含飞轮储能单元的永磁直驱风电系统频率调节控制策略研究

【摘要】：随着电力系统中风电穿透率的不断增大，风电机组对电网的影响日趋显著，同时电网对并网运行的风电机组提出了越来越高的要求。由于风能的间歇性、波动性和随机性，导致风电机组在电网中有功出力往往存在波动，对电网频率维持稳定有一定负面作用。目前，世界各风电大国均对电网频率偏离额定频率时的风电机组运行能力提出了要求，一方面，要求风电机组在电网频率波动时能够尽可能得保持自身稳定运行；另一方面，希望风电机组能够像传统发电机组一样向系统提供调频功率辅助电网进行频率调节。因此，本文从保证风电机组在各工况下为电网贡献稳定的辅助调频能力且提高风电接入系统电能质量的角度出发，研究了含飞轮储能单元的永磁直驱风电系统参与频率调节控制策略。研究内容对提高大规模风电并网之后的电网频率稳定性和建设“电网友好型”风电场有一定意义。 本文以目前得到广泛应用的永磁直驱风力发电系统为研究对象，在掌握了永磁直驱风电机组工作原理和基本控制策略的基础上，开展了以下工作： ①建立了含飞轮储能单元永磁直驱风力发电系统的完整模型。提出了电网频率无波动时电机侧变换器、电网侧变换器及飞轮侧变换器3变换器的稳态运行控制策略，通过仿真计算验证了控制策略的正确性和可行性。为进一步研究电网频率波动时含飞轮储能单元的永磁直驱风力发电系统运行与控制策略奠定了基础。 ②分析并建立了含飞轮储能单元的永磁直驱风力发电系统频率调节模型，基于提高电力系统等效惯量和阻尼增强电网频率稳定性和保证全工况下系统稳定调频能力的角度考虑，提出了基于传统比例微分控制的含飞轮储能单元永磁直驱风力发电系统频率调节控制策略，建立了包含永磁同步风力发电机、同步发电机和飞轮储能单元的微电网仿真系统以论证所提控制策略，根据造成含风电电力网络频率波动的可能原因设计了相应全工况仿真系统。仿真计算结果表明：应用该控制策略的风力发电系统可在全工况下保证风能利用率的同时，为电网提供稳定的频率调节能力，有效增强含风电电力系统频率稳定性。 ③定性分析了系统等效惯量和阻尼的大小对电网频率处于波动发生阶段和波动恢复阶段的影响，从减小电网频率波动幅值、加快电网频率恢复速度以及提高电网频率恢复精度的角度考虑，提出采用模糊比例微分控制器以达到根据电网频率状态动态调节系统等效惯量和阻尼的方法。为验证所设计的模糊比例微分控制器对系统稳定性的影响，建立了考虑电网频率变化的含飞轮储能单元永磁直驱风力发电系统小干扰稳定性模型，分析不同模糊控制器输出变量论域对系统稳定性的影响，计算表明在所提模糊控制器输出论域范围内系统稳定性良好。仿真计算结果验证了所提基于模糊比例微分控制的含飞轮储能单元永磁直驱风电机组频率调节控制策略的有效性和适应性。 【关键词】：风力发电 永磁直驱发电机 频率稳定性 飞轮储能单元 模糊控制
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 风力发电技术发展背景9-10
• 1.2 国内外风电机组频率调节研究现状10-12
• 1.3 飞轮储能技术在风电领域的应用12-13
• 1.4 本文主要研究内容13-14
• 2 含飞轮储能单元的永磁直驱风电系统建模与稳态运行控制14-29
• 2.1 含飞轮储能单元的永磁直驱风电系统建模14-21
• 2.1.1 风力机模型14-16
• 2.1.2 永磁同步发电机模型16-19
• 2.1.3 电网侧变换器模型19-20
• 2.1.4 飞轮储能系统模型20-21
• 2.2 含飞轮储能单元的永磁直驱风电系统稳态控制策略21-25
• 2.2.1 机侧变换器控制策略21-22
• 2.2.2 网侧变换器控制策略22-24
• 2.2.3 飞轮侧变换器控制策略24-25
• 2.3 含飞轮储能单元的永磁直驱风电系统稳态运行25-28
• 2.4 本章小结28-29
• 3 基于 PD 控制的永磁直驱风电系统频率调节控制策略29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 风电机组惯性调频控制策略模型29-32
• 3.3 基于传统 PD 控制的含飞轮储能单元永磁直驱风电系统频率调节32-33
• 3.3.1 含飞轮储能单元永磁直驱风电系统频率调节模型32
• 3.3.2 基于传统 PD 控制的含飞轮储能单元永磁直驱风电系统频率调节控制模型32-33
• 3.4 仿真计算验证33-37
• 3.5 本章小结37-38
• 4 基于模糊 PD 控制的永磁直驱风电系统频率调节控制策略38-55
• 4.1 引言38
• 4.2 模糊 PD 控制逻辑的生成38-41
• 4.3 系统小扰动稳定性分析41-47
• 4.4 基于模糊 PD 控制的飞轮储能单元频率调节控制策略47-48
• 4.5 仿真计算结果48-54
• 4.6 本章小结54-55
• 5 总结与展望55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-61
• 附录61
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录：61
• B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录：61

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