大规模风电并网的谐波谐振与谐波不稳定研究

摘要

近年来，风电产业快速发展，其中，中大型风力发电机组己在世界上40多个国家陆地和近海并网运行。本硕士论文针对中大型风电场中存在大量电缆敷设和海底电缆传输，其对地电容与感性电力系统之间相互作用，从而激发的谐波谐振问题以及风电机组中电压源换流器(voltage source converter，VSC)的输出阻抗在部分频域呈现负阻尼所带来的谐波不稳定问题进行分析研究。基于模态敏感度分析、Nyquist判据等方法，本文研究大规模风电接入的谐波谐振与谐波不稳定现象，并提出抑制措施，以保障风电场及其并入电网安全、稳定、高效地运行，主要工作有:
　　(1)风电场建模与谐振、谐波不稳定问题分析方法。基于对背靠背型VSC谐波模型和异步电机谐波模型的研究进一步建立随风速变化的双馈风力发电机的(doubly fedinduction generator，DFIG)谐波模型。同时，建立风电场的主要电气设备部分谐波模型，主要包括:电缆、变压器、电网侧、无功补偿装置等谐波模型。对模态分析法、敏感度分析、Nyquist判据等谐波谐振、谐波不稳定问题的研究方法进行了分析研究。
　　(2)风电场谐波特性分析以及谐振机理研究。研究网侧变换器(grid-side converter，GSC)和转子侧变换器(rotor-side converter，RSC)给风电场注入谐波的规律。结合实测数据，总结归纳了风电场中的谐波规律。进一步，利用频率扫描法仿真分析拓扑结构变化、工况变化等不确定因素引起的不同谐振情况，以及各参数对谐振频率、谐振幅值的大致影响规律。
　　(3)基于敏感度分析法的谐波谐振研究及抑制策略。利用模态分析法研究了不同运行工况、不同系统参数、不同模态的谐振规律，定义了节点敏感度指标，量化了风电场中每个节点对谐振情况的影响，揭示谐振的渗透、传播规律。利用敏感度分析法，进一步定义阻抗敏感度指标和频率敏感度指标，为谐振问题的抑制提供依据，深入量化了风电场中各元件参数对风电场每一次谐振的影响程度。并且利用频率转移法配合滤波器提出谐振抑制方案。
　　(4)建立基于控制参数的VSC阻抗模型，探究风电机中网侧VSC输出特性。探究谐波在VSC控制环中的传输、放大规律。进一步利用Nyquist稳定性判据，分析了谐波不稳定的影响因素。
　　本硕士论文利用模态分析法，结合实测数据对风电场的谐波谐振问题进行了深度剖析与探究，进一步研究了谐波不稳定问题机理，可为风电场谐振及不稳定问题的相关研究提供支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 风电场谐波问题的研究现状

1．2．2 风电场谐波谐振问题的研究现状

1．2．3 风电场谐波不稳定问题的研究现状

1．3 论文主要工作

1．3．1 研究对象和目标

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 论文章节安排

第2章 风电场谐波建模及分析计算方法概述

2．1 风电场谐波建模

2．1．1 双馈风力发电机模型

2．1．2 风电场谐波模型

2．2 谐波谐振分析方法

2．2．1 频率扫描法

2．2．2 基于测量的分析方法

2．2．3 模态分析法

2．2．4 敏感度指标

2．3 谐波不稳定分析方法

2．3．1 输入导纳判据

2．3．2 正网络阻尼判据

2．3．3 Nyquist判据

2．4 本章小结

第3章 风电场谐波特性及频率扫描分析

3．1 风电场谐波特性研究

3．1．1 实测数据分析

3．1．2 仿真分析

3．2 基于频率扫描法的算例分析

3．2．1 风电场谐波模型算例

3．2．1 电缆对谐振的影响

3．2．2 风电机数量对谐振的影响

3．2．3 风电机转差率对谐振的影响

3．2．4 电容器组对谐振的影响

3．3 本章小结

第4章 基于模态敏感度分析法的谐波谐振研究

4．1 算例研究

4．2 风电场模态敏感度分析

4．2．1 模态分析

4．2．2 敏感度指标计算

4．3 谐振抑制方法

4．3．1 牛顿拉夫逊法

4．3．2 基于牛拉法的频率转移方法

4．3．3 基于滤波器的谐振抑制方法

4．4 本章小结

第5章 基于Nyquist稳定性判据的风电场谐波不稳定研究

5．1 Nyquist稳定性判据

5．1．1 开环传递函数

5．1．2 系统阻抗

5．2 算例分析

5．2．1 S域模型

5．2．2 输入导纳分析

5．2．3 Nyquist稳定性分析

5．3 谐波不稳定抑制方法

5．4 本章小结

结论

附录

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果