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1、华中科技大学 硕士学位论文 双馈风力发电机组建模及并网动态特性研究 姓名：高一丹 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：张步涵 2011-01-05 I 摘摘 要要 传统能源日益匮乏，环境污染日趋严重，全球向安全、可靠和环保的可持续能源 体系转型迫在眉睫，风电迎来了重要的发展契机。近年来，全球风电迅猛发展，我国 已成为世界风电新增装机容量第一的国家。然而，随着风电规模的不断增大，风电场 接入对系统的影响不容忽视。双馈式风力发电机是当前风力发电的主流机型之一，风 速随机性引起的功率波动及故障情况下的动态响应，对电能质量，系统电压、频率和 功角的稳定性产生的影响需要深入研究。因而
2、，本文结合实际项目，针对双馈风力发 电机组的建模，端口动态特性及对电网电能质量、运行稳定性的影响进行了研究。 在建模方面，首先总结了用于研究不同问题时所选用的风电模型，对目前双馈风 力发电机组普遍采用的控制策略进行了分析，得出了其仅在风电机组端口电压比较稳 定的情况下具有较好的控制效果的结论。其次，对普遍采用的控制策略进行改进，提 出一种新的控制策略，可根据接入系统线路需要，自动补偿其无功，以充分利用双馈 风力发电机组的特点，实现风电场并网点功率因数可控，并基于 PSCAD/EMTDC 平 台验证了改进模型的正确性。再次，考虑到目前国外引进的风电机组核心控制方法和 参数不易获得，且选用详细开关
3、模型会降低仿真的效率，对比分析了双馈风力发电机 组的 PSCAD/EMTDC 详细电磁暂态模型和 Matlab/Simulink 平均模型在电网故障时所 反映的动态特性，表明两种模型具有较好的一致性。据此得出了可在 PSCAD/EMTDC 平台建立双馈风机等值平均模型，以提高暂态仿真效率的结论。并结合实例仿真讨论 了实例风电场的安全容量。 动态特性及其对电网的影响方面，首先仿真分析了风电机组正常和故障情况下的 端口特性。讨论了增加 Crowbar 电路对风电机组低电压穿越能力的改善作用，建议改 进故障期间网侧变流器控制策略，减少转子保护短路时风电机组从电网吸收无功，为 深入掌握风电机组运行端口
4、特性提供了理论基础。 其次， 结合实际含风电场局部电网， 在 PSCAD/EMTDC 平台中搭建了仿真模型，从正常和故障两个角度，考虑风速、风 场容量、切除时间变化、故障的对称性及负荷动态建模等因素，研究了风电场对局部 电网电能质量和电压稳定性的影响，得出了一些有意义的结论，为进一步深入开展相 关仿真研究打下了基础。 关键词：风力发电；双馈风力发电机；模型改进；电能质量；稳定性 II Abstract The traditional energy shortage, environment pollution are more serious, so the transformation of
5、 global to safe, reliable and environmental sustainable energy system is imminent, which brings wind power an important opportunity for development. In recent years, China has become the wind first state of the new installed capacity. However, with the wind scale continuously increases, the influenc
6、e of wind farm on the grid can not be ignored. Doubly-fed type wind-driven generator is currently one of the mainstream of wind power generation, but wind speedrandomness causes power fluctuation and influences the power quality and system stability,and these require further studies. Therefore, base
7、d on the actual project, modeling, dynamic characteristics , influences on stability and power quality of DFIG wind generators were studied. In the modeling aspect, firstly, different models used to study different problems were summarized.Then the common control strategy was analysed and it could o
8、nly be used in the port voltage relatively stable circumstances with good control effect. Secondly,the generally used control strategy was improved, and a new control strategy was presented, which can automatically compensate the reactive power needs according to the system, Additionally, the model
9、was verified based on PSCAD/EMTDC platform. Again, considering that the parameters and control strategy of wind power generation can not easily obtained, the average model in Matlab/Simulink Platform was choosed,and was used to discuss the Security Capacity of an actual network based on its consiste
10、ncy dynamic fault characteristics with the model in PSCAD/EMTDC. In the dynamic performance and the influence on network aspect, firstly, the port characteristics of wind generator in normal and failure situation were studied.Then, the effect of adding Crowbar to improve LVRT of the wind generator w
11、as discussed,and the net side converter control strategy should be improvemented to reduce the absorption of reactive power from the grid. The former task provides theory basis for the thorough grasp of the wind generator operation characteristics.Secondly, based on the PSCAD/EMTDC plantform, the si
12、mulation model was built in an actual local network containing wind farm.From normal and fault two angles, considering wind speed, wind farm capacity, clearance time, fault symmetry and dynamic load eta., the influences of a wind farm on the networks voltage stability and power quality were studied.
13、Through these studies, some significant conclusions were obtained,which is the foundation for further studies. Keywords: Wind power generation; Doubly-fed wnd generators; Model improvement; Electric energy quality; Stability 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含
14、任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅， 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打“”
15、) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪绪 论论 1.1 选题背景及其意义选题背景及其意义 能源对社会和经济发展的起着至关重要的作用，社会发展需要消耗更多的能源， 全球能源消耗在 20 世纪增加了约 9 倍，而 08 与 09 年的全球经济危机使全球能源市 场陷入动荡，全球经济复苏是未来几年能源前景的关键。然而，全球气候变暖和污染 严重给能源体系的转型施加了更大的压力，全球面临着气候变化和能源安全的双重挑 战1。2009 年 7 月八国集团领导人首脑会议上，号召全球减排目标，到 2050 年至少 削减 50%。 12 月的哥本哈根会议上， 制定
16、了把全球气温上升限制到比工业化时代之前 高 2 摄氏度2。中国政府在大会上向国际社会做出承诺：到 2020 年，非化石能源将满 足中国 15%的能源需求。因此，世界各国均需加速发展低碳科技，加快对水能、风能、 太阳能、核能等清洁能源的开发利用，促进全球向安全、可靠和环保的可持续能源体 系转型。 化石燃料仍然是世界范围内一次能源的主导来源，世界电力需求的持续增长是煤 炭和天然气需求增长的主要动力，2009 年中国超过美国成为世界上最大的能源用户， 在 2000 年至 2008 年中国能源消费增长比二十世纪九十年代的十年能源消费上升四倍 还多，增长前景依然强劲。据文献1预测，2008 年至 2035 年电力需求会增长 2 倍。 未来 15 年，预计中国新增发电量相当于目前美国装机总量。全球范围内，2009-2035 年用以取代落后产能和满足需求的产能增长总计达 59 亿千瓦左右，比目前装机容量 高出 25%，在 2020 年会实现总增量的 40%。随着全球向着可持续能源体系的转型， 发电
