第 1 章  緒論 

1.1  課題的研究背景與意義
能源是人類社會(huì)發(fā)展的保障，隨著社會(huì)的進(jìn)步，能源消耗總量在不斷增加，同時(shí)能源結(jié)構(gòu)也在不斷變化。如今，電能已成為人類生活和生產(chǎn)的主要能源，80%以上依靠化石燃料提供，然而，地球上的化石燃料不僅數(shù)量有限不可再生，并且大量化石燃料燃燒后容易導(dǎo)致氣候變暖、環(huán)境污染負(fù)面影響。因此，積極合理地開發(fā)和利用可再生能源是解決全球范圍內(nèi)能源危機(jī)、可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題的重要手段。根據(jù)世界氣象組織估計(jì)，在世界范圍內(nèi)，風(fēng)能總儲(chǔ)量約為 2.74×109MW，其中可開發(fā)量為 2×107MW[1]。風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，并且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，為大力開發(fā)風(fēng)能資源提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，使得風(fēng)力發(fā)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)電網(wǎng)發(fā)展等許多方面發(fā)揮著積極作用。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和法規(guī)政策的不斷完善，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，正在成為新能源產(chǎn)業(yè)的支柱。人類利用風(fēng)能已經(jīng)有很悠久的歷史，風(fēng)力發(fā)電始于丹麥，1891 年丹麥氣象學(xué)家 Paul La Cour1 制造出了世界上首臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并且推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電在丹麥的應(yīng)用，隨后世界各國(guó)也相繼建造了大批的風(fēng)電機(jī)組，然而當(dāng)時(shí)化石燃料發(fā)電機(jī)組應(yīng)用廣泛，特別是二十世紀(jì)五十年代中東石油的開發(fā)，提供了充足的化石燃料，使得風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入一個(gè)相對(duì)緩慢期。 自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)的化石燃料危機(jī)，風(fēng)力發(fā)電得到了各國(guó)的重視，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電及其產(chǎn)業(yè)再次進(jìn)入了快速發(fā)展的黃金階段。風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，1987~1997 年風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)趨于成熟，單機(jī)容量以500-1000kW 為主，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的商業(yè)化發(fā)展模式，1997 年至今是風(fēng)力發(fā)電的高速發(fā)展時(shí)期，兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組成功研究并投入使用，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組和帶全額變頻器的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組成為市場(chǎng)上的主流機(jī)型[1]。同時(shí)，世界范圍內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量也在飛速增加，從 1980 年的 160MW 到 2012 年的282430MW，1990~2012 年間風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量增速保持在 20%以上，成為增長(zhǎng)速度最快的發(fā)電形式。 
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1.2   國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電接入電網(wǎng)后穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀 
電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受擾大的或者小的擾動(dòng)后，電網(wǎng)電壓能夠保持或恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定研究表明，電力系統(tǒng)能否保持電壓穩(wěn)定主要取決于無(wú)功功率是否平衡，電壓失穩(wěn)或者崩潰事故往往是由系統(tǒng)無(wú)功備用容量不足引起的[4-5]。一般，可將風(fēng)電場(chǎng)看做電力系統(tǒng)中的一個(gè)無(wú)功負(fù)荷，其電壓穩(wěn)定性與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性具有一致性，然而由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)不同，其電壓穩(wěn)定性又與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有著不同的特點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)引起的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)傳統(tǒng)的恒速異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)中送出有功功率時(shí)還需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率進(jìn)行勵(lì)磁，容易導(dǎo)致電網(wǎng)的無(wú)功不足而引起電網(wǎng)失穩(wěn)，仿真結(jié)果還指出風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響程度還和風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償、送出線路參數(shù)、與電網(wǎng)聯(lián)系緊密程度等都有關(guān)系；文獻(xiàn)[7]利用電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）等無(wú)功補(bǔ)償裝置提高恒速異步風(fēng)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性，并分析了不同補(bǔ)償方式對(duì)控制效果的影響；文獻(xiàn)[8]針對(duì)主流的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以通過(guò)變頻器對(duì)有功和無(wú)功功率進(jìn)行解耦控制，使得其能夠靈活地調(diào)節(jié)無(wú)功出力，在較大程度上改善風(fēng)電接入地區(qū)電壓穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[9]利用SVC、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）等裝置，為風(fēng)電場(chǎng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，改善了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[10]研究了電網(wǎng)故障情況下變頻器的控制策略，使得雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障期間為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支持，提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[11]通過(guò)槳距角控制和暫態(tài)電壓控制策略相結(jié)合，同時(shí)調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)電機(jī)組電磁功率和機(jī)械功率，減小了作用在機(jī)組上的過(guò)剩轉(zhuǎn)矩，改善了風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力。 
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第 2 章 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

典型的雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)如圖2-1所示，主要由空氣動(dòng)力系統(tǒng)模塊、軸系模塊、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模塊、變頻器控制模塊和槳距角控制模塊構(gòu)成，為弄清楚雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行工作原理，本章分別對(duì)各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型和控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。 

2.1  空氣動(dòng)力學(xué)模型
風(fēng)力機(jī)是將流動(dòng)空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)葉片的機(jī)械能的裝置，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 Cp可以通過(guò) λ 和 β 確定，典型的 Cp曲線如圖 2-2 所示。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，如果采用傳統(tǒng)的控制手段往往十分復(fù)雜，并且控制效果也不理想。近 20 年來(lái)發(fā)展起來(lái)的矢量控制技術(shù)可以簡(jiǎn)化風(fēng)電機(jī)內(nèi)部各變量之間的耦合關(guān)系，使控制簡(jiǎn)單化。 
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2.2  軸系模型 
一般的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸系系統(tǒng)可以等效為三個(gè)質(zhì)量塊：風(fēng)機(jī)質(zhì)塊、齒輪箱質(zhì)塊（直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)齒輪箱質(zhì)塊）、發(fā)電機(jī)質(zhì)塊，根據(jù)不同的研究目的，風(fēng)力機(jī)的軸系有著不同的建模方法。當(dāng)需要準(zhǔn)確的反映風(fēng)力機(jī)軸系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)可以采用三質(zhì)塊模型；由于齒輪箱的慣性系數(shù)相對(duì)于風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)較小，一般可以忽略齒輪箱的慣性，建立兩質(zhì)塊模型；如果不以研究風(fēng)機(jī)軸系動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，為了提高仿真速度，可以進(jìn)一步忽略傳動(dòng)部分的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)，建立集中質(zhì)量塊模型。對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于變頻器的作用，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的頻率解耦，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其軸系動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)仿真結(jié)果影響較小，然而暫態(tài)過(guò)程中，由于發(fā)電機(jī)軸系可以儲(chǔ)存或釋放部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程具有較大影響，因此，為了更加準(zhǔn)確的反映雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，在暫態(tài)穩(wěn)定仿真試驗(yàn)中一般采用兩質(zhì)量塊模型，一個(gè)質(zhì)塊為風(fēng)機(jī)質(zhì)塊，一個(gè)為發(fā)電機(jī)質(zhì)塊，兩質(zhì)塊軸系模型如圖 2-3 所示，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型方程可表示為[28]：對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)建模，首先應(yīng)選定參考坐標(biāo)系，選擇不同的參考坐標(biāo)系將得到不同的數(shù)學(xué)模型和分析方法，雙饋風(fēng)力發(fā)電常用的參考坐標(biāo)系主要有 x-y 參考坐標(biāo)系，定子電壓參考坐標(biāo)系（stator voltage reference frame，SVRF）、定子磁鏈參考坐標(biāo)系（stator  flux  reference  frame，SFRF）以及轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系（rotor reference frame，RRF），各坐標(biāo)系之間的如圖 2-4 所示[54]。 
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第 3 章 大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響 ............ 23 
3.1  風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)介紹 ............ 23 
3.2 DFIG 無(wú)功功率運(yùn)行極限分析 ....... 25
3.2.1 DFIG 定子側(cè)無(wú)功極限計(jì)算 .......... 25
3.2.2 DFIG 網(wǎng)側(cè)無(wú)功極限計(jì)算 ..... 25 
3.3  風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償 ........... 26
3.4  雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略 ...... 30
3.5 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)電壓協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型 ....... 31 
3.6 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)電壓協(xié)調(diào)控制模型求解 ....... 33 
3.7 算例分析 ...... 34
3.8 本章小結(jié) ...... 39 
第 4 章 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)功角穩(wěn)定性影響 ...... 40 
4.1 振蕩能量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ..... 40 
4.2 基于振蕩能量消耗的雙饋風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定控制 .... 44 
4.3  雙饋風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì) ......... 46
4.4  算例分析 ..... 49
4.5  本章小結(jié) ..... 53 
第 5 章  結(jié)論與展望 ........ 54 
5.1  結(jié)論 .... 54 
5.2  展望 .... 55 

第 4  章 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)功角穩(wěn)定性影響 

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)由小規(guī)模地接入配電網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展為大規(guī)模地接入輸電網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)出了與以往不同的特點(diǎn)，其對(duì)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定影響越來(lái)越突出。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的柔性連接和最大風(fēng)能跟蹤控制，目前已逐步取代恒速風(fēng)電機(jī)組，成為市場(chǎng)上的主流機(jī)型。然而，在常規(guī)情況下，為了最大化的利用風(fēng)能資源和提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)，雙饋風(fēng)電機(jī)組一般采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制和恒功率因數(shù)（DPC）控制方式，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)向電網(wǎng)輸出最大有功的同時(shí)并不從電網(wǎng)吸取無(wú)功。然而，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組失去了維持電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的能力，其對(duì)電網(wǎng)慣量的貢獻(xiàn)、不平衡功率的阻尼作用和暫態(tài)電壓支持能力幾乎為零[35-42]。隨著風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的實(shí)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)具有為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制的能力。因此，研究風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)之間的交互作用，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行有效的調(diào)控，提高風(fēng)電接入系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。 一直以來(lái)，能量函數(shù)在研究電網(wǎng)的穩(wěn)定性方面扮演著重要角色，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的程度可以用暫態(tài)能量的多少表征[59-60]。然而，傳統(tǒng)的暫態(tài)能量函數(shù)法研究電網(wǎng)的穩(wěn)定性是建立在構(gòu)造系統(tǒng)具體的暫態(tài)能量函數(shù)和求得系統(tǒng)能量函數(shù)的臨界值的基礎(chǔ)上的，在很大程度上限制了能量函數(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。系統(tǒng)的振蕩能量和暫態(tài)能量函數(shù)法中的暫態(tài)能量是一致性的，該方法不需要構(gòu)造能量函數(shù)，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可計(jì)算得出，可以避免含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)暫態(tài)能量函數(shù)構(gòu)造的困難。振蕩能量反映了系統(tǒng)中能量的分布、傳播和消耗，從振蕩能量流中可以獲得能量產(chǎn)生和消耗的信息，從而定量地評(píng)估元件的阻尼特性，研究提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的方法。  

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結(jié)論

近年來(lái)，隨著風(fēng)電穿透功率不斷增加，加之風(fēng)電機(jī)組不同的動(dòng)態(tài)特性和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響也越來(lái)越突出。因此，研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響以及相應(yīng)的改善措施，有助于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，，同時(shí)也能最大限度的保障風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文首先介紹了近幾年風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步在前人研究工作的基礎(chǔ)上對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了較為深入的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括電壓穩(wěn)定性和功角穩(wěn)定性兩部分，完成的工作總結(jié)如下：  
（1）詳細(xì)介紹了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，主要包括空氣動(dòng)力系統(tǒng)模型、軸系模型、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型、變頻器控制模型和槳距角控制模型；推導(dǎo)分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功解耦控制的原理，并建立相應(yīng)的控制模型；最后，在 DIgsilent/PowerFactory 仿真軟件中建立雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)模型。 
（2）電壓穩(wěn)定性研究部分針對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的電壓控制大多以穩(wěn)定系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓為控制目標(biāo)，而對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的均衡性考慮較少的問(wèn)題提出了一種改善雙饋風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行安全性的無(wú)功電壓控制策略。在研究典型的放射式集電系統(tǒng)電壓分布及其無(wú)功補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)典型的放射式集電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制方案。通過(guò)仿真驗(yàn)證可以看出，本文提出的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略在風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)能夠均衡風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓裕度和提高風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量，從而在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)或電網(wǎng)故障期間有效地預(yù)防風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的安全性，起到預(yù)防控制的效果；風(fēng)電場(chǎng)故障情況下的本文控制策略通過(guò)快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，提高了雙饋風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：58918