弱电网故障下永磁直驱风电系统的稳定性分析与控制

摘要

由于我国风能资源与负荷中心呈现逆向分布的能源格局，大规模集中、远距离输送成为我国风电传输的主要特点。此外，随着风电在电力系统中的渗透率持续增长，导致交流电力系统对风电场的支撑作用逐步弱化，使两者间的连接强度减弱，并逐渐呈现弱连接趋势。当风电系统所并电网属于弱电网时，电网高阻抗与风电机组的控制系统的耦合作用加剧。而且在因电网故障等引起的低电压穿越(low voltage ride-through, LVRT)期间，该耦合关系更加显著，进而更易诱发系统出现振荡问题，危害风电系统及其所并电网的可靠性和稳定运行特性。因此，本文针对永磁直驱风力发电系统在低电压穿越期间的小干扰稳定性问题，基于特征值分析法，深入分析研究该系统的小干扰振荡特性及不同系统参数对其的影响规律，并基于复转矩系数法，从调节风电系统自身可控变量的角度出发，提出相应的小干扰振荡抑制策略。本文的主要工作内容包括：　　首先，建立适用于小干扰振荡分析的永磁直驱风力发电系统详细数学模型，包括永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator, PMSG)模型、变换器控制系统模型、锁相环(phase locked loop, PLL)模型、风力机及轴系部分模型以及并网线路模型等；且在此基础上，基于Laypour线性化方法，建立永磁直驱风电系统小干扰线性化模型，进而推导出电网阻抗、PLL及电流环之间的耦合作用关系。　　其次，基于永磁直驱风电系统在低电压穿越期间的线性化模型，采用特征值分析法对整个风电系统进行全面的模态分析，进而可得系统各个振荡模态的振荡特性，并进一步确定具有最弱阻尼的振荡模态；此外，通过根轨迹图探究不同系统参数对其小干扰稳定性的影响规律。并结合时域仿真和实验，对特征值分析结果的正确性进行验证。　　最后，参照传统电力系统稳定器的工作原理，基于系统中各控制器及电网阻抗间的相互影响传递关系，并且从风电系统自身控制器的调节潜能出发，提出一种基于网侧有功电流环的低电压穿越期间小干扰振荡抑制策略。此外，基于复转矩系数法，对所提策略的相关参数进行整定。最后通过时域仿真和动模实验，对所提振荡抑制策略的有效性进行验证。　　本文所做研究工作为改善低电压穿越期间永磁直驱风电系统的振荡特性，提高其动态稳定运行以及低电压穿越能力奠定了理论基础，同时也为在弱电网条件下风电机组的参数整定及其运行控制策略设计提供了理论依据。

目录

1 绪 论

1.1.1 风力发电发展现状

1.1.2 我国风力发电发展特点及面临的问题

1.2 弱电网下风力发电系统低电压穿越小干扰稳定性分析现状

1.2.1 风力发电系统稳定性分析方法

1.2.2 风力发电系统低电压穿越研究

1.2.3 风力发电系统小干扰稳定性分析

1.3 本文主要工作

2 永磁直驱风力发电系统建模

2.1 引言

2.2 永磁直驱风力发电系统数学模型

2.2.1 永磁电机模型

2.2.2 变换器控制系统模型

2.2.3 锁相环模型

2.2.4 轴系模型

2.2.5 风力机空气动力学模型

2.2.6 桨距角控制系统模型

2.2.7 并网线路模型

2.3 永磁直驱风力发电系统小干扰模型

2.3.1 锁相环线性化模型

2.3.2 永磁直驱风力发电系统线性化模型

2.3.3 锁相环与网侧电流环耦合关系

2.4 本章小结

3 永磁直驱风力发电系统低电压穿越小干扰稳定性分析

3.1 引言

3.2 永磁直驱风力发电系统小干扰稳定性分析理论基础

3.2.1 基于状态空间方程的小干扰稳定性分析理论基础

3.2.2 永磁直驱风力发电系统特征值分析

3.3 系统参数对低电压穿越期间系统小干扰稳定影响规律

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

4 永磁直驱风电系统低电压穿越振荡抑制策略研究

4.1 引言

4.2 基于有功电流环的小干扰振荡抑制策略

4.2.1 电流环引入振荡抑制环节的原理分析

4.2.2 振荡抑制环节Gd_c(s)的参数设计

4.3 仿真验证

4.4 本章小节

5 永磁直驱风电系统低电压穿越小干扰稳定性实验研究

5.1 引言

5.2 实验平台的构成

5.3 实验结果

5.3.1 系统参数影响规律验证

5.3.2 振荡抑制策略

5.4 本章小节

6 总结与展望

参考文献

附录

A. 文中定义的常量、变量及传递函数表达式

B. 矩阵A、B、C和D中非零项表达式

C. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

D. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录

E. 学位论文数据集

致谢