风力发电场自启动及运行控制技术研究

摘要

随着双馈异步风电机组(DFIG)的大规模应用，针对DFIG的控制研究也成为风力发电的研究热点。在电网发生故障导致风电机组脱网时，传统的风机控制需要并网启动，这进一步加重了电网运行的负担。随着电力电子技术的发展，可以由风电场实现自启动并为重要负荷供电，进一步实现并网发电，增强电网运行的健壮性。因此，有必要开展在脱网条件下风电场的自启动与运行控制方法的研究。本文主要研究工作如下:
　　(1)研究了DFIG的自启动模型以及其电压、频率的响应特性。通过详细研究DFIG的运行原理与结构，选取并推导了适合其自启动研究所需要的动态模型。同时详细研究了DFIG的电压以及频率响应特性，研究表明DFIG可以参与到风电场自启动的电压、频率控制过程中。
　　(2)提出了基于储能系统的DFIG自启动控制方法。以脱网运行下的DFIG动态模型为研究对象，进一步设计了采用反馈线性控制算法的风电机组自启动控制模型。提出了一种DFIG自启动控制方法，其将自启动控制过程分为:自激启动、电压调节、频率调整三个阶段，各阶段对变流器采用不同的控制模型和开关规则，并通过时域仿真验证了控制方法的有效性和稳定性。
　　(3)提出了基于STATCOM/BESS的风电场启动与运行控制方法。详细研究了STATCOM/BESS的数学模型，并给出了功率解耦控制方法;提出了在STATCOM/BESS的支撑下具备自启动能力的DFIG风电机群与常规DFIG风电机群的面向接入点控制方法。该方法主要针对DFIG风电场运行的不同工况，一共分为自启动控制、电能质量控制与协调启动控制三个阶段。通过时域仿真验证了该方法可以实现整个风电场的稳定启动与运行控制。
　　(4)提出了基于模糊自适应算法的风电场启动与运行控制方法。考虑到在风电场的整体运行控制中，不同阶段对于有功和无功设备的需求不同，控制器单一的整定参数无法满足总体最优的需求，因此在面向接入点控制的基础上提出了STATCOM/BESS与DFIG的协调控制方法。该协调控制方法以模糊自适应控制算法为基础，通过检测系统中电压与频率的偏差量，不断优化整定STATCOM/BESS与DFIG的频率、电压控制器的整定值。与面向接入点控制方法相比较，通过时域仿真验证了模糊自适应协调控制方法的优越性和稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 风电机组自启动控制方法研究现状

1．2．2 风电机组电压控制方法研究现状

1．2．3 风电机组频率调整研究现状

1．3 本文主要工作

第二章 风电机组自启动建模与运行特性研究

2．1 风电机组自启动建模

2．1．1 风力机空气动力学模型

2．1．2 双馈感应电机模型

2．2 DFIG变换器及其常规控制模型

2．2．1 转子侧控制系统模型

2．2．2 网侧变换器控制系统模型

2．3 风电机组运行特性研究

2．3．1 风电机组电压以及无功输出特性分析

2．3．2 风电机组电压补偿能力的仿真分析

2．3．3 风电机组频率特性分析

2．3．4 风电机组频率特性的仿真验证

2．4 本章小结

第三章 风电机组自启动与运行控制方法研究

3．1 基于反馈线性控制的风电机组自启动控制

3．1．1 风电机组转子侧变换器自启动控制模型

3．1．2 转子侧变换器自启动控制模型的改进设计

3．2 储能系统数学建模及其控制模型

3．3 风电机组自启动与运行控制方法

3．3．1 DFIG自激启动控制

3．3．2 DFIG电压调节控制

3．3．3 DFIG频率调整控制

3．3．4 DFIG自启动总体控制方法

3．4 风电机组自启动与运行控制仿真分析

3．4．1 风电机组仿真参数

3．4．2 不含储能系统的风电机组自启动测试

3．4．3 基于储能系统的风电机组自启动与运行仿真分析

3．5 本章小结

第四章 风电场自启动与协调运行控制方法研究

4．1 含储能系统的静止同步补偿器的数学模型

4．1．1 STATCOM／BESS工作原理

4．1．2 STATCOM／BESS数学建模

4．2 基于面向接入点控制的风电场自启动与运行控制方法

4．2．1 STATCOM／BESS的解耦控制方法

4．2．2 含STATCOM／BESS的风电场自启动与运行控制方法

4．2．3 基于面向接入点控制的风电场自启动与运行控制仿真分析

4．3 基于模糊自适应控制的风电场协调自启动与运行控制方法

4．3．1 模糊控制原理

4．3．2 模糊自适应控制模型的设计

4．3．3 STATCOM／BESS与DFIG的协调控制

4．4 基于模糊自适应控制的风电场协调自启动与运行控制仿真分析

4．4．1 仿真参数的选取

4．4．2 仿真验证与分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录