全功率整流异步风电系统的小扰动稳定性分析

摘要

在当今社会，面对着能源危机和环境污染的双重压力，风能作为一种环保的可再生能源已经受到了人们越来越多的关注，风力发电技术得到了飞速的发展。常见的风力发电机组主要有双馈型风电机组、永磁直驱式风电机组以及全功率整流异步风电机组。近年来，随着电力电子技术的不断发展，普通异步电机结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维护的诸多优点使得基于异步感应电机的全功率整流风电系统在整个风力发电产业中越来越受到重视，全功率异步风电机组的装机容量正在不断增大。本文主要针对这种风电系统进行研究和分析。
　　 首先，本文详细描述了整个全功率整流异步风电系统的基本结构、工作原理以及运行特性。建立了包括风力机、传动系统、桨距角控制系统、异步电机以及双PWM变流器在内的数学模型。风电机组通过双PWM变流器连接到电网时，需要根据需要对变流器进行控制。根据Park坐标变换以及矢量解耦控制的原理，结合风电机组的数学模型，给出了基于转子磁场定向的机侧变流器控制策略。同时，根据网侧变流器的数学模型，结合网侧变流器的控制要求，得出了一种基于电网电压定向的矢量控制策略。
　　 然后，在对电力系统小扰动稳定性分析的基本原理和方法进行了简单的介绍之后，对描述整个全功率异步风电系统的动态微分方程进行了线性化处理，得到了易于分析的小干扰方程。通过对方程的整理以及对中间变量的求解，确定了小干扰方程系数矩阵各元素的取值。根据计算出的特征值大小，分析了异步风电系统在受到小干扰时的稳定性。
　　 最后，在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了全功率异步风电系统的各部分的详细模型。建立了含有异步风电机组的单机无穷大系统以及三机九节点系统模型。通过Simulink平台对系统受到小扰动时的运行特性、输出结果等方面进行了详细的仿真实验，验证了通过前面的理论分析得出的结论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 风力发电的发展概况

1．2．1 世界风电的发展现状

1．2．2 我国风电的发展现状

1．3 风力发电系统的研究现状

1．3．1 风力发电系统的种类

1．3．2 常见的变速恒频风电系统

1．4 风力发电系统对电网的影响

1．5 本文的主要工作

第2章 风力机和风能捕获原理

2．1 引言

2．2 风速和风能

2．3 风力机及传动系统模型

2．3．1 风力机的工作原理

2．3．2 传动系统模型

2．3．3 桨距角控制系统

2．4 最大风能追踪原理

2．5 小结

第3章 异步风电机组的控制策略

3．1 引言

3．2 异步感应电机的数学模型

3．2．1 异步电机的等效模型

3．2．2 三相坐标系下的异步电机方程

3．2．3 两相旋转坐标系下的异步电机方程

3．3 全功率变流器的控制策略

3．3．1 矢量解耦控制原理

3．3．2 机侧变流器控制策略

3．3．3 网侧变流器控制策略

3．4 小结

第4章 异步风电系统的小扰动稳定性分析

4．1 引言

4．2 小扰动稳定性分析的基础

4．2．1 小扰动稳定性的概念

4．2．2 小扰动稳定性分析的方法

4．3 异步风电系统的基本动态方程

4．3．1 系统方程的标幺化

4．3．2 异步电机的动态方程

4．3．3 机侧控制系统的动态方程

4．3．4 网侧控制系统的动态方程

4．3．5 风力机模型的动态方程

4．4 异步风电系统的线性化方程

4．4．1 中间变量的处理

4．4．2 系数矩阵各元素的求取

4．5 特征值分析

4．6 小结

第5章 异步风电系统的建模与仿真

5．1 引言

5．2 异步风电系统的模型

5．3 单机无穷大系统的仿真

5．4 三机九节点系统的仿真

5．5 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间的学术成果

附录B 异步风电系统的参数