风电并网运行控制及频率调节研究

【摘要】：在化石能源即将枯竭和环境污染日益严重的今天,风能因为具有可再生、易开发以及具性价比高的优点,因此日益被人们所注重。因为风能有着不确定以及随机波动的特性,这样就造成风力发电设备所输出的电功率起伏较大,而且由于风电并网持续扩容,风力发电设备在输出电功率上的波动性与随机性给系统的调频控制带来的困难也更加突出,因此,有必要对此展开研究并提出解决措施。本文从变速风电机组(VSWT)输出功率平滑、频率控制两方面的研究总结,主要成果包括:(1)研究和分析风力发电的基本原理,构建风速,以及转动机的数学模型,同时构建风力涡轮机,还有发电机的数学模型,并以此为基础,构建风力发电的并网模型,以此对风电对配电网的影响进行研究。(2)讨论双馈风力发电机参数对系统惯性响应和频率控制的影响,分析了辅助惯性控制回路参数的作用。在此基础上,提出一种利用双馈感应发电机更有效参与系统频率调节的新方法,该方法利用双馈感应发电机的快速功率控制能力,瞬时释放转子的部分动能,提供早期频率支持。仿真计算表明,新方法可以更有效的改善系统频率响应。(3)在比较传统发电机组和风电机组的调频能力基础上,提出一种以整个风电场为对象的新型风电场调频控制策略,该策略基于分层架构,通过储备控制,既能在开始几秒钟提供快速有功功率支持,帮助水力发电为主的系统减少初始频率下降,在一定风速下,也能长期提供额外有功功率支持[1]。(4)由于风力不确定的特点,风力发电备用容量一般由常规电厂提供,这种方式不仅增加系统运营成本,而且在出现频率事件时增加系统压力。本文提出了一种新的策略,它利用变速风力发电机(VSWT)快速功率控制能力主动提供一次调频备用容量,该策略通过风力发电机卸载运行,即使风速在大范围内变化,也能够确保一次调频备用容量。仿真实验证明了该策略能有效地控制备用容量,使变速风力发电机参与系统频率控制。(5)分析了采用传统功率控制策略的风力发电系统的不足,提到了不需要增添辅助设施的一种全新的功率平滑控制策略,也就是在有效风速的范畴中,结合桨距控制和速度控制的风电场有功功率平滑控制策略。仿真结果表明,所提出的控制方案能有效降低风电场输出电功率的起伏。论文还对在直流侧增加超级电容的风电系统进行了研究,基于不对电网与电机的侧变流器的控制策略进行改变的前提下,和超级电容储能系统方面的能量控制策略进行有机的结合,让输出功率能够实现平滑控制。 【关键词】：风力发电 双馈感应发电机 功率波动 有功功率平滑 频率控制 惯性响应 备用容量 卸载运行
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 研究背景及其意义12-14
• 1.2 风电发展状况14-16
• 1.3 风电发展面临的问题16-17
• 1.4 风力发电系统有功功率平滑控制技术研究现状17-22
• 1.5 变速风电机组参与调频的研究现状22-26
• 1.6 本文的主要研究内容26-28
• 第二章 风力发电机并网情况分析28-48
• 2.1 引言28
• 2.2 风力发电技术28-31
• 2.2.1 恒速恒频风力发电技术28-29
• 2.2.2 变速恒频风力发电技术29-31
• 2.3 风力发电机的运行机理31-34
• 2.4 风力机与传动模型34-38
• 2.4.1 风速模型34-35
• 2.4.2 风力机模型35-37
• 2.4.3 传动机构数学建模37-38
• 2.5.恒速恒频风力发电机数学模型38-39
• 2.6 变速恒频双馈风力发电机数学模型39-42
• 2.7 风力发电机并网分析42-47
• 2.7.1 并网风力发电机的模型42-43
• 2.7.2 风电并入电网情况研究43-47
• 2.8 小结47-48
• 第三章 常规机组和风力发电频率特性比较48-59
• 3.1 不同风电机组的频率响应特性分析48-53
• 3.1.1 普通异步机的频率响应特性48-50
• 3.1.2 DFIG机组的频率响应特性50-53
• 3.3 常规机组和风力发电频率特性比较53-55
• 3.3.1 双馈发电机可能释放的动能远远超过普通同步机53
• 3.3.2 常规机组和风力发电频率响应特性比较53-54
• 3.3.3 讨论54-55
• 3.4 变速风力发电短期有功功率支持能力55-58
• 3.5 小结58-59
• 第四章 基于功率滤波的风力场功率平滑控制59-75
• 4.1 风电功率波动情况介绍59-63
• 4.1.1 风速波动情况介绍59-60
• 4.1.2 风电功率波动特性60-61
• 4.1.3 风能波动的频率范围61-62
• 4.1.4 风电功率波动的时空分布特性62-63
• 4.2 风力发电机扩展桨距控制原理63-66
• 4.3 基于功率滤波的风电场功率平滑控制66-74
• 4.3.1 基于分频风电场功率平滑控制67-71
• 4.3.2．仿真结果及分析71-74
• 4.4 小结74-75
• 第五章 采用超级电容器储能的永磁直驱风电机组输出功率平滑控制策略75-90
• 5.1 直驱风电系统的结构75-76
• 5.2 电机侧变换器的控制策略76-77
• 5.3 储能单元控制策略77-81
• 5.3.1 超级电容模型77-78
• 5.3.2 储能单元结构原理78-79
• 5.3.3 储能单元数学模型79-80
• 5.3.4 储能单元储能容量的配置80-81
• 5.4 网侧逆变单元控制策略81-83
• 5.4.1 电网侧变流器数学模型81-82
• 5.4.2 网侧逆变器控制策略82-83
• 5.5 永磁同步发电机的数学模型83
• 5.6 输出功率平滑控制策略83-85
• 5.7 输出功率平滑的仿真研究85-89
• 5.7.1 仿真模型85-86
• 5.7.2 输出功率稳定仿真86-89
• 5.8 小结89-90
• 第六章 双馈风力发电机参与系统频率调节研究90-101
• 6.1 频率响应机理分析90-93
• 6.1.1 惯性控制分析90-92
• 6.1.2 控制器参数对系统惯性的影响分析92-93
• 6.2 系统仿真93-98
• 6.2.1 仿真系统模型93
• 6.2.2 双馈发电机的频率响应93-95
• 6.2.3 初始转速对惯性控制的影响95-96
• 6.2.4 控制器参数对惯性控制的影响96-97
• 6.2.5 最大功率跟踪MPT特性的影响97
• 6.2.6 滤波器参数的影响97-98
• 6.3 新的调频控制策略98-100
• 6.4 小结100-101
• 第七章 变速风力发电机提供调频备用容量101-116
• 7.1 变速风电发电机调频和储备控制机理101-103
• 7.2 新型风电调频和储备控制策略103-107
• 7.2.1 基本思想103-104
• 7.2.2 风力发电机卸载运行104-106
• 7.2.3 根据频率变化改变运行点106-107
• 7.3 仿真实例107-114
• 7.3.1 卸载运行和备用容量108-112
• 7.3.2 在风速高时满负荷运行112-113
• 7.3.3 在中风速时部分负荷运行113-114
• 7.3.4.紧急调控模式114
• 7.4 本章小结114-116
• 第八章 基于分层架构的风电场频率调节策略116-122
• 8.1 风电场频率控制方案117-121
• 8.2 小结121-122
• 第九章 结论与展望122-125
• 9.1 结论122-123
• 9.2 展望123-125
• 参考文献125-129
• 附录129-132
• 攻读博士学位期间参与的科研项目132-133
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文133-134
• 攻读博士学位期间发明专利134-135
• 致谢135-137

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