双馈风电机组并网的电压波动和闪变及其抑制策略研究

【摘要】：随着人类社会的发展，能源、环境问题已成为当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题，以清洁、可再生能源为主的能源结构将成为未来发展的必然。风能作为一种新的清洁能源，被广泛的应用。随着风电场规模不断扩大，风电场并网对电网的影响也越来越大，这已经严重阻碍了大规模风电场的发展。并网运行的风电机组会对电力系统的电能质量造成一定的影响，其中的电压波动及闪变问题尤其突出，因此在含有风电场的电力系统中，研究并网风电机组引起的电压波动和闪变变得越来越重要。本篇论文从以下几个方面讨论了双馈异步电机DFIG(Doubly-Fed Induction Generator)并网引起的电压波动和闪变问题： （1）研究了风力发电机模型，桨距控制模型，风速模型，并且通过对风力机的主要机型在同步旋转坐标系下的动态方程的推导，建立DFIG的数学模型，并介绍了双馈风力发电系统相应的矢量控制策略。 （2）叙述了电压波动和闪变的概念，并根据IEC闪变框图设计了闪变测试系统模型用于测试风电引起的闪变。深入分析了风电机组并网引起电压波动和闪变的原因，找出了与之关联的四方面因素:湍流强度、风速，系统在公共连接点处的短路容量、电网线路X/R比。在仿真软件PSCAD/EMTDC（Electro MagneticTransient in DC System）标准风电系统的基础上，应用所建立的风电并网模型来对上述几个因素的影响进行仿真测试，并将测试结果进行了分析和比较。仿真结果表明，风速、湍流强度、系统在公共连接点处的短路容量比、电网线路X/R比对公共连接点处的电压波动和闪变均具有较大影响。 （3）通过对静止同步补偿器STATCOM（Static Var Generator）工作原理的分析和数学模型的建立，分析STATCOM直接电流控制和间接电流控制，通过比较得出采用性能更优越的电流直接控制方法具有更好的效果。 （4）并网风电机组引起的电压波动对系统的危害很大，减小并网风电机组引起的电压波动对系统的安全、稳定运行十分重要。DFIG并网运行时需要吸收大量的无功功率，因而需对风电场出口进行无功补偿，采用STATCOM进行无功补偿对减小电压波动及维持系统的稳定运行具有重要意义。对含STATCOM的并网风电机组进行仿真分析，仿真结果验证了STATCOM在各种情况下均能够有效抑制并网风电机组的电压波动及闪变。 【关键词】：风电机组 双馈风机 公共连接点 电压波动 电压闪变 STATCOM
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 风电场电压波动和闪变11-12
• 1.2.1 风电引起的电压波动和闪变问题11-12
• 1.2.2 风电引起的其他电能质量问题12
• 1.3 风电场无功补偿12-13
• 1.3.1 风电场无功补偿意义12
• 1.3.2 STATCOM 的研究历史与现状12-13
• 1.4 本文研究主要内容13-15
• 第二章 双馈风力发电机组动态模型及其运行特性15-30
• 2.1 风机模型16-20
• 2.1.1 风速数学模型16-17
• 2.1.2 风力机及变桨距模型17-19
• 2.1.3 最大风能捕捉19-20
• 2.2 DFIG 数学模型20-24
• 2.2.1 DFIG 等值电路20-22
• 2.2.2 DFIG 动态模型22-24
• 2.3 DFIG 矢量控制24-29
• 2.3.1 网侧 PWM 变换器的运行控制24-27
• 2.3.2 转子侧 PWM 变换器的运行控制27-29
• 2.4 小结29-30
• 第三章 并网风电机组引起电压波动和闪变30-44
• 3.1 电压波动和闪变分析30-33
• 3.1.1 电压波动30
• 3.1.2 电压闪变30-31
• 3.1.3 基于 IEC 标准闪变仪的建模31-33
• 3.2 风电机组并网引起电压波动和闪变的原因33-36
• 3.2.1 闪变值的计算34-35
• 3.2.2 连续运行过程35-36
• 3.3 仿真分析36-43
• 3.4 小结43-44
• 第四章 STATCOM 工作原理和数学模型44-53
• 4.1 STATCOM 工作原理44-48
• 4.2 STATCOM 装置的控制策略48-52
• 4.2.1 电流间接控制49-50
• 4.2.2 电流直接控制50-52
• 4.3 小结52-53
• 第五章 STATCOM 对并网风电机组闪变抑制53-62
• 5.1 风电场对无功需求分析53-54
• 5.2 无功补偿设备54-55
• 5.2.1 并联电容器54
• 5.2.2 静止无功补偿器 SVC54-55
• 5.2.3 静止同步补偿器 STATCOM55
• 5.3 仿真工具 PSCAD/EMTDC55
• 5.4 STATCOM 参数设计55-56
• 5.5 STATCOM 对风电场无功补偿56-60
• 5.6 小结60-62
• 结论与展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录68-69
• 附录 B 攻读学位期间参与的科研项目及获得的成果69

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