并网型双馈电机风电场电压控制研究

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1、并网型双馈电机风电场电压控制研究第1章绪论1.1课题背景及意义能源是人类生存与经济社会发展不可或缺的物质基础，在世界经济持续、高速发展的背景下，全球能源的消费量不断增长，同时能源结构也不断变化着。能源结构的不断演变，不仅推动了社会生产力极大的发展，甚至促进了经济、社会乃至整个历史的进步。然而当今全球经济化狂飙突进，能源峰值日渐迫近，能源资源的短缺问题已经成为影响经济不断发展和社会进步的重要因素[1-2]。20世纪是全球经济发展最快的100年，也是人类消耗地球资源最多、最迅猛、破坏力最强的100年[3]。本世纪注定面临更加激

2、烈的能源竞争，这将不可避免地引起能源价格的上涨，导致周期性的能源缺乏，引发世界各国争夺能源储备。目前化石能源在全球能源消费中作为最主要的能源，在一次能源消费中所占比例高达85%，但其蕴藏的资源总量终归是有限的且是不可再生的。近二三百年来由于人类对化石类能源的过度开采使用，促使化石能源正消耗殆尽，按当前的开采速度，将在未来100年内耗尽。另一方面，能源开发利用在创造巨大财富的同时，也带来了空气污染、生态破坏、气候变化等一系列严重的环境问题。大多数专家都认为廉价燃料的时代已经结束，能源供应不稳定的时代已经到来，这将意味需要进入

3、新能源和节约能源的时代[4]。面对全球日益严峻的能源紧缺和环境污染问题，提高现有能源的利用效率以及开发清洁环保的可再生能源已经成为世界各国保障能源安全、应对环境问题、实现可持续发展的共同选择[5]。尤其在最近几年，全球众多国家均在加快调整能源结构及能源发展战略的步伐以争取先机，可再生能源产业在许多国家和地区强劲的政策扶持下迅猛发展。在2012年全球所有新增发电装机中，可再生能源发电超过一半，已然成为绝大部分发达国家和发展中国家21世纪实现能源可持续发展的重要组成部分。在各类新能源中，风力发电以其相对成熟的技术，最具大规模商

4、业开发的条件，相对较低的成本，表现出了巨大的优越性，在全球范围内一直保持稳定的发展速度，在国家电力体系中发挥的作用也越来越显著。与传统化石能源相比，风电是一种免费而清洁的资源，具有重大的经济和环保意义，而且风力发电不依赖于外部能源，发电成本固定，是一种完全摆脱了石油和天然气所存在的安全、政治、经济和环境问题的可再生资源。因此，风力发电已成为世界能源可持续发展战略的基本选择方向。.........1.2国内外研究现状随着风电技术的不断发展，风电机组从早期的鼠笼式异步发电机，到如今的双馈式感应风力发电机组和直驱式风力发电机组成

5、为发展的趋势[19]。其中双馈风电机组可以在变频器的控制下实现有功和无功的解耦，能够发出或吸收无功功率，为系统电压提供支撑；而永磁直驱风力发电机组与电网全功率连接，能够对无功实行更加灵活地控制。上述两种形式的风电机组均能向系统发出无功，参与电压的调节工作，但目前双馈感应风电机组仍是已投运的和在建的风电场选用的主流机型，本文将主要研究双馈风电场的电压控制问题。并联电容器组是调节电压最基本的方式之一，一般通过断路器将电容器组连接至补偿处，通过比较目标节点的电压与设定值之间的差值来控制电容器组的投切。并联电容器组的投入成本较低，

6、且与总容量无关；没有旋转器件，结构简单，维护方便，在目前的风电场中应用十分普遍。但是并联电容器组在风电场中应用时也有明显的不足之处。并联电容器组是通过断路器来实现投切的，操作复杂且开关的合闸时间慢，难以实现实时快速的无功控制，尤其在电网发生故障时，无法迅速地为系统提供无功功率以提高暂态时电压的水平；而且电容器组的调节是不平滑的，系统电压会出现阶梯状，不能实现最佳的电压调节效果，必然会出现过补偿或欠补偿的现象。..........第2章双馈风力发电机组等值建模风能是一种不稳定的、随机的可再生能源，传统的恒速恒频风力发电机组只

7、有运行在某一固定的转速下才能捕捉到最大风功率，风速改变时就会偏离最佳转速而使运行效率降低。而基于双馈感应电机的变速风电机组可实时跟踪风力机的转速，使之运行于相应的最佳转速上，捕获最大风能，这不仅提高了风电机组的运行效率，也减少了风力机的磨损。另一方面，双馈风电机组能参与电力系统的无功功率调节，与电网之间可实现良好的柔性连接，提高电网运行的稳定性，比传统的恒速恒频发电方式能更好地实现稳定并网。本章将给出变速恒频双馈风力发电机组的综合模型：双馈感应发电机组的运行原理、双馈风力发电机组的模型及其控制策略，为进一步研究并网型双馈风

8、电机组问题奠定基础。2.1双馈发电机的变速恒频工作原理若定子侧的电压电流正方向以发电机惯例来标注，转子侧的电压电流正方向以电动机惯例来标注，参照异步电机分析方法，将转子侧各物理量按折算公式均归算至定子侧，根据磁动势与电动势平衡的原则得到双馈式发电机的等值电路[45]，如图2-2所示。.........2