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1、山东科技大学学士学位论文 摘要本科毕业设计论文题目基于MATLAB/Simulink风电机组并网运行特性分析摘要近年来，风能作为一种可再生绿色能源，受到了广泛关注。随着我国风电产业的持续发展，风电场规模不断扩大，风电场并网运行对电网造成的影响也越来越大。因此深入分析风电场并网对电力系统的影响，成为进一步开发风能所迫切需要解决的问题。本文首先分析了国内外风力发电的发展和现状，阐述了风力发电的基本原理。通过对我国目前应用比较广泛的双馈异步风力发电机和直驱永磁同步电机进行比较，可以看出双馈异步风力发电系统具有明显的优越性。然后，本文建立了双馈型异步风力发电系统的数学模型。通过模型的建立，在MATLA
2、B/Simulink仿真环境下实现了风力发电系统的动态仿真，分析了风电场并网的运行特性，探讨了并网风电场与电网之间的相互影响，特别是对输出功率和电压质量的影响。关键词：双馈异步风力发电机、MATLAB/Simulink仿真、风速、动态仿真ABSTRACTWind power as a kind of renewable green power resources has been received extensive attention in recent years. With the development of wind industry in China and the expansi
3、on of the scale of wind farms, the influence brought by large wind farms connected to power systems has become greater and greater. Therefore，the research on the impact of wind farms connected to power systems is an important issue that should be solved urgently.Firstly, the development and recent s
4、tatus of wind power in the world and in China, the characteristics and some technical problems of wind power are analyzed in this paper. The principle of wind power is studied. The operating characteristics of doubly-fed induction motors and direct-drive permanent magnet synchronous motor used in ou
5、r country are compared in. Through the comparison, we can see that the wind power system with DFIG shows the obvious superiority. Secondly, a series of dynamic mathematics models of wind turbine generator based on the doubly-fed induction wind power system are set. Through Which, the Simulation is d
6、eveloped using MATLAB/Simulink tools by the dynamic mathematics models. The function characteristics of large grid-connected wind farm are analyzed and the interactions of wind power and the grid，especially to the power output and voltage quality，are researched. Key words: Doubly-fed induction wind
7、turbine, MATLAB/Simulink Simulation, Wind speed, Dynamic simulation山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论11.1 选题背景及意义11.2 国内外风力发电的发展和现状21.3 风电并网对电力系统的影响情况41.4 论文的主要工作72 双馈风力发电机组的运行理论92.1 引言92.2 风力发电系统类型92.3 双馈风力发电机组变速恒频运行的基本原理112.4 双馈风力发电机系统的基本结构132.5 双馈风力发电机的等效电路142.6 双馈风力发电机的功率关系153 双馈风力发电系统的数学模型183.1 引言183.2 风速模型
8、183.3 风力机模型213.4 传动装置模型233.5 桨距角控制模型253.6 双馈异步发电机及其控制系统模型263.7 变流器模型333.8 本章小结344 风电场并网对系统影响仿真分析354.1 引言354.2 MATLAB仿真软件的概述354.3 仿真模型及系统描述384.4 仿真结果及分析394.5 本章小结505 总结52参考文献53致谢55附录（外文文献及翻译）56山东科技大学学士学位论文 绪论1 绪论1.1 选题背景及意义随着工业的快速发展，世界能源日益枯竭，环境不断恶化。人们的环保意识和危机感不断加强，各国政府纷纷制定新的能源政策，给风能、太阳能、潮汐能和地热能等可再生能源
9、的发展带来了新的契机。这一浪潮正在重新塑造着电力工业，使电力工业在可持续发展的能源工业中面临新的机遇和挑战。由于我国长期发电结构不合理，火电所占比例过大，带来了日益严重的燃料资源缺乏和环境污染问题。因此，从能源发展战略来看，我国必须寻求一条可持续发展的能源道路。风力发电作为一种重要的可再生能源形式，越来越受到人们的广泛关注。除了水电以外其他可再生能源中，风力发电在技术上日趋成熟，商业化应用不断提高，是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。经济性方面，风力发电成本不断降低，同时常规能源发电由于环保要求增高使得成本进一步增加，而且随着技术的进步，风力发电的成本将有进一步降低的巨大潜力。因此，
10、在各种可再生能源利用中，风能具有很强的竞争力，成为电力系统中增长速度最快的新能源。近几年来，风力发电机组单机容量和风电场建设规模都日益扩大，成为电网电源中的重要组成部分。风力的随机性和间歇性以及机组运行时对无功的需求都会对电力系统稳定运行，尤其是对电压稳定运行产生危害。作为分析的基础，需要建立正确的风电机组和风电场的数学模型。另外，针对新型风力发电机组，也需要根据其特性建立适当的数学模型，并应用于电力系统中分析它的运行结果。由于风力发电是一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定等诸多方面带来负面的影响，随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网
11、的影响也愈加显著，成为制约风电场容量和规模的严重障碍。双馈异步发电机(DFIG)属于变速恒频发电模式，它的定子侧直接与电网相连，转子侧通过一个背靠背的双向电压源变频器与电网相连，给发电机提供励磁频率(转差频率)，和传统的直接接入式风电系统相比，只有20%30%的发电功率通过了功率转换器，降低了功率转换器件的损耗和经济成本，同时还具有无功、有功可解耦控制，系统发电效率高，功率因数易于调节等优势，使双馈异步发电系统成为目前主流的风力发电系统。因此，对双馈异步风力发电系统并网对电力系统的影响进行研究具有重要的工程意义。1.2 国内外风力发电的发展和现状关于变速恒频双馈风电机组的特性以及动态模型的建立
12、，国内外科研工作者已经做了大量的工作，发表了大量的相关学术论文，并取得了许多研究成果，综述如下几个方面：关于双馈风力发电系统动态模型：文献3介绍了MATLAB/Simulink软件的使用和电力系统建模方法，并在本书的最后一章建立了双馈机的仿真实例。文献4-5通过MATLAB/Simulink建立了双馈风力发电系统的动态数学模型，并对风电场接入电力系统进行了动态稳定性分析。文献6应用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对含风电的电网建模以及风速突然变化和电网发生短路故障情况进行了仿真分析。文献7在软件EMTP-RV 中分别建立了双馈风力发电机模型和直接连接感应异步电机模型。此外，文献中还研究了
13、两种风机所构成不同风场的运行特性。相对于双馈风力发电机组良好的无功控制能力，异步风力发电机组需要外接静态无功补偿装置(STATCOM)。文献通过建立两种不同的风电场模型，对两种风力发电机组构成的系统进行了比较和分析。关于双馈电机的控制策略：文献8在分析双馈电机数学模型及其定子磁链定向矢量控制的基础上，推导出了用转子电流独立解耦控制有功功率和无功功率的策略，构建出了由转子有功、无功电流双独立通道电流内环和转速外环组成的双闭环PI控制系统，并把滞环电流控制技术引入到转子侧电压源控制器的调制中，简化了控制过程。文献9提出了基于自适应谐振调节器的双馈电机矢量控制策略，该控制策略直接在转子abc坐标系中
14、对双馈电机的转子电流进行控制，在不需要对转子电流实施坐标变换的情况下实现了对转子电流的无静差控制。并且该控制策略可直接采用SPWM控制，能够提高电压调制度，利于转子电流的控制。关于风电引起的电能质量问题：文献10-11研究了风电场接入对电网带来的各方面影响，阐述了风电场接入电力系统研究的新进展、研究方法及相关结论，最后给出了解决相关问题的技术方案。文献12-13通过对风力发电接入电网后引起的各方面影响机理进行详细的分析，主要研究了风电场引起的电压波动、短路电流变化、网络损耗、以及电压闪变等方面的影响；对简单系统进行仿真，验证了分析结果。并采用PSCAD软件对一个风电场接入辐射形网络末端的系统进
15、行了仿真分析，验证了风电引起电压波动的机理。文献14-16通过所建立的风力发电系统数学模型，在MATLAB/Simulink仿真环境下实现了大型风电场与系统并网的风力发电系统动态仿真。对系统运行中出现的几种情况进行了分析研究，其中包括风速变化、负荷扰动、系统发生单相接地和三相短路故障时对电网和风电场各节点的电压波动、电流波动以及引起的功率变化。仿真验证了通过在风力发电机端口采取一定的控制措施后，风力发电机的电压基本稳定，功率基本平衡，有效的改善了并网风电场运行性能,提高了风电系统运行稳定性和电能质量。以上文献为本论文中双馈风电机组模型的建立提供很好的参考依据，并在此基础上，本论文重点研究了变速恒频双馈风电机组接入电网后的动态稳定性问题。1.3 风电并网对电力系统的影响情况风力发电机的原动力为风，风的随机性和间歇性决定了风力发电机的输出特性具有波动性和间歇性。风力发电机多为异步发电机，在发出有功功率的同时需从系统吸收无功功率，无功需求是随着有功输出的变化而变化的
