双馈风电机组的虚拟惯量控制策略研究

摘要

风力发电作为可再生能源中重要的一种，随着人们对环境保护力度的加大而发展迅速，然而目前风电大规模并网运行引发了有别于传统电力系统的新问题。目前主流风电机组采用的是有功功率和无功功率解耦的控制策略，通过锁相环与电网同步的方式并网，这与传统同步机组转速与电网频率相耦合的特点相反，因此降低了电网的有效惯量，造成电网频率稳定性下降。
　　本文聚焦于风电大规模并网引起电网有效惯量降低的问题，以目前应用广泛的双馈风电机组为例，从双馈电机的数学模型推导开始，建立了应用于双馈机组的电流源控制策略，并简述了最大功率跟踪控制。
　　通过将传统虚拟惯量控制策略应用于双馈机组的电流环上，建立包含电网惯量和阻尼特性的控制框图，并推导出其开环传递函数。绘制不同虚拟惯量系数和低通滤波器截止频率的开环传递函数的波特图，分析表明较大的虚拟惯量系数会降低控制系统的稳定性，而较低的低通滤波器截止频率则可以提升稳定性，但是会降低虚拟惯量控制策略的响应速度。利用仿真验证了上述理论分析，并提出锁相环的参数同样具有不可忽视的影响。
　　针对常规虚拟惯量控制策略中出现的缺点，本文提出了微分补偿的优化方案，并利用仿真证明了这一方案的有效性。同时为了抑制微分补偿环节带来的不利影响，采用阻尼化处理微分环节的思路提升了控制系统的等效阻尼，实现了快速行和稳定性的同步提升。
　　本文利用双馈电机模拟实验平台对虚拟惯量控制策略进行了实验验证，实验结果表明这一策略能有有效抑制电网频率变化率，也就直接证明了电网有效惯量的提升，对于未来进一步保障风电并网后的电网频率稳定性具有实际应用价值和意义。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 双馈风电机组建模与控制原理

2．1 双馈风电机组物理结构

2．2 双馈电机的数学模型

2．3 双馈电机的运行与控制

2．4 最大功率跟踪控制

2．5 小结

第三章 双馈机组常规虚拟惯量控制

3．1 双馈机组虚拟惯量的需求

3．2 同步机组惯量响应原理

3．2．1 同步机组运行特性

3．2．2 同步机组惯量响应

3．3 双馈机组虚拟惯量原理

3．4 常规虚拟惯量控制策略

3．4．1 常规虚拟惯量控制仿真验证

3．4．2 双馈机组锁相环参数影响

3．5 小结

第四章 双馈机组虚拟惯量控制策略优化

4．1 虚拟惯量控制策略快速性的优化

4．2 虚拟惯量控制策略稳定性的优化

4．3 虚拟惯量控制策略在电压扰动时响应

4．4 小结

第五章 实验验证及结果分析

5．1 实验平台介绍

5．2 双馈机组锁相环特性实验验证

5．2．1 强电网下锁相环特性验证

5．2．2 弱电网下锁相环特性验证

5．3 虚拟惯量控制策略实验

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况