变速恒频双馈风电机组动态模型及并网控制策略的研究

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1、华北电力大学博士学位论文摘要摘要近年电力电子器件制造及其应用技术的飞速发展。使得大型变速恒频风电机组成为风电机组主要的技术发展方向之一，而能柔性连接风电机组及电力系统的变速恒频双馈风电机组已成为目前风电开发的主流机型。因此，有关该风电机组的技术、运行特性、并网后系统的安全与稳定等问题的研究也相应成为风电领域的重要研究方向。为开发我国风电领域的新技术，国家高技术研究发展计划(863)5b资助了《兆瓦级变速恒频风电机组》项目。本文结合该项目子课题《兆瓦级变速恒频风电机组并网技术研究》的部分内容。在广泛分析国内外有关资料的基础上，研究了大型变速恒频双馈风力发电机组的动态建模、运行特性

2、、以及风电机群并网后电压一无功控制策略，其主要研究内容和创新性的成果如下：第一、推导了形式简单、能正确反映运行特性、且易于数值仿真实现的双馈感应发电机简化三阶动态数学模型。相应于控制变量发生阶跃和渐变，对双馈感应发电机精确模型和该简化模型的响应特性进行了详细比较，比较结果充分表明了该简化模型具有良好的精确度，能很好的代替精确模型应用在转子转速变化范围较大，发电机功率因数较高的双馈感应发电机的建模和研究中。因此，浚模型能较好地应用于变速恒频双馈风电系统的研究。第二、以双馈感应发电机三阶简化动态数学模型为基础，推导了适用于小干扰稳定分析的线性化模型和相应系统的闭环传递函数和开环传递

3、函数，并首次应用开环传递函数和根轨迹方法，分析了双馈感应发电机初始运行点与系统动态品质的关系。第三、首次提出了由整流和逆变部分的调制比和相位差四个控制参数表征的用于双馈机组的变频器数学模型，并依据变速恒频双馈风力发电机组组成构件的物理特性，建立了能表征变速恒频风电机组特性的整体动态数学模型。同时，基于MATLAB平台创新性地开发了变速恒频双馈风电机组并网特性研究的仿真程序。第四、分析了变速恒频双馈风电机组的运行特性。在稳态特性方面，分析了变速恒频双馈风力发电机组的有功功率特性、无功功率特性和P．Q容量极限。在动态特性方面，对变速恒频双馈风电机组和常规变桨距恒速风电机组的动态特性

4、作了对比仿真，仿真结果说明了前者优越的运行特性。此外，以直接接入大电网的变速恒频双馈风电机组为例，对不同风况下风电机组的运行特性进行了仿真。仿真的结果说明了变速恒频双馈风力发电系统动态模型的正确性和控制目标设计的合理性，表明了变速恒频双馈风电机组所具备的无功一一电压调节潜力。第五、分析了变速恒频双馈风电机组的运行区域，确定了理想工况下总控制目标，首次提出了定子磁场旋转坐标系下的变频器功率一一电压控制策略，并设计了变速恒频双馈风电机组的整体控制器。华北电力大学博士学位论文第六、创新性地提出了变速恒频双馈风电机群并网的分段分层实时优化运行控制策略。该策略按风速分段、并按控制单元中控

5、制参考值的整定和对控制参考值的追踪分层。以达到在保证风电机组安全稳定运行的同时，最大效率的利用风能和参与全网无功优化运行，提高系统电压稳定性的目标。并以我国北方某风电场为例，仿真分析了该控制策略下，风速发生扰动变化和系统侧发生故障时，单台变速恒频风电机组运行特性及风电机群与接入系统中关键节点的电压特性。仿真结果表明，本文提出的分层分段控制策略不仅能保证风电机组最大效率的利用风能，还能充分发挥机组的无功调节能力，从而平衡扰动，提高风电机群和接入系统的电压稳定性，保证整个系统的优化运行。综上所述，本文从国内外对双馈感应发电机的研究现状出发。对变速恒频双馈风电机组的动态建模及运行特性

6、进行了全面分析，完成了变速恒频双馈风电机群并网运行控制策略的设计和相应软件的开发，从而构成了“大型变速恒频风电机组并网技术研究”中控制策略方面的一个完整的思路与分析软件平台。关键词：双馈感应发电机，大型变速恒频双馈风电机组，动态模型，控制策略，并网运行ABFrRACTABSTRACTInrecentyears，withthegreatdevelopmentinmanufactureofpowerelectronicconverteranditsapplicationtechnology，thevariablespeedwindturbine(VSWT)withlargecapa

7、cityhasbecomeoneprimarytechnologydirectionsofwindturbines，TheVswTwithdoubly-fedinductiongenerator(DFIG)whichcarlflexiblyjoinwindturbinetopowersystemhasturnedintomainstreammachineinthefieldofexploringwindenergyintheworldnow．Itisthereforeimportanttos