大功率电力电子设备在风力发电系统中的应用

论文摘要

风力发电可为电力系统注入清洁的电能,是电力系统研究的热门领域之一。但是,大规模风电接入电网后会出现电网电压水平下降、线路传输功率超过热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题,应及早考虑相应的技术措施,减少或消除风电场对电网电能质量产生的负面影响。因此,以大功率电力电子器件为基础的灵活交流输电系统（FACTS）技术和柔性直流输电（VSC-HVDC）技术成为了研究热点。FACTS技术通过改变高压输电网的参数及网络结构对输电线路的电压、潮流进行直接控制,使交流输电系统的功率有高度的可控性,可大幅度提高系统的稳定性和可靠性。目前FACTS控制装置有SVC、TCSC、STATCOM、SSSC、UPFC等。将FACTS装置作为无功补偿器用于电网,可以解决风电接入系统的电压稳定问题。本文主要研究了SVC和STATCOM在风力发电系统中的控制方法,利用两者的特性提供无功补偿,改善风电场出口母线的电压稳定性。风电场联网的方式也是一个重要问题。目前,风力发电机组并网供电普遍采用交流联网的方式。与交流输电相比,直流输电的线路造价和运行费用较低,而且直流输电更易于实现地下或海底电缆输电。柔性直流输电是一种新型的直流输电技术,能够满足风电的远距离传输到电网的要求,特别适合海上风力发电系统。本文首先对交直流并联输电系统的稳定性进行了研究,然后将其用于风电场,最终完成了仿真分析。本论文的主要任务是以建模与仿真的方法研究以上两种装置在风力发电系统中的应用。应用软件MATLAB/SIMULINK对所设计的风力发电系统进行建模仿真,验证FACTS和柔性直流输电对风力发电系统性能的改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 风力发电的发展
• 1.1.1 风力发电的产生与全球化发展
• 1.1.2 我国风力资源分布
• 1.1.3 我国风力发电近况及趋势
• 1.1.4 我国风力发电政策
• 1.1.5 我国风力发电技术的现状及发展趋势
• 1.2 FACTS 的研究背景
• 1.3 柔性直流输电技术的发展
• 1.4 本次研究工作简介及章节安排
• 第二章 风力发电机的工作原理和数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 风力发电机的类型
• 2.2.1 恒速发电
• 2.2.2 变速发电
• 2.3 风速模型
• 2.4 风力发电机组的数学模型和稳态特性
• 2.4.1 风轮机数学模型
• 2.4.2 异步发电机数学模型
• 2.5 风力发电并网系统仿真
• 2.5.1 仿真算例
• 2.5.2 软件简介
• 2.5.3 仿真分析
• 2.6 大型风电场并网运行对电网运行的影响
• 2.6.1 风电场的穿透功率极限
• 2.6.2 风电场对电力系统的负面影响
• 2.6.3 海上风电场的并网问题
• 2.7 本章小结
• 第三章 风电场无功补偿设备的研究
• 3.1 引言
• 3.2 风电场的无功补偿原理
• 3.2.1 并联开关电容器
• 3.2.2 同步调相机SC
• 3.2.3 静止无功补偿器SVC
• 3.2.4 静止同步补偿器STATCOM
• 3.3 SVC 的工作原理与控制策略
• 3.3.1 SVC 的工作原理
• 3.3.2 逆系统方法的基本概念
• 3.3.3 SVC 非线性控制器设计的逆系统方法
• 3.4 STATCOM 的工作原理与控制策略
• 3.4.1 STATCOM 的工作原理
• 3.4.2 STATCOM 的控制策略
• 3.4.3 SPWM 技术
• 3.5 FACTS 设备在风力发电系统中的应用
• 3.5.1 阶跃风下风电场电压稳定及无功补偿情况
• 3.5.2 干扰风下风电场电压稳定及无功补偿情况
• 3.5.3 阵风下风电场电压稳定及无功补偿情况
• 3.5.4 电网端电压下降对风电场的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 风电场内部电气接线系统的研究
• 4.1 引言
• 4.2 研究系统
• 4.3 具体方案
• 4.3.1 链形
• 4.3.2 环形
• 4.3.3 星形
• 4.4 有功损耗
• 4.5 稳定性
• 4.5.1 电压稳定
• 4.5.2 故障响应
• 4.6 经济性
• 4.7 本章小结
• 第五章 柔性直流输电在风电系统中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 柔性直流输电基本原理
• 5.3 dq 坐标系下VSC 的数学模型
• 5.3.1 稳态模型
• 5.3.2 内环控制器
• 5.3.3 外环控制器
• 5.4 稳定性分析
• 5.4.1 转子角稳定
• 5.4.2 电压稳定性
• 5.5 柔性直流输电在风电系统中的研究
• 5.5.1 控制策略
• 5.5.2 仿真分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间录用的论文