目前以中國為首的全球風電行業(yè)發(fā)展迅猛,大量風力發(fā)電機并入電網(wǎng)。在中國,雙饋感應式風力發(fā)電機(double-fed inductiongenerator,DFIG)作為風電市場主導機型在實際工程中以大規(guī)模風電場的形式得到了廣泛地應用。在電網(wǎng)故障情況下,雙饋風電場中風機具有不同于同步發(fā)電機的暫態(tài)運行與調(diào)控特性。其中,對于有功暫態(tài)行為與控制,我國《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》做出相關要求:自事故清除時刻開始,未被切除風電場有功應以10%額定功率/秒或以上的速率恢復至故障前的值。當大規(guī)模雙饋風電場接入電網(wǎng)后,其故障后有功功率因恢復行為可能在暫態(tài)功角首擺過程結(jié)束后仍持續(xù)改變系統(tǒng)中同步發(fā)電機的電磁功率,進而嚴重影響其轉(zhuǎn)子角運動軌跡,形成復雜的失穩(wěn)現(xiàn)象。這對現(xiàn)代電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出新的挑戰(zhàn)。因此,開展雙饋風電場對暫態(tài)穩(wěn)定影響機理及控制策略研究具有重要理論與實際意義。本文從我國《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》以及風電場實測數(shù)據(jù)出發(fā),結(jié)合雙饋風機控制及風電場暫態(tài)模型,深入探究系統(tǒng)側(cè)故障清除后期間雙饋風電場有功控制(下文簡稱故障后雙饋風電場有功控制)特別是有功恢復控制對暫態(tài)功角失穩(wěn)的影響,揭示相應的暫態(tài)功角失穩(wěn)模式,并提出兩種改善控制策略。主要研究內(nèi)容歸納如下:介紹雙饋風力發(fā)電機控制與暫態(tài)特性,詳細說明電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定問題與雙饋風機暫態(tài)特性的關系。基于此,闡述暫態(tài)功角穩(wěn)定分析中雙饋風力發(fā)電機建模的兩個主要方式(機理建模與非機理建模)以及它們的適用性。最后,給出適合本文暫態(tài)功角失穩(wěn)分析的雙饋風力發(fā)電機和風電場暫態(tài)模型。同時,為后續(xù)研究中雙饋風電場利用方式提供理論依據(jù)。揭示故障后雙饋風電場有功控制對暫態(tài)功角前兩擺失穩(wěn)影響機理。利用擴展等面積定則與雙饋風電場暫態(tài)模型,構(gòu)建適合分析含雙饋風電多機系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的等值單機無窮大(one machine infinite bus,OMIB)系統(tǒng)模型;利用該模型對雙饋風電場與兩臺同步機互聯(lián)的簡化系統(tǒng)進行分析,揭示故障后風電場有功出力低會增加第二擺失穩(wěn)可能性;進一步分析風電并網(wǎng)系統(tǒng)中功角第二擺失穩(wěn)與首擺失穩(wěn)的關系,從整體上揭示風電場有功恢復速率變慢會使原本只有可能出現(xiàn)首擺失穩(wěn)的系統(tǒng)有可能發(fā)生首擺不失穩(wěn)而第二擺失穩(wěn)的現(xiàn)象,并最終導致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性下降的影響機理;最后通過數(shù)值仿真對機理分析進行驗證。所做研究拓展了當前風電并網(wǎng)后只關注首擺失穩(wěn)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性分析方法。進一步拓展失穩(wěn)問題研究,揭示雙饋風電場有功恢復控制對系統(tǒng)暫態(tài)功角全過程失穩(wěn)影響機理。基于各擺次失穩(wěn)現(xiàn)象及其它們之間的關系,揭示雙饋風電場有功恢復控制對系統(tǒng)暫態(tài)功角首擺以及多擺失穩(wěn)的影響。研究表明,雙饋風電場有功恢復控制加劇了首擺與奇數(shù)多擺的失穩(wěn)可能性,同時削弱了偶數(shù)多擺的失穩(wěn)可能性。進一步分析雙饋風電場有功恢復速率對系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)的影響,并提出相應的暫態(tài)功角失穩(wěn)模式。當大規(guī)模雙饋風電場有功恢復速率因不同控制策略被設置為從快到慢等不同速率值時(假設在每種控制策略下恢復速率恒定),在相應順序場景下,系統(tǒng)會出現(xiàn)三種失穩(wěn)模式(其臨界失穩(wěn)分別為首擺失穩(wěn)、奇數(shù)多擺失穩(wěn)以及第二擺失穩(wěn))。最后通過數(shù)值仿真對所揭示機理進行驗證。研究成果進一步拓展了風電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性分析范圍,為制定考慮系統(tǒng)暫態(tài)功角全過程失穩(wěn)的風電場暫穩(wěn)控制策略提供了理論支撐。針對風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)功角失穩(wěn)新問題,提出改善系統(tǒng)暫態(tài)功角全過程穩(wěn)定性的雙饋風電場有功控制策略。利用雙饋風電場對暫態(tài)功角失穩(wěn)影響機理,提出改善系統(tǒng)暫態(tài)功角全過程穩(wěn)定性的雙饋風電場有功控制原則�？刂浦芷诒辉O計為3個階段,風電場有功恢復速率建議在第1階段盡量大,在第2階段盡量小。此外,在第3階段中,應調(diào)整其大小以維持系統(tǒng)故障后穩(wěn)定狀態(tài)。為滿足實際工程應用需求,采用“在線預算”和“實時匹配”方案,提出故障后雙饋風電場有功功率控制策略,對控制策略步驟和詳細參數(shù)計算進行說明。最后通過數(shù)值仿真驗證所提出的控制策略的有效性與全面性。所提原則能為制定雙饋風電場暫穩(wěn)控制策略提供更直接清晰的指導和參考,所提策略具有良好的實際工程應用潛力。進一步優(yōu)化暫穩(wěn)控制方案,通過協(xié)調(diào)控制同步機切機和故障后雙饋風電場有功功率,提出可以提高暫態(tài)功角穩(wěn)定性與控制成本經(jīng)濟效益的雙饋風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制策略。分析各協(xié)調(diào)控制量對系統(tǒng)暫態(tài)功角各擺次穩(wěn)定性的作用,提出雙饋風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制原則。雙饋風電場控制周期被設計為6個階段,給出每個階段故障后有功功率建議值,以改善系統(tǒng)前五擺穩(wěn)定性以及維持故障后穩(wěn)定狀態(tài)。為了減少同步機切機量,僅當風電場控制效果不足時,同步機才會切機以避免失穩(wěn)。為滿足實際工程應用需求,采用“在線預算”和“實時匹配”方案,提出暫態(tài)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制策略,對控制策略步驟和詳細參數(shù)計算進行說明。最后在三種不同故障嚴重條件下進行仿真驗證。結(jié)果顯示,與傳統(tǒng)雙饋風電場控制或同步機切機控制相比,協(xié)調(diào)控制具有更好的功角穩(wěn)定性改善效果和更低的控制成本(更少的同步機切機量)。所提原則能為雙饋風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫穩(wěn)控制策略提供更直接清晰的指導和參考,所提策略具有良好的實際工程應用潛力。
【學位單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM614;TM712
【部分圖文】：

紀九十年代以來，以風力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術在全球范圍內(nèi)得到了突??飛猛進的發(fā)展［３，４］。依據(jù)全球風能理事會（Ｇｌｏｂａｌ?Ｗｉｎｄ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｃｏｕｎｃｉｌ，ＧＷＥＣ）??發(fā)布的２０１７年全球風電發(fā)展報告［５］，圖１－１展示出２００８年至２０１７年全球每年??新增及累計風電裝機容量。??６０００００????■新增裝機容量?５３９１２３??５〇〇〇〇〇?■累計裝機容置?４８７２７９??４３２６８０??＾?４０００００?３６９８６２??Ｓ?３１８６９７??＾?３０００００?２８２８５０??１?００?００?，２〇．?ｆ?｜?１?Ｉ?｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??￣?２６?ｊ?３８￡｜?３￡｜?４〇１｜３￡｜?３６．３｜．｜｜?１１＾１＾１??２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７?年份??圖１－１全球每年新增及累計風電裝機容量??Ｆｉｇ．?１－１?Ｇｌｏｂａｌ?ａｎｎｕａｌ?ａｎｄ?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｙ??對于全球各國來說，目前中國仍是風電發(fā)展的領頭羊，緊隨其后的是美國、??德國、印度、西班牙等國家。截止至２０１７年底，全球累計風電裝機容量前十名??的國家及其數(shù)據(jù)如圖１－２所示。值得一提的是，其中中國累計風電裝機容量達??到１８８３９２ＭＷ，占全球累計風電容量總量的３５％。此外，前十名國家累計風電??裝機容量的總和為４５６７３２ＭＷ，占全球累計風電總裝機容量的８５％。??總的來說，由于風力發(fā)電具有成熟的技術與商業(yè)利用價值，已被世界各國??當作替代化石能源的有效供能手段

占比１０％?占比１７％??圖１－２截至２０１７年底全球累計風電裝機容量前十名的國家??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｏｐ?１０?ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ９?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｙ?ａｔ?Ｄｅｃ?２０１７??中國風電產(chǎn)業(yè)雖起步較晚，但自２００４年起發(fā)展迅猛。隨著累計風電裝機容??量的日益擴大，我國于２０１０年底首次超過美國，躍居成為全球第一的風電裝機??大國。截止至２０１７年底，我國累計風電容量己經(jīng)是第二名美國的２倍。依據(jù)中??國可再生能源學會風能專業(yè)委員會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［６］，我國（除港、澳、臺地區(qū)外）??２００８年至２０１７年新增及累計風電容量如圖１－３所示。??２０００００?ｉｏｏ－３ｑｎ??１８００００?■?－ｍ??１?■累計裝機容量?ｌ３０??１６００００??１?丨４５３６０??＿?１４００００??｜?１２００００?１Ｈ６１０??ｇ?１０００００?９１４１０??＾?８００００?７５３２〇??＊?—?—？＿■■■■■??：：Ｉ２￡｜?＾ｏｌｌｌ３ｌ｜ｌ｜＾ｌｌ??２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７?年份??圖１－３中國每年新增及累計裝機風電容量??Ｆｉｇ．?１－３?Ａｎｎｕａｌ?ａｎｄ?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｙ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ??２〇〇８年至２０１０年，全國每年新增風電容量呈穩(wěn)健增長態(tài)勢。雖然在２０１１??年２０１３年新增速率較緩慢

對控制策略步驟和詳細參數(shù)計算進行說明。最后通過數(shù)值仿真驗證所提出的控??制策略的有效性。??論文總體框架如圖１－４所示。??雙饋風電場有功恢復控制對系統(tǒng)暫態(tài)??穩(wěn)定的影響機理及控制策略????１???影響機理?控制策略??Ｉ?Ｉ—?Ｉ?一＾＝＾??第３章?第４章?第５章?第６章??故陣：后雙饋風電場有功?雙饋風電場有功恢復控?改善系統(tǒng)暫態(tài)功角全?雙饋風電并網(wǎng)系??控制對暫態(tài)功角前兩擺?制對系統(tǒng)暫態(tài)功角全過?過程穩(wěn)定性的雙饋風?統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定協(xié)調(diào)??失穩(wěn)影響機理?程失穩(wěn)影響機理?電場有功控制策略?控制策略??圖１－４論文研宄內(nèi)容的整體框架??Ｆｉｇ．?１－４?Ｇｅｎｅｒａｌ?ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｉｓ?ｐａｐｅｒ??以“了解新事物，初探新問題，進一步探究新問題，提出解決方案，進一??步優(yōu)化解決方案”這種遞進式科學研究思路，對論文各章節(jié)內(nèi)容安排如下：??第２章：介紹雙饋風電發(fā)電機控制，給出雙饋風電發(fā)電機與風電場暫態(tài)模??型。??第３章：建立含雙饋風電多機系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析模型，揭示故障后雙??饋風電場有功控制對暫態(tài)功角前兩擺失穩(wěn)影響機理。??第４章：進一步拓展第３章失穩(wěn)問題研究，揭示雙饋風電場有功恢復控制??對系統(tǒng)暫態(tài)功角全過程失穩(wěn)影響機理。??第５章：根據(jù)第４章暫態(tài)失穩(wěn)問題的研究成果，提出改善系統(tǒng)暫態(tài)功角全??過程穩(wěn)定性的雙饋風電場有功控制策略。??第６章：通過協(xié)調(diào)控制同步機切機和雙饋風電場有功功率，提出可以同時??提高各擺次穩(wěn)定性與控制成本經(jīng)濟效益的雙饋風電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定協(xié)
【參考文獻】

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本文編號：2879505