36850字硕士毕业论文双馈风力发电机对电力平台功角稳定的影响

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：36850字

论点：机组,风电,风能

论文概述：

本文基于双馈风电机组的基本原理，建立了双馈风力发电机的数学模型；详细分析了双馈风电机组的等效功角特性；在此基础上，分析了双馈风电机组接入对电力系统暂态稳定性的影响，针对双

论文正文：

第一章导言

1.1论文的研究背景和意义
目前，风力发电已经成为人类利用风能的主要形式。自20世纪80年代以来，风力发电发展迅速。据不完全统计，世界风能总量为100万千瓦。即使只有1%的风能用于发电，也足以满足世界上的电力需求。根据世界风能协会(WWEA)2012年的报告，截至2012年底，全球风电装机容量达到282275兆瓦，其中只有新增装机容量在2012年达到新高，达到44609兆瓦，占2011年风电总装机容量的7%，比2011年同期增长近19.2%。就2012年装机容量而言，全球风电每年可提供580万亿瓦时的电力，约占全球总量的3%。目前，世界上已有100个国家利用风能发电，其中中国、美国、德国、西班牙和印度仍是风力发电发展最快的五个国家。据世界风能协会估计，2016年全球风电装机容量将达到500千兆瓦，2020年将翻一番(1)。中国幅员辽阔，海岸线漫长，风能资源丰富，仅次于美国和俄罗斯，位居世界第三。它的开发和利用空是巨大的。据不完全统计，中国风能资源总储量约为32.26亿千瓦，可开发利用陆地风能7.5亿千瓦，可开发利用海上陆地风能7.5亿千瓦。由于我国幅员辽阔，地形复杂，风能资源丰富，主要集中在“三北”(东北、华北和西北地区)、东部沿海土地、岛屿和沿海水域，此外，青藏高原地区、鄱阳湖周边和山区等内部局部地区也有丰富的风能资源[2]。虽然中国风电起步较晚，但经过近几年的快速发展，中国的总装机容量已经超过美国，位居世界第一。2012年，中国新增风电装机容量约为13GW，占全球新增装机容量的32%，总装机容量达到75GW。图1是2012年世界主要风能利用国的装机风电容量条形图。为了有效利用中国丰富的风能资源，促进中国风电产业快速、健康、协调发展，中国出台了一系列相关政策，鼓励和发展大型风电场建设。国家计划建设七个10兆瓦的风力发电基地，并将在“十二五”期间在甘肃、河北、吉林、孟东和孟茜基本建设五个10兆瓦的风电场。根据装机容量每年增加1000万千瓦，中国风电装机容量预计将达到9000万千瓦至1亿千瓦。2020年，全国风电计划装机容量将达到1.5亿千瓦，风电将成为仅次于火电和水电的第三大常规能源
1.2风力发电技术
风力发电技术是将风能转化为电能的技术，涵盖空空气动力学、刚体运动、电机、电力电子、控制论等相关领域。风力发电系统是将风能转化为电能的装置，主要由机械传动部分和电气部分组成。机械传动部分包括风轮、传动轴、齿轮箱及其控制系统，风轮由风力驱动旋转，风能在控制系统的调节下转化为机械能。电气部分主要由发电机、电力电子设备及其控制系统组成，实现机械能和电能的转换。事实上，风力发电的发展就是风力发电技术的发展。风力发电机经历了从恒速恒频风力发电机到变速恒频风力发电机的发展过程。由于电力电子装置的灵活调节特性，变速恒频风力发电机比恒速恒频风力发电机具有更大的风速运行范围、更高的风能利用率和更小的功率波动。本节主要从风力发电机组功率调节技术和风力发电机组运行控制方面介绍恒速和变速风力发电机组的风力发电技术。。
风力发电并网运行作为一种新的发电方式，给电网带来了影响。早期，风力涡轮机的装机容量很小，而且分散在配电网中。风力发电对电网的影响主要表现在风能本身的间歇性和随机性引起的电压波动和谐波污染。随着风电装机容量的增加，风电在电力系统中的比重逐渐增加，大容量风电对电力系统的影响也将增加。一方面，由于风能的波动，风力涡轮机很难像传统单元那样对系统进行频率调制和电压调节。另一方面，风力涡轮机在连接到电网后替换了传统发电机的一部分，增加了电网上系统中同步发电机的调节负担，并且改变了电网的初始功率流分布、线路的传输功率和整个系统的惯性矩
第二章双读数风力发电机的工作原理及数学模型。此外，随着电力电子技术的进步，风力发电技术也取得了长足的进步。大量依靠电力电子设备的变速恒频风力涡轮机已经迅速取代传统速度风力涡轮机成为主流风力发电模型。双馈风力涡轮机是广泛使用的变速风力涡轮机。双馈机组采用矢量励磁控制策略。通过转子侧变频器调节转子绕组中励磁电流的幅度、相角和频率，可以调节转子速度，并且可以解耦发电机的有功和无功功率。电网故障时，双馈机组表现出不同于同步发电机的动态特性。随着越来越多的双馈机组并入电网，主要由同步发电机决定的电力系统的动态特性将发生变化，这必然会给电网的稳定性带来新的变化。讨论和分析双馈风力发电机组并网系统的暂态稳定性具有重要的研究价值和意义。

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2.1简介
双馈风力涡轮机是目前流行的变速恒频风力涡轮机，其占已安装风力发电容量的很大一部分。目前，几乎所有的风力发电制造商都在研究和生产双馈风力涡轮机。双馈风力发电机作为变速风力发电系统，可以优化风轮的功率输出，与恒速风力发电机相比，每年可以增加约5%的发电量。发电机在正常运行期间的转速在同步转速的-50%至+15%之间变化，在瞬态过程中，最大转速可超过同步转速的+30%。近年来，双馈风力涡轮机在电力系统中的比例在单机组容量和风力发电总量方面都在增加。同时，电力系统对风力发电的要求也在不断提高。它对电力系统的动态行为有很大的影响，并将改变电力系统的稳定特性。双馈风力发电机组的精确建模是分析和研究双馈并网下电网稳定性和可靠性的关键。本章将详细介绍和分析双馈风力发电机的结构和工作原理。在此基础上，对双馈风力发电机的发电机模型、变流器模型和机械传动轴模型进行了分析和讨论。结合该模型，对双馈风力发电机矢量控制策略进行了研究，为后续的理论分析奠定了基础。

第三章双馈风力发电机等效功角特性……40
3.1导言……40
3.2双馈风力发电机的功角特性……40
3.2.1双馈风力发电机的对称稳态运行……40
3.2.2功率角……41[/溴/] 3.2.3双馈风力发电机的功角瞬态特性……43[/比尔/] 3.2.4模拟分析……44[/比尔/] 3.3概述……48 [/BR/]第四章双馈风力发电机与电力系统功率角的连接……50[/比尔/] 4.1双馈风力涡轮机与电力系统的连接……50[/比尔/] 4.2双馈风力发电机的外部特性……50[/比尔/] 4.3双馈风力涡轮机与同步发电机电源的连接……52 [/BR/] 4.4双馈风力发电机组单机系统暂态稳定性分析……57 [/BR/] 4.5双馈风力发电机组多机系统暂态稳定性分析……61 [/BR/] 4.6双馈风力发电机控制模式和控制参数的变化……67[/比尔/] 4.7概述……72
第五章大规模风电并网对贵州电网的影响研究……73
5.1贵州电网与风电场规划……73
5.2……74
5.3概述……80

结论

变速恒频风力发电机因其运行速度范围广、发电效率高、对电网波动影响小，已取代恒速风力发电机成为主流风力发电机。目前，双馈风力发电机是应用最广泛的变速恒频风力发电机。双馈单元使用绕线异步电动机，它们的转子电路通过背靠背脉宽调制电压源转换器连接到电网，而转子绕组和定子绕组都使用三相对称绕组，并且没有实际的G轴。因此，电磁功率的输出不能像传统的同步单元那样通过转子的机械角位移的变化直接反映出来。然而，双馈风力发电机组采用面向矢量的励磁控制策略，以定子磁链或定子电压空之间的矢量为虚拟轴，通过控制系统控制转子磁链空之间的矢量，调节转子绕组回路中的电流频率、幅值和相位，在电机气隙中产生同步旋转磁场，实现机械能和电能之间的能量转换。因此，双馈风力发电机组在一定程度上具有与同步发电机组相似的特性。随着双馈机组装机容量的增加，电力系统的动态特性会发生变化，给电力系统的稳定性带来新的变化。在此基础上，系统深入地分析了双馈风力发电机的基本结构和工作原理，研究了双馈风力发电机的数学模型，探讨了其控制系统的作用机理。定义了双馈单元的等效功角特性，推导了双馈单元的等效外特性，分析了双馈单元连接对单端输电系统功率特性的影响，并通过仿真研究验证了单端输电系统的暂态稳定性。以IEEE30总线为例，仿真分析了用等容量双馈单元取代同步单元后，系统中各同步单元的暂态功角稳定性。讨论了双馈机组不同控制方式和控制系统参数变化对系统中各同步机组暂态功角稳定性的影响。最后，结合贵州实际电网，分析了大规模风电接入对贵州电网暂态稳定性的影响，得出以下结论:
(1)双馈风力发电机包括风轮、齿轮箱、机械传动轴等机械部件，以及发电机、脉宽调制变换器和控制系统等电气部件。双馈风力发电机的背靠背脉宽调制变换器在其控制系统的作用下可以实现能量的双向流动，从而使双馈风力发电机能够在大的速度范围内稳定运行。双馈机组转子侧变流器采用定子磁链或定子电压定向励磁控制策略，而电网侧变流器通常采用电网电压定向励磁控制，在两者的协调下实现双馈机组的有功和无功解耦控制。
(2)双馈风力涡轮机具有类似于同步发电机的等效功率角特性，并且它们的功率角可以通过定子和转子通量之间的角度来观察空。由于双馈风力发电机组很难从外部反映惯性矩，基于双馈风力发电机组的等效功角特性，推导出双馈风力发电机组的等效外部特性。在故障发生之前和故障清除之后，双馈风力发电机可以等效为并联到电网的负电阻，而在故障期间和故障清除之前，双馈风力发电机可以等效为负电阻和负电阻，它们随着发电机的等效功角而变化并连接到电网。
(3)故障发生前和故障清除后，双馈风力发电机的连接降低了单端输电系统的功率极限，增大了功率极限角，不利于故障清除后单端系统快速稳定的功率角，降低了单端系统的阻尼特性。然而，在故障期间和故障清除后的早期，双馈单元的接入增加了单端系统的功率极限，增加了单端系统的减速面积，并减小了发送端系统的功率角的头摆幅。
(4)双馈机组通常采用恒定功率因数运行模式。当系统中的同步单元以相等的容量替换后，系统中剩余同步单元的无功负载增加。在励磁控制系统的作用下，各机组增加发电机磁链的幅值，从而增加发电机的内部电势，增加各同步机组的功率极限，减小各发电机组的初始功率角，进一步增加发电机组的稳定裕度，使系统中各同步机组的功率角在同一故障下快速恢复稳定。在不更换系统中任何单元的情况下，增加额外的并网风力发电机组，以减少同步单元的有功输出，提高它们的稳定裕度，并提高系统的稳定性。并网风力涡轮机的容量越大，每个机组的稳定性就越好。

参考
[1]世界风能协会2012年报告[。WWEA，2013。
[2]中国风能资源概述[。世界风力发电网络信息中心，2007。
[3]顾卓远。双馈风力发电机的建模与仿真。北京:中国电力研究所，2011。
[4]李建设吴军。刘春晓周剑。风电并网对电网的影响[。中国南方电网技术，2010，4 (5): 48-52。[/比尔/] [5]吴国祥。变速恒频双馈风力发电若干关键技术研究[。上海:上海大学，2009。
[6]陈国成脉宽调制逆变器技术及其应用[M]。北京:中国电力出版社。2007.
[7]郭家湖。变速恒频双馈风力发电系统控制技术研究。上海:上海大学，2008。
[8]刘戚慧。变速风力发电系统运行与控制研究[。杭州:浙江大学。2005.
[9]邹旭东。变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术研究[。武汉:华中科技大学，2005。
[10]周少雄，基于矢量技术的双馈风力发电机组励磁控制技术研究。广州:华南理工大学，2012。[/BR/]