
• 参考文献162-173
• 致谢173-174
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文和承担的项目174-175

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