双馈型风电机组机电时间尺度特性分析及对电力系统机电动态影响研究

摘要

随着风力发电在电力系统中的渗透率逐年提高，特别在我国东北、西北地区，风力发电已经逐步成为电力系统的主力电源之一。研究其对电力系统的动态稳定影响具有重要的理论价值与现实意义。风力发电机的动态特性是决定系统动态行为的核心因素，而控制器是决定设备动态特性的核心因素。典型风力发电机由三个时间尺度控制器所控制，不同时间尺度扰动作用下，风力发电机动态特性由不同尺度控制器所决定。多时间尺度成为系统动态稳定问题的新特征。因此，研究的关键在于深入认识风力发电机。本文改变了过去基于数学化和结构化的建模方式，提出了基于内电势幅值/相位状态与功率输入、输出关系的运动方程建模方法。基于该运动方程，着重研究了双馈风力发电机机电时间尺度特性及其对电力系统机电时间尺度动态稳定的影响。具体内容分为以下几个方面：
　　（1）介绍了双馈风力发电机多时间尺度序贯控制以及双馈风力发电机内电势多时间尺度动态响应的特点，说明了各时间尺度与所对应控制器之间的关系；讨论了电力系统动态稳定问题与双馈风力发电机多时间尺度动态特性之间的关系；阐述了大规模风力发电机并网后，电力系统多时间尺度动态稳定问题的内涵与挑战。
　　（2）提出了运动方程的概念，建立了双馈风力发电机机电时间尺度的运动方程。考虑了双馈风力发电机不同工作区控制，忽略直流电压时间尺度、交流电流时间尺度的动态，建立了双馈风力发电机机电时间尺度的线性化模型。在此基础上，建立得到了交流端电压控制模式和无功功率控制模式下的运动方程。通过功率与状态之间的关系，阐述了运动方程的物理意义。通过与详细电磁暂态模型的时域仿真对比，验证了运动方程反映双馈风力发电机机电时间尺度动态的有效性和准确性。
　　（3）研究了双馈风力发电机惯量的基本特性，通过相位运动方程，得到了双馈风力发电机惯量的解析表达式，研究了双馈风力发电机在不同锁相环参数、不同工作区的惯量特性，提出了改变锁相环参数增加系统惯量的方法。提出了含风力发电的拓展系统频率动态分析方法。通过与详细电磁暂态模型的时域仿真对比，发现所提方法能够很好预测和评估不同双馈风力发电机惯量对系统频率动态的影响。总结了不同惯量特性对频率动态过程的影响规律。
　　（4）研究了双馈风力发电机内电势相位和幅值响应同步发电机内电势变化的特性，及其对同步发电机阻尼影响的物理过程与路径。提出了以风力发电机内电势不变作为评判对同步发电机阻尼影响的标准。对比了双馈风力发电机无功功率控制模式下与恒功率源的异同点，总结了无功功率控制对同步发电机阻尼影响的主要因素。在此基础上，研究和归纳了交流端电压控制对同步发电机阻尼的主要影响路径。
　　（5）提出了改变锁相环参数提高同步发电机阻尼的方法。从相位运动方程的角度，阐述了阻尼提高的原理；从功率与状态的关系上，提出可以将锁相环视为一个自然的电力系统稳定器。

目录

声明

变量和符号索引

1 绪 论

1.1课题研究背景

1.2课题研究内容

1.3课题研究现状

1.4本文研究思路与架构

2 双馈风力发电机控制与多时间尺度动态稳定问题

2.1引言

2.2双馈风力发电机控制

2.3多时间尺度动态稳定问题

2.4本章小结

3 双馈风力发电机机电时间尺度运动方程

3.1引言

3.2双馈风力发电机机电时间尺度模型

3.3双馈风力发电机机电时间尺度运动方程

3.4运动方程模型验证

3.5本章小结

4 双馈风力发电机机电时间尺度惯量特性及其对系统频率动态影响分析

4.1引言

4.2双馈风力发电机运动方程在频率动态分析中的运用

4.3双馈风力发电机机电时间尺度惯量特性及其影响因素

4.4风力发电并网系统频率动态过程分析方法与特点

4.5不同双馈风力发电机惯量特性对系统频动态过程影响分析

4.6本章小结

5 双馈风力发电机对同步发电机低频振荡的影响

5.1引言

5.2系统分析框架

5.3无功功率控制模式下双馈风力发电机对低频振荡的影响分析

5.4双馈风力发电机交流端电压控制对低频振荡的影响分析

5.5本章小结

6 锁相环调节对同步发电机低频振荡的阻尼优化

6.1引言

6.2锁相环对同步发电机的阻尼影响的作用

6.3仿真验证

6.4本章小结

7 总结与展望

7.1全文总结

7.2主要创新点

7.3工作展望

致谢

参考文献

附录1 相关参数

附录2 攻读博士学位期间发表论文与申请专利

附录3 攻读博士学位期间参与项目