并网运行双馈风力发电机组的无功与电压紧急控制策略研究

摘要

近年来，风力发电技术得到了快速发展，但由于风速具有随机性、间歇性等特点，导致原有电网潮流分布、节点电压和网络损耗发生变化，从而给电网的无功优化带来新的挑战。尤其当电网发生故障时，在实现风电机组故障穿越的同时需满足电网无功支撑需求，以保证电网安全稳定运行。在此背景下，本文以双馈异步风力发电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)为主要研究对象，在深入了解其功率特性的基础上，重点研究风电场处于稳态和暂态运行工况下的电压稳定性问题，充分发挥DFIG运行的经济性。本文主要工作可概括如下：
　　当风电场处于稳定运行工况时，本文提出利用DFIG自身的无功调节能力，在其无功功率极限范围内将DFIG作为连续可调的无功源，参与到无功电压控制中。在不确定DFIG无功出力的情况下，采用免疫遗传算法(Immune Genetic Algorithm， IGA)进行求解。此外，根据风电场建设需求，讨论不同装机容量的风电场以及风电场并网位置对无功优化的影响。建立了以系统有功网损和电压偏差之和最小的目标函数，通过对改进的IEEE-30节点系统进行分析计算，验证了该目标函数及算法的可行性。
　　针对电网发生低电压故障的情况，为提高DFIG低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力的同时满足电网无功支撑需求，本文对DFIG采用的传统矢量控制进行了改进，设计了无功协调控制模块。其次，讨论了Crowbar阻值及投切控制策略对风电机组无功支撑能力的影响。最后，提出一种STATCOM与DFIG协调配合的无功电压紧急控制策略，利用PSCAD/EMTDC平台搭建1.5MW并网DFIG仿真模型，通过仿真分析表明所提控制策略能更好的发挥DFIG无功支撑能力，减少STATCOM所需容量。
　　低电压穿越故障将引起LVRT能力不足的风电机组发生脱网，伴随而来的是风电场外送功率减小、电压抬高，从而导致风电机组停机的面积再扩大。针对此问题，本文分析了电压骤升的原因以及电网电压升高时双馈机组的暂态过程，提出一种能够实现高电压穿越(High Voltage Ride Through，HVRT)的控制策略。最后，利用第三章所搭模型验证了所提控制策略的有效性与可行性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第2章 DGIF无功功率调节特性及矢量控制策略

2.1 引言

2.2 双馈风力发电机无功功率调节特性

2.3 双馈风力发电机传统矢量控制技术

2.4 本章小结

第3章 考虑DFIG无功辅助功能的电力系统无功优化

3.1 引言

3.2 风电场输出功率

3.3 含风电场的多目标无功优化数学模型

3.4 免疫遗传算法在无功优化中的应用

3.5算例分析

3.6 本章小结

第4章 提高DFIG无功支撑能力的电压紧急控制策略

4.1 引言

4.2 DFIG故障情况下控制策略

4.3 Crowbar阻值优化对DFIG无功控制的影响

4.4 Crowbar投切控制策略

4.5 STATCOM数学模型及控制器模型

4.6 风电场电压紧急控制策略

4.7 仿真分析

4.8 本章小结

第5章 DFIG高电压穿越能力分析与研究

5.1 引言

5.2 HVRT标准及电压骤升原因分析

5.3 双馈风机高电压穿越暂态过程分析

5.4双馈风力发电机HVRT解决措施

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

在学期间发表的学术论文及其他成果

致谢