大规模风电爬坡风机功率有限度控制研究

【摘要】：随着大规模高集中度风电并网,风电的规模效益日益显现,大量的风电替代常规能源,降低了电网对常规化石能源的需求,使得电网向着绿色低碳电网的方向又迈进了一步。但大规模高集中的风电接入,也对电网的正常运行带来了风险。潜在的风电爬坡事件会造成电网供电不平衡,对电网造成较大冲击,甚至造成停电事故,为应对爬坡事件,常规机组的控制负担增大。为降低常规机组应对风电爬坡事件的压力,研究风电爬坡的有限度控制策略变得日益迫切。 结合国家重点基础研究发展计划(973计划)项目《大规模风力发电并网基础科学问题研究》的研究需求,在综述了国内外相关研究的基础上,本文从风机爬坡功率有限度控制、高风速下考虑风机切机过程的风电有限度控制以及储能对风机出力特性的影响等方面开展研究,提高风电的控制性能,改善风电的输出特性,尤其是风电的爬坡特性,以降低风电接入对电网的冲击,提高风电并网的友好性。开展的主要工作和取得的主要成果如下： 第一、分析了风电爬坡事件发生的机理和风电爬坡特性,以及风机本身的功率控制对爬坡特性的影响。在现有风机平滑控制的基础上,提出一种风机爬坡功率的有限度控制策略。该策略引入预测控制理论,通过预测—在线优化—反馈控制三个模块的配合,优化风机参考功率,使风机有效跟踪参考功率,保证风机功率平稳变化。在线优化模块建立了爬坡率和弃风量最小的优化模型,反馈控制模块制定了具体的变速变桨距协调控制方法。仿真结果表明,该控制策略实现了平滑风机出力、增大风机发电量以及改善转速特性的目标。 第二、详细阐述了风机高风速下的切机过程,以及其对风电场出力特性的影响,提出了两种基于预测的确定风机切机窗口时间的方案；提出了高风速下考虑风机切机过程的风机有限度控制策略,该控制策略通过风机高风速预警模块、超短期预测模块、切机窗口时间确定模块以及降出力优化模块的协调配合,优化风机在高风速下的切机过程。降出力优化模块以二次规划算法为核心,实现风机爬坡率最小和弃风量最小的优化效果。仿真结果表明,相比降出力过程未经优化的风机构成的风电场,降出力优化后的风机构成的风电场,其爬坡率显著降低。另外,大规模高风险风电爬坡事件主要发生在极端天气条件下,此时风机发生故障的可能性大大提高,在优化风电场出力时,需要考虑风机故障对最终出力的影响。提出了一种考虑风机切机过程和故障率的风电场有限度控制策略,通过合理考虑风机的故障率,确定风电场的出力边界,从而提高风电场出力参考指令的可执行度。 第三、风速的随机波动导致风机的输出功率随之波动,为降低风机出力的波动,提出了一种考虑电池储能的双馈风力发电机控制策略。该控制策略在风机直流侧引入储能装置,既发挥电池储能装置的功率补偿作用,又能发挥电池储能的良好动态特性,在提高双馈风力发电机系统电压稳定性的基础上,改善风机的输出功率,提高风机出力的可控性。 【关键词】：风电爬坡 爬坡功率 高风速 切机过程 有限度控制 储能
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 相关领域研究现状13-20
• 1.2.1 爬坡事件的定义13-14
• 1.2.2 爬坡事件的研究进展14-18
• 1.2.3 风电控制策略研究18-20
• 1.3 本文的主要工作20-22
• 第2章 风机爬坡功率的有限度控制22-34
• 2.1 风电爬坡特性分析23-26
• 2.1.1 爬坡定义23
• 2.1.2 爬坡特性分析23-26
• 2.2 风机爬坡功率的有限度控制策略26-30
• 2.2.1 基本思路26-27
• 2.2.2 风电功率预测27
• 2.2.3 出力在线优化27-29
• 2.2.4 反馈控制29-30
• 2.3 仿真结果与分析30-33
• 2.3.1 风速预测结果30-31
• 2.3.2 控制效果比较31-32
• 2.3.3 预测误差的影响及高风速下控制的适应性32-33
• 2.4 小结33-34
• 第3章 高风速风电爬坡有限度控制34-48
• 3.1 高风速下风机的切机过程34-36
• 3.2 考虑切机过程的风机爬坡控制策略36-40
• 3.2.1 基本思路36
• 3.2.2 降出力优化模型36-39
• 3.2.3 仿真分析39-40
• 3.3 考虑故障率的风电场爬坡控制策略40-46
• 3.3.1 基本思路40-42
• 3.3.2 优化模型42-44
• 3.3.3 仿真分析44-46
• 3.4 小结46-48
• 第4章 电池储能对双馈风力发电机出力特性的改善48-62
• 4.1 风机与储能的技术发展现状48-51
• 4.1.1 风力发电机的类型48-50
• 4.1.2 变频器50-51
• 4.1.3 储能的发展现状51
• 4.2 DFIG的控制策略51-55
• 4.2.1 转子变频器控制模型52-54
• 4.2.2 网侧变流器控制模型54-55
• 4.3 储能接入控制策略55-57
• 4.4 仿真算例57-60
• 4.4.1 稳态运行57-59
• 4.4.2 单相接地短路59-60
• 4.5 小结60-62
• 第5章 结论与展望62-64
• 5.1 总结62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69-70
• 学位论文评阅及答辩情况表70

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