含前端调速式风力发电机组风电场无功优化控制

摘要

随着新能源在全世界能源消耗所占比例的增加，风能的利用越趋成熟，风电技术得到飞速发展。前端调速式风电机组就是其中新兴的新型机组，具有无功输出能力强，低电压穿越，电能质量好等优点，然目前在含前端调速式风电机组风电场的无功优化控制上的研究还极其欠缺。而伴随风电装机容量的增大，风电场的自我无功调节能力受到很大的挑战，这就需要具有较强无功输出能力的前端调速式风电机组参与到风电场的无功优化控制。含前端调速式风电机组风电场无功优化控制的研究对于该机组在国内的推广，以及为我国风电技术的发展提供一定参考依据，意义重大。
　　为得到前端调速风电机组的无功输出范围，本文分析了前端调速风电机组的运行理论，建立前端调速式风电机组的风力机模型、传动链模型、励磁系统模型及同步发电机模型，得到前端调速风电机组的数学模型和输出功率方程，结合同步发电机无功约束限制，分析得到前端调速风电机组的无功输出范围，并设计鲁棒励磁控制器对机组无功功率进行控制。分析风电场主流无功补偿装置的结构和运行原理，通过仿真和综合对比选取无功补偿装置。
　　为改善风电场内的无功潮流分布，减少场内网损，以有功网损和补偿装置年合费用最小为目标，以电压为约束，采用改进的遗传算法(Genetic Algorithm，GA)对风电场进行无功规划优化，先确立了无功补偿的优化安装位置和补偿装置的无功容量，在此基础上，对风电场内无功输出设备的组合进行划分，以有功网损最小为目标，以电压越限率为罚函数，分别在5种场景下采用改进遗传算法进行无功运行优化，获得最优运行组合决策。以此为铺垫，提出风电场无功分层递阶控制策略，通过各场景下无功优化结果对前端调速式风电机组和无功补偿装置的无功输出容量进行分配，并对机组和无功补偿装置的无功输出进行控制，达到无功功率的最底层控制。通过风电场无功优化控制，达到风电场运行的经济性和电压稳定性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．1．1 论文研究背景

1．1．2 论文研究意义

1．2 论文国内外研究现状

1．2．1 电力系统无功优化国内外研究现状

1．2．2 风电场无功优化控制国内外研究现状

1．2．3 前端调速式风电机组国内外研究现状

1．3 主要研究内容

2 前端调速式风电机组与无功补偿装置运行理论

2．1 前端调速式风电机组基本原理

2．1．1 前端调速式风电机组结构

2．1．2 前端调速式风电机组运行原理

2．2 前端调速式风电机组数学模型

2．2．1 风力机模型

2．2．2 传动链模型

2．2．3 无刷励磁系统模型

2．2．4 无刷电励磁同步发电机模型

2．3 前端调速式风电机组无功输出能力分析

2．3．1 电枢电流约束

2．3．2 励磁电流约束

2．3．3 功率因数约束

2．3．4 前端调速式风力发电机组无功出力范围

2．4．1 H∞励磁控制器设计

2．4．2 基于H∞励磁控制的机组无功功率控制

2．5 无功补偿装置的运行原理与选择

2．5．1 无功补偿装置结构与原理分析

2．5．2 无功补偿装置选择与控制

2．6 小结

3 含前端调速式风电机组风电场无功规划优化

3．1 风电场多场景分析

3．1．1 风电场多场景划分

3．1．2 风电场多场景分布

3．2 风电场无功规划优化模型

3．2．1 网损期望值规划模型

3．2．2 风电场无功规划优化数学模型

3．2．3 基于改进GA的无功规划优化

3．2．4 算例分析

3．3 小结

4 含前端调速式风电机组风电场无功运行优化控制

4．1 风电场多场景多组合的无功运行优化策略

4．1．1 风电场无功运行优化多组合划分

4．1．2 风电场多场景多组合无功运行优化分析

4．2 无补偿装置下风电场无功运行优化

4．2．1 无补偿装置下风电场无功运行优化数学模型

4．2．2 基于改进GA的无补偿装置下的风电场无功运行优化

4．2．3 算例分析

4．3 仅无功补偿装置补偿下风电场无功运行优化

4．3．1 仅无功补偿装置补偿下风电场无功运行优化数学模型

4．3．2 算例分析

4．4 混合补偿下风电场无功运行优化

4．5 风电场多场景多组合无功运行优化控制

4．5．1 风电场无功分层递阶控制策略

4．5．2 算例分析

4．6 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果