双馈风力发电机故障情况下微网/弱电网稳定性研究

摘要

随着双馈风力发电渗透率的不断增加，带来巨大经济效益的同时也严重威胁到了电力系统稳定运行。一方面，双馈风力发电机（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）运行环境十分恶劣且故障率高，定子绕组匝间短路（Stator Winding Inter-turn Short Circuit，SWITSC）就是DFIG一种常见、高危性故障，且维修困难，约占电机故障的30%以上。另一方面，微网/弱电网下风电场发电功率相对较大，并网点电压和频率对风机功率变化相当敏感，当 SWITSC故障引起风机功率突变时，必然会导致电压、频率波动，进而影响系统的小信号稳定性。基于以上两个方面确立本文研究课题，并做出以下研究工作： （1）详细推导了包含故障DFIG机组、光伏系统、大容量储能装置及其相应控制策略、网络和负荷组成的微网系统的小信号模型，并在MATLAB/Simulink上建立其仿真模型。重点分析了SWITSC故障下DFIG的数学模型。 （2）根据Lyapunov理论求取风/光/储微网系统小信号模型的特征值和参与因子，通过特征值分析，研究SWITSC故障程度、光照强度、风速及控制参数对微网稳定性的影响，结合仿真算例验证了稳定性分析理论的正确性。 （3）根据微网下参与因子的分析结论，依据风机旋转质块的动态特性建立由故障 DFIG 机组和同步发电机组成的弱电网系统的小信号模型。在 DFIG 传统控制基础上附加综合惯性频率控制，使 DFIG 机组参与一次调频，研究调频策略及SWITSC故障对弱电网频率稳定性的影响。 （4）针对由 SWITSC 故障引起的并网点电压跌落和频率波动问题，分别提出调压调频控制方案。实施 DFIG 无功协调控制策略抬高并网点电压，提高弱电网系统的电压稳定性；通过附加频率的下垂控制减小频率暂态波动，改善弱电网系统的频率稳定性。通过仿真验证了调压调频控制策略的有效性和可行性。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.2.1 风电场接入微网/弱电网的稳定性研究

1.2.2 SWITSC故障下DFIG机组的建模与稳定性研究

1.3 论文主要研究内容

第2章 微网/弱电网与小干扰稳定性分析

2.1 微网概念与控制方式

2.1.1 微网概念

2.1.2 微网控制方式

2.2 弱电网概念与控制方式

2.2.1 弱电网概念

2.2.2 弱电网控制方式

2.3 小干扰稳定性分析

2.3.1 小干扰稳定性分析模型

2.3.2 特征值与参与因子

2.4 本章小结

第3章 含故障风机的风/光/储微网小干扰建模与分析

3.1 微网小干扰建模

3.1.1 SWITSC故障下双馈风力发电系统小干扰模型

3.1.2 光伏发电系统小干扰模型

3.1.3 储能系统小干扰模型

3.1.4 网络和负荷小干扰模型

3.2 微网小干扰稳定性分析

3.2.1 短路故障程度对微网稳定性的影响

3.2.2 光照强度对微网稳定性的影响

3.2.3 风速对微网稳定性的影响

3.2.4 控制参数对微网稳定性的影响

3.3 微网稳定性仿真算例

3.3.1 SWITSC故障仿真模型的建立

3.3.2 微网仿真算例分析

3.4 本章小结

第4章 含故障风机的弱电网调频调压与稳定性分析

4.1 弱电网下DFIG频率控制模型

4.2 弱电网小干扰建模

4.3 弱电网频率稳定性分析

4.3.1 调频策略对频率稳定性的影响

4.3.2 短路故障程度对频率稳定性的影响

4.3.3 风速对频率稳定性的影响

4.4 弱电网频率稳定性仿真算例

4.4.1 综合惯性控制策略仿真

4.4.2 SWITSC故障仿真

4.4.3 变风速系统仿真

4.5 弱电网下DFIG无功协调控制方案

4.5.1 风电场接入弱电网的PCC电压稳定性分析

4.5.2 DFIG无功传输极限分析

4.5.3 SWITSC故障下DFIG机组无功协调控制策略及仿真验证

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 论文工作总结

5.2 论文研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

附录