风电并网的无功优化控制及其数模混合仿真研究

【摘要】：随着风力发电在电网中的渗透率不断增加,其间歇性、随机性等特点对电网的影响日益显著,无论是风电大规模集中并入电网,还是风电小规模分散式接入电网,均对电网的运行和控制提出了严峻挑战。目前,风电并网区域的无功电压问题尤其突出,深入研究风电机组并网的无功控制技术,对提高电网接纳风电能力和保证电网安全稳定运行具有重要意义。本文从挖掘双馈风电机组的无功控制潜力、实现多风电场接入区域电网的无功优化调度的角度,研究风电并网的无功和电压优化协调控制策略,并搭建风电并网控制的数模混合仿真系统,对所提出的控制方案进行实验验证。本文主要的研究内容及成果如下： (1)建立了三相静止坐标系下和同步旋转坐标系下双馈风力发电机及PWM换流器的数学模型；推导了双馈风电机组转子电压、电流与DFIG定子输出功率之间的关系以及DFIG定、转子间的功率关系；分析了DFIG风电机组的控制策略,建立了双PWM换流器矢量控制模型。 (2)基于上述理论分析,研究了转子换流器、定子绕组、网侧换流器以及机端电压等因素对DFIG的无功功率极限的影响；针对双馈风电机组自身的优化运行控制,深入研究全补偿控制、最小转子电流控制、最小损耗控制和恒转子电流控制四种控制策略的特点,并推导转子电流参考值的计算方法；针对DFIG对电网的无功补偿控制,提出了基于无功电流裕度的转子侧换流器优先、网侧换流器优先以及二者比例分配无功三种协调控制策略,以实现对换流器容量的充分利用。 (3)提出了一种多风电场并网的区域电网无功电压优化协调控制策略,该控制策略综合考虑系统电压质量和网损的优化,并采用遗传算法进行优化求解。利用区域电网的无功电压灵敏度和无功网损灵敏度信息对基于潮流计算的遗传算法进行改进,提高了优化算法的计算速度,进而增强了无功协调控制的实时性。在上述研究基础上,提出了一种基于超短期风电功率预测和无功电压优化的风电场并网在线预警与无功优化控制系统的设计方案,利用PowerFactory软件提供的引擎模式功能和DGS接口进行二次开发,构建了与电网EMS的数据接口,实现了以PowerFactory软件为计算核心的风电并网安全预警与无功优化控制系统。 (4)针对研究风电并网控制相关问题的需要,提出了一种基于NI-PXI平台的数模混合仿真系统实现方案,通过对该混合仿真系统简化模型的稳定性分析,讨论了实现该方案对接口算法和参数的基本要求,并提出了实时信号同步控制策略以解决数字仿真系统与物理仿真系统反馈电压信号同步问题。在上述研究的基础上,构建了实际的数模混合仿真系统,对风电并网功率控制以及多风电场并网无功优化协调控制进行了数模混合仿真实验,通过实验验证了所提混合仿真方案的可行性以及控制策略的有效性。 【关键词】：风力发电 变速恒频风电机组 双馈感应电机(DFIG) 无功功率控制 安全预警 数模混合仿真
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 课题研究的背景和意义15-18
• 1.1.1 我国风力发电发展现状15-16
• 1.1.2 我国风力发电发展趋势16-17
• 1.1.3 我国风电并网面临的技术挑战17-18
• 1.2 风电并网控制研究的现状18-27
• 1.2.1 变速恒频风力发电机组控制18-23
• 1.2.2 风电场并网运行控制23-25
• 1.2.3 风电并网数模混合仿真系统25-27
• 1.3 论文的主要研究内容27-29
• 第2章 双馈风电机组的数学模型及控制29-49
• 2.1 引言29
• 2.2 双馈感应电机的运行原理和功率关系29-34
• 2.2.1 DFIG的运行原理和等效电路29-31
• 2.2.2 DFIG的功率关系分析31-34
• 2.3 双馈风电机组的模型34-42
• 2.3.1 DFIG的数学模型34-38
• 2.3.2 PWM换流器的模型38-42
• 2.4 双馈风电机组的基本控制策略42-48
• 2.4.1 风力机控制43-44
• 2.4.2 DFIG控制44-48
• 2.5 小结48-49
• 第3章 双馈风电机组无功功率控制49-64
• 3.1 引言49
• 3.2 双馈风电机组的无功功率极限49-54
• 3.2.1 DFIG的换流器容量50-51
• 3.2.2 DFIG定子侧无功功率极限51-52
• 3.2.3 DFIG网侧换流器的无功功率极限52-53
• 3.2.4 DFIG机端电压对无功功率能力的影响53-54
• 3.3 DIFG无功功率控制54-63
• 3.3.1 优化运行控制54-58
• 3.3.2 无功补偿控制58-63
• 3.4 小结63-64
• 第4章 多风电场接入电网的无功电压协调控制64-83
• 4.1 引言64-65
• 4.2 多风电场参与区域电网无功电压控制的系统框架65-75
• 4.2.1 多风电场接入的区域电网自动电压控制系统65-66
• 4.2.2 协调控制的优化模型及控制实现66-68
• 4.2.3 基于灵敏度信息的无功优化遗传算法68-71
• 4.2.4 仿真算例71-75
• 4.3 风电并网在线安全预警与无功优化控制系统的研发75-81
• 4.3.1 在线安全预警与无功优化控制系统构成及原理75-77
• 4.3.2 在线安全预警与无功优化控制系统的实现77-79
• 4.3.3 系统实现结果及分析79-81
• 4.4 小结81-83
• 第5章 风电并网控制数模混合仿真83-103
• 5.1 引言83
• 5.2 数模混合仿真83-91
• 5.2.1 数模混合仿真的系统架构83-84
• 5.2.2 数模混合仿真的稳定性与准确度84-87
• 5.2.3 功率硬件在环数模混合仿真接口技术87-91
• 5.3 风电并网控制功率硬件在环数模混合仿真91-99
• 5.3.1 基于NI-PXI的风电并网数模混合仿真设计方案91-93
• 5.3.2 接口算法的选择及稳定性分析93-95
• 5.3.3 数字仿真侧信号同步95-96
• 5.3.4 实验结果及分析96-99
• 5.4 多风电场协调控制数模混合仿真99-102
• 5.4.1 多风电场协调控制数模混合仿真实验系统设计99-100
• 5.4.2 实验结果及分析100-102
• 5.5 小结102-103
• 第6章 结论与展望103-105
• 6.1 结论103-104
• 6.2 展望104-105
• 参考文献105-114
• 攻读博士学位期间发表的论文114-115
• 攻读博士学位期间参加的科研工作115-116
• 致谢116-117
• 作者简介117

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