风电场次同步谐振仿真分析与抑制研究

【摘要】：随着全球气候变暖、环境问题的日益加重,越来越多的人将注意力集中在了可再生能源的利用上面。风能作为储量庞大的清洁能源,目前正受到广泛的关注。由于风能分布主要集中在偏远地区,大量用电负荷又集中在东部沿海地区,这使得跨区域长距离输电成为必然趋势。为了降低输电过程中的电能损耗,经常在输电线路中加装串联补偿电容,提高输电容量,降低线路损耗。含串补的输电线路有引起次同步谐振的可能,危及系统安全稳定运行。目前双馈是风力发电主要机型,实际投入运行过程中发现了有串补引起次同步谐振现象。文章基于次同步谐振第一标准模型搭建了风电场研究的一种模型。根据李雅普诺夫小干扰稳定性分析方法,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了所研究系统模型,并求取了特征矩阵的特征值,用于分析串补度与系统稳定性的关系。同时在PSCAD/EMTDC暂态仿真软件上进行了验证分析。研究表明,随着串补度的提升,系统诱发次同步谐振的可能性就越高,而且高串补度引发次同步谐振的原因为发生了感应发电机效应。对含双馈风电场的研究大多是将一定数量的发电机等效为一台等值机,而大多数等效原理是认为风速相同,即可以将所有风机进行简单的叠加,这种理想研究与实际现场情况误差较大。本文根据风轮机原理提出一种等值风速的概念,在此基础上提出一种新的建立风电场等值模型的方法。对同一风电场在相同和不同运行状况下的等值机模型进行了稳态分析和动态分析,并与风电场详细模型进行比较,验证模型的适应性。研究表明,通过等值风速构造等值机模型的方法对于系统静态分析和部分动态行为是适用的,但是对于系统次同步谐振的研究还需要进一步改造,将风机按不同风速进行划分,构造系统的详细模型。门极可控串联电容器(GCSC)是柔性交流输电装置家族中的重要一员,本文介绍了GCSC的原理,常规运行方式和控制器结构。详细分析了GCSC的谐波情况,比较研究了GCSC开、闭环控制模式下对次同步谐振的抑制效果。发现采用期望阻抗值作为控制目标不能最大程度上降低次同步谐振的风险。文章随后提出了采用附加阻尼的控制策略,将发电机转速或线路电流作为输入控制信号。通过电气阻尼分析发现采用线路电流作为输入控制信号能够有更好的抑制效果。为了验证这一分析的正确性,文章随后分别就两种不同输入控制信号进行了仿真分析,仿真结果与理论分析一致。 【关键词】：双馈风机 次同步谐振 小干扰稳定性分析 风电场等值 GCSC 阻尼控制
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 课题研究意义及背景11-12
• 1.2 国内外的研究现状12-13
• 1.3 风电场次同步谐振的研究内容13-15
• 1.4 次同步谐振分析方法15-18
• 1.5 次同步谐振的抑制措施18-20
• 1.6 本文的主要工作20-22
• 第2章 双馈风机输电系统模型与次同步谐振分析22-39
• 2.1 前言22
• 2.2 小干扰稳定性简介22-24
• 2.3 待研究系统介绍24
• 2.4 双馈风电场系统模型24-34
• 2.4.1 空气动力学模型24-25
• 2.4.2 转子轴系系统25-27
• 2.4.3 感应发电机模型27-30
• 2.4.4 变频器模型30-32
• 2.4.5 直流电容模型32-33
• 2.4.6 串补输电线模型33-34
• 2.5 全系统状态方程34-35
• 2.6 小干扰稳定性分析35-37
• 2.7 仿真分析37
• 2.8 本章小结37-39
• 第3章 风电场等值仿真模型研究与稳定性分析39-51
• 3.1 引言39
• 3.2 系统模型39-45
• 3.2.1 等值风轮机模型39-41
• 3.2.2 等值网络模型41-45
• 3.3 待研究模型45-46
• 3.4 仿真验证46-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 GCSC抑制风电场次同步谐振的研究51-62
• 4.1 引言51
• 4.2 GCSC模型与控制结构51-55
• 4.2.1 GCSC模型51-52
• 4.2.2 GCSC控制器结构52-53
• 4.2.3 GCSC等效基波电抗53-54
• 4.2.4 GCSC谐波分析54-55
• 4.3 GCSC抑制风电场次同步谐振的原理55
• 4.4 GCSC抑制次同步谐振研究55-61
• 4.4.1 开环控制对次同步谐振的抑制研究55-57
• 4.4.2 闭环控制对次同步谐振的抑制研究57-58
• 4.4.3 系统电气阻尼分析58-60
• 4.4.4 闭环控制抑制次同步谐振仿真分析60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 结论与展望62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果69

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