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变速恒频双馈风电机组动态模型及并网控制策略的研究

作　者: 李晶
导　师: 宋家骅
学　校: 华北电力大学（河北）
专　业: 电力系统及其自动化
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
分类号: TM315
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

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)中资助了《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、以及风电机群并网后电压—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,该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——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——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。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章引言  11-23
  1．1 论文的研究背景与选题意义  11-15
    1．1．1 能源问题及风力发电的兴起  11-12
    1．1．2 国内外风电发展现状  12-14
    1．1．3 863项目立项背景与选题意义  14-15
  1．2 课题的研究现状  15-20
    1．2．1 变速恒频风电机组动态模型的研究现状  15-16
    1．2．2 变速恒频风电机组控制技术的研究现状  16-18
    1．2．3 变速恒频风电机组并网运行特性的研究现状  18-20
  1．3 本文研究内容与主要贡献  20-23
第二章双馈感应发电机工作原理与数学模型  23-39
  2．1 引言  23-25
  2．2 双馈感应发电机工作原理  25-27
  2．3 双馈感应发电机简化动态模型的建立  27-31
    2．3．1 基本电压方程和磁链方程  27
    2．3．2 双馈感应发电机简化动态模型的建立  27-29
    2．3．3 简化动态模型与精确动态模型的比较分析  29-31
  2．4 双馈感应发电机线性化模型及运行特性分析  31-37
    2．4．1 双馈感应发电机线性化模型  31-34
    2．4．2 线性化模型的根轨迹分析及运行特性分析  34-37
  2．5 本章小结  37-39
第三章变速恒频双馈风电机组动态模型的建立  39-50
  3．1 引言  39-40
  3．2 变速恒频双馈风电机组的结构与装置  40-42
  3．3 变速恒频双馈风电机组动态数学模型的建立  42-48
    3．3．1 风速模型  42-44
    3．3．2 风力机模型  44-45
    3．3．3 机械传动部分模型  45
    3．3．4 双馈感应发电机模型  45-46
    3．3．5 变频器模型  46-47
    3．3．6 控制部分模型  47-48
  3．4 变速恒频双馈风电机组动态模型的仿真实现  48
  3．5 本章小结  48-50
第四章变速恒频双馈风电机组运行特性分析与仿真  50-66
  4．1 引言  50
  4．2 变速恒频双馈风电机组稳态特性分析  50-58
    4．2．1 有功功率特性分析  50-55
    4．2．2 无功功率特性分析  55-56
    4．2．3 P-Q容量极限的分析  56-58
    4．2．4 动态仿真模型的初值计算  58
  4．3 变速恒频双馈风电机组动态特性分析  58-65
    4．3．1 与常规风电机组动态特性的比较分析  58-60
    4．3．2 不同风况下变速恒频双馈风电机组动态特性分析  60-65
  4．4 本章小结  65-66
第五章变速恒频双馈风电机组控制策略的研究  66-81
  5．1 引言  66
  5．2 变速恒频双馈风电机组运行区域和控制策略  66-71
    5．2．1 变速恒频双馈风电机组的运行区域  66-67
    5．2．2 理想状况下的总控制目标及其控制设计原理  67-71
  5．3 双馈感应发电机定向矢量控制  71-74
    5．3．1 双馈感应发电机矢量控制原理  71-73
    5．3．2 双馈感应发电机矢量控制结构设计  73-74
  5．4 交-直-交变频器的控制  74-77
    5．4．1 交-直-交变频器的控制原理与结构  74-75
    5．4．2 交-直-交变频器的控制策略  75-77
  5．5 桨距角部分的控制  77-78
    5．5．1 桨距角的控制原理  77-78
    5．5．2 桨距角的控制策略  78
  5．6 变速恒频双馈风电机组控制器的整体框图  78-79
  5．7 本章小结  79-81
第六章变速恒频双馈风电机群并网控制策略的研究  81-102
  6．1 引言  81-82
  6．2 并网运行的变速恒频双馈风电机群的分段分层控制策略的研究  82-90
    6．2．1 分段分层控制原理  82-83
    6．2．2 分段分层控制策略的设计和实施  83-90
  6．3 算例分析  90-101
    6．3．1 风速扰动下的风电机群与接入系统的动态仿真  91-96
    6．3．2 系统侧故障下的风电机群与接入系统的动态仿真  96-101
  6．4 本章小结  101-102
第七章结论与展望  102-105
参考文献  105-113
致谢  113-114
附录  114-115
攻读博士学位期间发表的学术论文  115-116
攻读博士学位期间参加的科研工作  116

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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