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双馈风力发电机组的建模及其并网研究

作　者: 程昱舒
导　师: 韩肖清
学　校: 太原理工大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 风力发电双馈风力发电机风电控制技术频率调节风电动态特性风电并网
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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引　用: 3次
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内容摘要

我国经济的迅速发展使得对能源的需求不断增加,因此大力发展可再生能源成为解决我国能源问题的根本途径。作为一种可再生能源,风能具有储量丰富、可以再生、分布广泛、绿色清洁等优点,对风能的开发、利用越来越受到各国学者的关注。风能利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能,其具体用途包括:风力发电、风帆助航、风车提水、风力致热采暖等。目前风能利用的最主要的形式是风力发电。随着风力发电技术的迅速发展,以风能为基础的风力发电在全球的应用越来越广泛,风力发电在电力能源中所占的比例也越来越高。但由于风能的随机性和偶然性,使风力发电并网运行时产生很多技术问题,如有功调节能力差、电能质量差等,这些已成为制约风力发电大规模发展的主要问题。根据国家电网制定的《风电场接入电网技术规定》,要求风电场具有有功无功调节能力、电压频率调节能力,风电场的电能质量必须符合国家标准。随着电力电子技术的发展,双馈型感应发电机(Double-Fed Induction Generator)在风力发电中的应用越来越广。因此,建立双馈感应风力发电机仿真模型,对深入研究含双馈风力发电机组的有功-频率调节,无功-电压调节等问题具有非常重要的现实意义。本文详细介绍了双馈风电机组的数学模型和矢量控制原理;通过仿真深入研究双馈风力发电机组并网运行的暂态特性和动态特性,分析各种现象产生的原因并提出解决措施;提出风力发电机的调频控制策略,并通过仿真验证了控制策略的有效性。具体研究内容如下:(1)分析了双馈风力发电机的基本原理,采用定子磁链定向的矢量控制方法,根据双馈电机定子、转子电压方程和磁链方程,得出双馈风力发电机网侧和转子侧的控制模型,通过对发电机有功分量和无功分量的解耦控制,实现了有功功率和无功功率的独立调节。(2)研究了阵风、渐变风及随机风的数学模型并在此基础上建立了相应的仿真模型,分析了各种风况下双馈风力发电机的响应,仿真结果表明,所建立的模型可以体现出电能质量随风况变化的典型特征;根据双馈风力发电机组的风电转换原理,建立双馈风电机组的模型,实现了风能到电能的转换。(3)研究了桨距角的控制原理,据此建立了控制模型,该模型实现了对桨距角的高风速恒功率和低风速恒电压控制;分析了双馈风力发电机转速、转矩和有功功率的关系,提出降低风能利用系数让风力发电机储备有功功率;分析了双馈风力发电机并网运行对系统的影响,提出了让风力发电场参与系统频率调整的方法。仿真结果表明,此方法可以根据系统的有功需求提高风能利用系数,最终使系统频率恢复正常。(4)以IEEE 3机9节点系统为例,研究并网点故障和电力系统负荷突变对风电机组运行和电力系统稳定的影响,分析了各种风况下,风电机对系统频率、电压的影响。仿真结果表明可以通过调节风电机转速和风能利用系数使风电场参与频率调整,当系统出现有功缺额时让风电补偿系统有功,维持系统频率。本文对双馈风力发电机组控制技术的深入研究,改善了风电并网的运行特性,达到了国家电网公司对风电接入电网的要求,为风力发电的大规模应用提供了技术支持。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-26
  1.1 国内外风力发电发展概述  12-16
    1.1.1 风力资源概况  12-13
    1.1.2 世界风力发电发展概况  13-15
    1.1.3 国内风力发电发展概况  15-16
  1.2 风力发电技术概况  16-21
    1.2.1 风力发电机的分类  16-18
    1.2.2 变速恒频风力发电机介绍  18-21
  1.3 课题研究的内容和研究现状  21-25
    1.3.1 双馈风力发电机并网运行研究的意义  21-22
    1.3.2 课题研究现状概述  22-25
  1.4 本文主要研究的内容  25-26
第二章双馈风力发电机控制策略研究  26-44
  2.1 双馈发电机的数学模型  26-32
    2.1.1 基本坐标变换关系  26-28
    2.1.2 静止三相坐标系中的数学模型  28-30
    2.1.3 两相同步旋转坐标系下的数学模型  30-31
    2.1.4 两相静止坐标系下的数学模型  31-32
  2.2 双馈风力发电机的稳态与动态模型  32-36
    2.2.1 基本方程式  32-33
    2.2.2 稳态模型  33-35
    2.2.3 动态模型  35-36
  2.3 双馈发电机的矢量控制  36-40
    2.3.1 双馈发电机定子磁链定向控制的数学模型  36-38
    2.3.2 双馈发电机有功功率和无功功率的控制  38-40
  2.4 双馈发电机能量与转速分析  40-43
    2.4.1 双馈发电机能量流动分析  40-42
    2.4.2 双馈发电机转矩-转速特性  42-43
  2.5 本章小结  43-44
第三章双馈风力发电机的建模与仿真  44-62
  3.1 风能转换基本原理  44-46
  3.2 风速模型  46-49
    3.2.1 基本风和阵风  46-47
    3.2.2 基本风和渐变风  47
    3.2.3 基本风和随机风  47-48
    3.2.4 组合风  48-49
  3.3 桨距角控制模型  49-50
    3.3.1 桨距角控制介绍  49-50
    3.3.2 桨距角控制模型  50
  3.4 风能利用率的研究  50-54
    3.4.1 最大风能捕获原理  50-52
    3.4.2 影响风能利用系数的两个参数  52-53
    3.4.3 改变风能利用系数调节有功功率的捕获  53-54
  3.5 机械传动系统的轴系模型  54-58
    3.5.1 单质量块模型  55-56
    3.5.2 二质量块模型  56-57
    3.5.3 三质量块模型  57-58
  3.6 双馈风力发电机组的功率控制  58-61
    3.6.1 变速恒频风电机组有功功率特性  58-59
    3.6.2 变速恒频风电机组无功功率控制  59-61
  3.7 本章小结  61-62
第四章含双馈风力发电机的电力系统仿真分析  62-82
  4.1 双馈风力发电机组并网仿真的平台介绍  62-66
    4.1.1 PSCAD仿真平台的介绍  62-63
    4.1.2 双馈风力发电机并网运行平台的介绍  63-66
  4.2 双馈风力发电机并网运行的暂态特性  66-71
    4.2.1 并网点三相接地故障时风力发电机并网运行特性  66-69
    4.2.2 负荷突变情况下风力发电机并网运行特性  69-71
  4.3 双馈风力发电机的动态特性  71-76
    4.3.1 阵风下风电机并网运行特性  71-74
    4.3.2 渐变风下风电机并网运行特性  74-76
  4.4 风电调频策略的研究  76-80
  4.5 本章小结  80-82
第五章总结与展望  82-84
  5.1 总结  82-83
  5.2 展望  83-84
参考文献  84-88
致谢  88-90
攻读学位期间发表的学术论文  90

双馈风力发电机组的建模及其并网研究

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