為了應(yīng)對國家能源安全、環(huán)境保護以及國際氣候變化的需要,我國風力發(fā)電正取得快速發(fā)展。尤其在我國“三北”(華北、東北和西北)地區(qū),風力發(fā)電的滲透率已達到較高水平,并逐步成為主要電源之一。風電機組作為典型的電力電子變換裝備,其不同于傳統(tǒng)同步機組的裝備特性為風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了眾多新的動態(tài)穩(wěn)定問題。其中,與裝備直流電容間的能量交換和積累密切相關(guān)的新型動態(tài)穩(wěn)定問題,本文稱之為直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題。針對風電并網(wǎng)系統(tǒng)中由風電機組直流電容和相關(guān)控制所主導(dǎo)的直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題,在小擾動穩(wěn)定方面,目前的研究主要集中在單機場景;而在暫態(tài)穩(wěn)定方面,少有的研究僅考慮了某一特定的控制環(huán)路。為了將以上穩(wěn)定分析工作擴展到風電機組的多機場景與完整控制結(jié)構(gòu),本文從力學等效視角出發(fā),運用幅相運動方程的建模方法在小擾動和暫態(tài)條件下分別建立了專門用于描述風電機組直流電壓控制尺度外特性的幅相運動方程小擾動和暫態(tài)模型。并基于以上模型,分別在典型風電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動和暫態(tài)穩(wěn)定性分析中進行了有效應(yīng)用。具體內(nèi)容包括:(1)介紹了風電機組主流機型(即直驅(qū)和雙饋風機)的序貫控制特點,并根據(jù)儲能元件及相應(yīng)控制器的響應(yīng)速度,將風機裝備特性在時間尺度上劃分為交流電流控制尺度、直流電壓控制尺度(約0.1s量級)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制尺度三類。據(jù)此,引出風電并網(wǎng)系統(tǒng)的多時間尺度動態(tài)穩(wěn)定問題,并討論了其與風機多時間尺度裝備特性間的關(guān)系,指出認識風機裝備特性(即風機建模)是分析風電并網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題的基礎(chǔ)。重點圍繞風電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題,詳細闡述了其內(nèi)涵與挑戰(zhàn)。(2)為了考慮多機間的直流電壓控制尺度動態(tài)相互作用,尤其是在弱電網(wǎng)環(huán)境,運用幅相運動方程的建模方法分別建立了描述直驅(qū)和雙饋風機直流電壓控制尺度外特性的幅相運動方程小擾動模型。首先,詮釋了幅相運動方程建模方法的基本概念與思路。然后,通過綜合考慮風機在直流電壓控制尺度下的復(fù)雜控制作用,建立了其以內(nèi)電勢不平衡有功、無功功率作為輸入,內(nèi)電勢相位、幅值作為輸出的小信號運動方程模型。該模型可清晰反映風機在直流電壓控制尺度下的動力學特性(如等效慣量和阻尼系數(shù)等),且僅與風機自身參數(shù)相關(guān),獨立于外部電網(wǎng),可方便擴展到多機系統(tǒng)的建模。最后,解釋了風機直流電壓控制尺度幅相運動方程小擾動模型的物理含義,并通過對比其與原始詳細模型的特征根,驗證了所建模型的正確性和適用性。(3)介紹了基于自穩(wěn)和致穩(wěn)概念來分析不同對象間動態(tài)相互作用及其對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的一般化思路。運用該思路和所建立的風機幅相運動方程小擾動模型,分別分析了單風機并網(wǎng)系統(tǒng)、多風機并網(wǎng)系統(tǒng)和風機經(jīng)直流輸電并網(wǎng)系統(tǒng)中,風機內(nèi)電勢相位與幅值運動間、不同風機間和風機與直流輸電間的直流電壓控制尺度動態(tài)相互作用,及其不同因素對各自系統(tǒng)直流電壓控制尺度小擾動穩(wěn)定性的影響規(guī)律。其中,以單風機并網(wǎng)系統(tǒng)的分析為基礎(chǔ),詳細介紹了將多機系統(tǒng)分析等效轉(zhuǎn)化為等值單機系統(tǒng)分析的步驟與方法。該方法不局限于本文所應(yīng)用的風電并網(wǎng)場景,對其他類型電力電子變換裝備(如光伏發(fā)電、FACTS裝置等)的多機并網(wǎng)場景也同樣適用。(4)計及風機在直流電壓控制尺度下的完整控制結(jié)構(gòu),并保留其非線性環(huán)節(jié),分別建立了專門描述直驅(qū)和雙饋風機直流電壓控制尺度暫態(tài)特性的幅相運動方程暫態(tài)模型。該模型刻畫了風機內(nèi)電勢有功、無功功率和內(nèi)電勢相位、幅值間的輸入輸出動態(tài)關(guān)系,可幫助電氣工程師像理解熟悉的同步機一樣來理解風機的直流電壓控制尺度暫態(tài)特性。通過對比不同類型擾動下風機幅相運動方程暫態(tài)模型與原始詳細模型的時域仿真波形,驗證了所建模型的正確性。在幅相運動方程視角下,歸納總結(jié)了風機暫態(tài)模型不同于同步機經(jīng)典模型的高階、不對稱和耦合特征。并在以上不同特征基礎(chǔ)上,具體分析了風機內(nèi)電勢狀態(tài)對不同功率擾動的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性。同時,討論了風機開環(huán)暫態(tài)特性在風電并網(wǎng)系統(tǒng)閉環(huán)暫態(tài)分析中的意義。(5)在不同風電并網(wǎng)場景中,發(fā)現(xiàn)了風機內(nèi)電勢相位在直流電壓控制尺度暫態(tài)過程中可能出現(xiàn)類似于同步機暫態(tài)功角失步的單調(diào)失穩(wěn)現(xiàn)象�；谒⒌娘L機幅相運動方程暫態(tài)模型,并通過引入“動態(tài)齒輪箱”的概念來抽象理解其相位運動,揭示了以上單調(diào)失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生機理,即當內(nèi)電勢相位仍在增長時,風機輸出功率P與輸入功率P_(in)間的關(guān)系從對相位運動的制動作用(PP_(in))反而又重新轉(zhuǎn)變?yōu)閷ο辔贿\動的驅(qū)動作用(PP_(in))。借鑒EEAC理論,給出了基于受擾軌跡衡量風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定程度或失穩(wěn)程度的方法。該方法可一定程度量化不同因素對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響程度。據(jù)此,分別分析了交流電網(wǎng)強度和風機各控制參數(shù)對風電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度暫態(tài)穩(wěn)定性的影響規(guī)律,并基于機理認識對分析結(jié)果的合理性作出了物理解釋。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM315
【文章目錄】：
摘要
Abstract
變量和符號索引
1 緒論
    1.1 課題研究背景
        1.1.1 我國能源與環(huán)境問題
        1.1.2 風力發(fā)電大力發(fā)展
    1.2 課題研究的問題
        1.2.1 風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題
        1.2.2 風電機組的建模是分析系統(tǒng)直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題的基礎(chǔ)
    1.3 課題研究現(xiàn)狀
        1.3.1 風電機組的小擾動建模
        1.3.2 風電機組的暫態(tài)建模
        1.3.3 風電并網(wǎng)系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性分析
        1.3.4 風電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析
    1.4 本文研究思路與各章節(jié)安排
        1.4.1 研究思路
        1.4.2 文章架構(gòu)
2 風電機組的多時間尺度特征與風電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題
    2.1 引言
    2.2 風電機組的典型控制系統(tǒng)
        2.2.1 風力機控制
        2.2.2 機側(cè)變換器控制
        2.2.3 網(wǎng)側(cè)變換器控制
        2.2.4 硬件保護電路
    2.3 風電機組的多時間尺度特征
    2.4 風電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題
        2.4.1 電力系統(tǒng)裝備動態(tài)特性與系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題間的關(guān)系
        2.4.2 風電并網(wǎng)系統(tǒng)的多時間尺度動態(tài)穩(wěn)定問題
        2.4.3 風電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度動態(tài)穩(wěn)定問題的內(nèi)涵與挑戰(zhàn)
    2.5 本章小結(jié)
3 風電機組直流電壓控制尺度的幅相運動方程小擾動建模
    3.1 引言
    3.2 幅相運動方程的建模思路
        3.2.1 內(nèi)電勢：描述裝備特性的統(tǒng)一視角
        3.2.2 運動方程的基本概念
        3.2.3 內(nèi)電勢幅相運動方程的建模方法
    3.3 直驅(qū)風機基于幅相運動方程的直流電壓控制尺度小擾動建模
        3.3.1 直驅(qū)風機直流電壓控制尺度動態(tài)的小擾動線性化處理
        3.3.2 端電壓信息的檢測等效替換為直接感受輸出功率的變化
        3.3.3 直驅(qū)風機不計相位-幅值支路內(nèi)部耦合的相位運動方程
        3.3.4 直驅(qū)風機不計相位-幅值支路內(nèi)部耦合的幅值運動方程
        3.3.5 直驅(qū)風機計及相位-幅值支路內(nèi)部耦合的幅相運動方程模型
    3.4 雙饋風機基于幅相運動方程的直流電壓控制尺度小擾動建模
        3.4.1 雙饋風機直流電壓控制尺度等效內(nèi)電勢的定義
        3.4.2 雙饋風機直流電壓控制尺度動態(tài)的小擾動線性化處理
        3.4.3 雙饋風機線性化框圖等效變換為與直驅(qū)風機形式一致
        3.4.4 雙饋風機計及相位-幅值支路內(nèi)部耦合的幅相運動方程模型
    3.5 風電機組直流電壓控制尺度相位運動方程的物理解釋
    3.6 風電機組的小擾動模型驗證
        3.6.1 直驅(qū)風機幅相運動方程模型與原始詳細模型的特征根對比
        3.6.2 雙饋風機幅相運動方程模型與原始詳細模型的特征根對比
    3.7 本章小結(jié)
4 風電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度的多機動態(tài)相互作用與小擾動穩(wěn)定性分析
    4.1 引言
    4.2 基于自穩(wěn)和致穩(wěn)概念的相互作用與穩(wěn)定性分析思路
    4.3 單風機并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動穩(wěn)定性分析
        4.3.1 端電壓控制對單風機并網(wǎng)系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響
        4.3.2 直流電壓和鎖相控制對單風機并網(wǎng)系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響
    4.4 多風機并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動穩(wěn)定性分析
        4.4.1 多風機系統(tǒng)動態(tài)相互作用與穩(wěn)定性分析的基本思路與步驟
        4.4.2 多機并網(wǎng)系統(tǒng)的分析舉例：兩機并網(wǎng)系統(tǒng)
    4.5 風機經(jīng)直流輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動穩(wěn)定性分析
    4.6 本章小結(jié)
5 風電機組直流電壓控制尺度的幅相運動方程暫態(tài)建模與特性分析
    5.1 引言
    5.2 直驅(qū)風機基于幅相運動方程的直流電壓控制尺度暫態(tài)建模
        5.2.1 內(nèi)電勢合成環(huán)節(jié)的處理
        5.2.2 端電壓信息的檢測等效替換為直接感受輸出功率的變化
    5.3 雙饋風機基于幅相運動方程的直流電壓控制尺度暫態(tài)建模
        5.3.1 等效內(nèi)電勢合成環(huán)節(jié)的處理
        5.3.2 端電壓信息的檢測等效替換為直接感受輸出功率的變化
    5.4 風電機組的暫態(tài)模型驗證
        5.4.1 直驅(qū)風機的幅相運動方程暫態(tài)模型驗證
        5.4.2 雙饋風機的幅相運動方程暫態(tài)模型驗證
    5.5 風電機組暫態(tài)模型對比同步發(fā)電機經(jīng)典模型的不同特征
    5.6 風電機組內(nèi)電勢狀態(tài)對不同功率擾動的暫態(tài)響應(yīng)特性分析
        5.6.1 對輸出有功功率擾動的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性
        5.6.2 對輸入有功功率擾動的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性
        5.6.3 對輸出無功功率擾動的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性
    5.7 風電機組開環(huán)暫態(tài)特性對風電并網(wǎng)系統(tǒng)閉環(huán)暫態(tài)分析的意義
    5.8 本章小結(jié)
6 風電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度的暫態(tài)穩(wěn)定性及其影響因素分析
    6.1 引言
    6.2 風電機組直流電壓控制尺度下的暫態(tài)相位單調(diào)失穩(wěn)現(xiàn)象
    6.3 風電機組暫態(tài)相位單調(diào)失穩(wěn)的機理分析
        6.3.1 相位運動的擺次
        6.3.2 相位擺動過程中單調(diào)發(fā)散的機理分析
    6.4 基于受擾軌跡衡量風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定/失穩(wěn)程度的方法
        6.4.1 擺次穩(wěn)定性及其與風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系
        6.4.2 衡量風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定/失穩(wěn)程度的方法
    6.5 風電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度暫態(tài)穩(wěn)定性的影響因素分析
        6.5.1 電網(wǎng)強度對風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.2 端電壓控制對風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.3 鎖相控制對風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.4 直流電壓控制對風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.5 不同因素對風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律的物理解釋
    6.6 本章小結(jié)
7 總結(jié)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 主要創(chuàng)新點
    7.3 未來工作展望
致謝
參考文獻
附錄1 攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄
附錄2 攻讀學位期間參與的主要科研項目

【參考文獻】

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本文編號：2840859