考虑锁相环的全功率变流风电机组小扰动稳定性分析与控制

摘要

风力发电机组与传统水、火电机组相比运行特性迥异，具有可控性弱、随机性强以及抗干扰性弱等特点。风力发电渗透率不断攀升将给区域电网整体运行特性造成巨大转变，电网安全稳定性将因此遭受严峻挑战。此外，储能装置因具备优良的功率调节能力，长期被视为提升电网安全稳定性的一项有力措施。因此，本文将开展计及锁相环动态特性的全功率变流风机小干扰稳定分析与利用储能进行阻尼控制的研究。
　　首先，本文着重阐述了风力发电技术的国内外研究成果以及未来规划，选取全功率变流风电机组作为研究对象，全面性地总结了含风电电网中存在的各类型功率振荡问题以及储能装置应用于不同场景中的研究现状，从而提炼出本文的主体研究思路。本文重点从考虑锁相环动态特性在内的全功率变流风电机组小扰动稳定性分析与控制角度展开研究，主要研究工作及结果如下：
　　（1）基于现阶段全功率变流风机相应理论模型，利用MATLAB/Simulink软件建立了包括锁相环模块在内的全功率变流风电机组外接无穷大电网仿真模型，并基于模型分析了风电场风速变化时风机运行不同工作区间的动态响应，验证了所搭建模型的正确性与有效性；
　　（2）探究了全功率变流风电机组的工作于不同风速环境下、并网处短路比不同以及锁相环内部整定参数变化对全电网小干扰稳定性的作用情况。仿真结果显示锁相环模块内部产生振荡导致全功率变流风力发电机组在长线重载工况下出现频率在15Hz附近的次同步振荡。进一步而言，全功率变流风力发电机组接入外部系统强度越低、锁相环内部的PI控制环节比例系数越高将更易引发次同步振荡。
　　（3）为充分抑制上述次同步振荡，通过比较后选用飞轮储能装置，依据相位补偿原理设计了一种可有效增强系统对应模态下阻尼的稳定控制器，采用时域仿真方法验证了所设计稳定控制器可有效抑制锁相环振荡模态下的系统功率振荡。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2风电并网的稳定分析及控制

1.3本文主要内容及章节安排

2 全功率变流风电机组动态等值建模

2.1全功率变流风力发电机组并网拓扑

2.2全功率变流风电机组机械动力系统

2.3全功率变流风力发电机模型

2.4全功率变流系统控制模型

2.5仿真验证

2.6本章小结

3 计及锁相环的全功率变流风电机组小干扰稳定分析

3.1全功率变流风力发电系统的短路比

3.2全功率变流风力发电电力系统的小干扰分析模型

3.3接入不同强度电网的风力发电系统特征值分析

3.4全功率变流风电系统失稳的复转矩分析

3.5全功率变流风电系统小干扰稳定的影响因素

3.6本章小结

4 基于储能的全功率变流风力发电系统稳定器设计

4.1飞轮储能装置并网模型

4.2基于相位补偿原理的储能阻尼控制器设计

4.3仿真验证

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1全文总结

5.2后续研究展望

致谢

参考文献

附录1全功率变流风电机组基于状态变量的微分方程数学模型

附录2全功率变流风电机组基于状态变量的代数方程数学模型

附录3 研究生阶段参与科研项目及发表论文、专利