并网双馈风电机组对电力系统暂态稳定性的影响机理研究

摘要

电力系统的稳定问题始终是电力工作者们重点关注和研究的课题之一，随着现代电力系统规模逐渐增加，以及新型电力设备的不断接入，电力系统的稳定问题变得愈发复杂。大规模风电接入电网，导致原来由行为特征已知的传统同步电源构成的电力系统耦合大量行为特征未知的风电电源，因此需要对电力系统的暂态行为特征和暂态稳定性进行重新解释与判断。而双馈风电机组(Doubly FedInduction Generator，DFIG)作为应用最为广泛的风电机型，其运行特性中兼具风电的不确定性和交流励磁发电机的灵活性，不仅增加了含大规模风电系统暂态稳定性分析的难度，也为现代电力系统的实际安全稳定运行带来了切实的困难与挑战。
　　准确地认识DFIG的暂态行为特征以及并网DFIG在系统暂态稳定中扮演的角色，对于深入研究大规模并网DFIG对系统暂态稳定性的影响机理具有重要意义。为此，本文详细分析了DFIG的暂态响应过程，并结合DFIG等效功角的暂态响应特性分析了DFIG的机电解耦特性和暂态运行失稳机制。研究结果表明，DFIG通过变流器组的交流励磁，基本解除了转子转速的机械暂态过程与发电机电气量的电磁暂态过程之间的强耦合关系，暂态过程中DFIG是否失稳主要取决于自身变流器组的暂态运行状态，而非受制于功角特性。这意味着并网的DFIG不直接参与系统内传统同步发电机构成的互同步稳定机制，而是通过其区别于同步发电机的有功功率和无功功率输出特性间接影响同步系统的暂态行为，这一结论为本文后续研究并网DFIG对系统暂态稳定性的影响机理提供了重要的理论依据。
　　并网DFIG对系统暂态稳定性的影响是一个复杂的、多变量的时变过程，揭示并网DFIG对系统暂态行为的一般影响机理对于分析复杂并网条件的双馈风电对系统暂态稳定性的影响具有重要意义。本文基于系统惯性中心(Center of Inertia，COI)坐标变换，通过推导并网DFIG典型接入方式下系统COI的运动方程和COI坐标系下各同步发电机的运动方程，并结合DFIG的典型并网方式和接入条件，详细研究了并网DFIG对本地系统暂态行为的关键影响因素以及本地系统的COI和各同步发电机的暂态响应的相应变化趋势。研究结果表明，并网DFIG通过影响同步系统的暂态加速功率从而改变COI的转速变化是其影响本地系统COI暂态行为的最主要方式，特殊地当并网DFIG以替代同步发电机的方式接入系统时，被替代同步发电机组的额定容量和惯性时间常数也是决定系统COI暂态行为变化趋势的重要因素。对于COI坐标系下各同步发电机的转子轨迹而言，需要同时考虑COI和自身的暂态响应，COI的暂态响应变化如前面所分析，同步发电机自身的暂态响应则取决于被分担功率最多或被替代的同步发电机组在原系统暂态稳定模式中的相对稳定状态，因此更多受影响于并网DFIG接入点位置。基于仿真算例的研究充分验证了理论分析的正确性和有效性，并具体说明了不同并网方式下DFIG对本地系统暂态行为的影响机理和影响效果。
　　当研究复杂电力系统的暂态稳定问题时，系统不能再被看作简单的单机无穷大系统或双机系统，而系统的暂态稳定问题表现为互联区域间的相对摇摆暂态稳定。本文基于由简单系统惯性中心思想扩展形成的区域惯性中心变换，进一步构建了多区域互联系统的相对摇摆动态模型，通过基于两区域系统和多区域系统的理论分析和仿真验证，详细研究了并网DFIG对区域互联系统间相对摇摆暂态行为的关键影响因素以及一般影响机理。研究结果表明，并网DFIG对区域间暂态稳定性的影响因素不仅来自于并网DFIG的自身接入方式，还包括并网DFIG所接入区域在区域间暂态稳定中所处的相对稳定状态;在清楚了解了系统的暂态稳定模式后，研究并网DFIG对区域互联系统暂态稳定性的具体影响，关键仍在于清晰地分析并网DFIG对每一个独立区域暂态响应变化趋势的影响效果。
　　基于本文关于并网DFIG对系统暂态稳定性影响机理的研究成果，提出了一种改善区域间相对摇摆的故障后首摆稳定性的并网DFIG机组暂态控制策略。该策略根据系统的典型故障集数据判断新故障下并网DFIG所接入区域的暂态稳定状态，基于此对并网DFIG施加附加励磁控制，通过调节并网DFIG的故障期间有功功率输出，改变同步系统故障期间加速功率的暂态响应，从而实现对区域间相对摇摆的故障后首摆稳定性的改善效果。结合我国风电并网的主要特征，基于并网DFIG接入送端系统的两区域系统，通过仿真算例分析对所提出的控制策略进行了有效验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 全球风电发展现状及特点

1．1．2 国内风电发展现状及特点

1．2 课题研究的目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 双馈风电机组及风电场的动态建模研究

1．3．2 双馈风电机组的暂态响应特性分析

1．3．3 双馈风电机组及风电场的暂态控制策略研究

1．3．4 双馈风电对电力系统暂态稳定性的影响分析

1．4 本文研究工作

第2章 双馈风电机组及风电场的暂态建模

2．1 引言

2．2 机械系统动态模型

2．2．1 风力机模型

2．2．2 轴系传动系统模型

2．3 双馈感应发电机动态模型

2．3．1 发电机模型

2．3．2 发电机的功率关系

2．4 变流器组动态模型

2．4．1 转子侧变流器控制系统模型

2．4．2 网侧变流器控制系统模型

2．5 双馈风电场等值模型

2．5．1 机组参数等值

2．5．2 集电系统参数等值

2．6 本章小结

第3章 并网双馈风电机组的暂态行为特征分析

3．1 引言

3．2 双馈风电机组的暂态响应过程

3．2．1 发电机和变流器的暂态响应

3．2．2 机械传动系统的暂态响应

3．3 并网双馈风电机组的暂态响应特性

3．3．1 DFIG的等效功角

3．3．2 DFIG等效功角的暂态行为

3．3．3 DFIG的机电解耦特性

3．4 并网双馈风电机组的暂态运行特性

3．4．1 变流器组的暂态运行特性

3．4．2 DFIG机组的暂态运行状态

3．4．3 DFIG的暂态保护措施

3．5 并网双馈风电机组影响系统暂态稳定性的基本方式

3．5．1 并网DFIG与系统暂态功角稳定模式的交互影响

3．5．2 并网DFIG与系统暂态电压稳定模式的交互影响

3．5．3 并网DFIG影响系统暂态行为的基本方式

3．5．4 仿真算例验证

3．6 含并网双馈风电机组的系统暂态稳定问题描述

3．7 本章小结

第4章 并网双馈风电机组对本地系统暂态稳定性的影响机理

4．1 引言

4．2 系统惯性中心的概念及模型

4．2．1 惯性中心思想的提出

4．2．2 惯性中心的动态数学模型

4．2．3 含并网DFIG的系统惯性中心模型

4．3 并网双馈风电机组对系统惯性中心暂态行为的影响机理

4．3．1 关键影响因素分析

4．3．2 COI暂态行为的变化趋势

4．4 并网双馈风电机组对惯性中心坐标系下各同步发电机转子暂态轨迹的影响机理

4．4．1 关键影响因素分析

4．4．2 COI坐标系下同步发电机转子轨迹暂态行为的变化趋势

4．5 仿真算例验证

4．5．1 3机9节点仿真系统

4．5．2 并网DFIG对COI暂态响应的影响

4．5．3 并网DFIG对COI坐标系下发电机转子轨迹暂态响应的影响

4．6 本章小结

第5章 并网双馈风电机组对区域互联系统暂态稳定性的影响机理

5．1 引言

5．2 区域惯性中心的概念及模型

5．2．1 区域惯性中心思想的提出

5．2．2 区域惯性中心动态数学模型

5．2．3 影响多区域互联系统的区域间暂态相对摇摆的关键因素

5．3 基于两区域互联系统的并网DFIG影响分析

5．3．1 并网DFIG对两区域系统暂态行为的影响

5．3．2 基于4机2区域系统仿真算例验证

5．4 基于多区域互联系统的并网DFIG影响机理分析

5．4．1 并网DFIG对多区域系统暂态行为的影响

5．4．2 基于10机39节点系统仿真算例验证

5．5 本章小结

第6章 改善系统暂态稳定性的并网双馈风电机组暂态控制策略

6．1 引言

6．2 并网双馈风电机机组的改进暂态控制策略

6．2．1 改进暂态控制策略可行性分析

6．2．2 改进暂态控制策略实施方案

6．2．3 DFIG有功功率的暂态附加励磁控制策

6．3 双馈风电机组暂态有功功率调节能力分析

6．3．1 转子电流的稳态运行裕度

6．3．1 转子电流的暂态运行裕度

6．4 仿真验证分析

6．4．1 并网DFIG接入区域为故障后首摆超前区域

6．4．2 并网DFIG接入区域为故障后首摆滞后区域

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介