风力发电机组对电网稳定性影响的研究

论文摘要

随着低碳经济的发展，风力发电这种清洁、无污染的发电模式在电力系统中所占的比例也将日益扩大。但是，风能资源的波动性与随机性等特点以及风电机组与传统同步发电机组的差异，都会对电力系统的稳定性产生重要的影响。因此，对不同类型风电机组并网后电力系统的稳定性研究是十分必要且有意义的。本文利用计算机仿真平台，针对恒速异步风电机组，双馈变速风电机组以及直驱同步风电机组等三种类型风电机组并网后对电力系统暂态稳定性与小干扰稳定性产生的影响展开研究工作。研究的主要内容为应用基于MATLAB的电力系统分析软件PSAT来进行风电机组并网的稳定性分析，找出三种类型风电机组对系统影响的差异。主要工作及结论集中在如下三个方面。首先，研究了风电机组接入电网对系统原有的低频振荡模式及其特性的影响。通过分析含强耦合系统的两区域系统算例，得到三种风电机组分别替换同步机组接入电网，会增加与风电场强相关的阻尼特性较好的振荡模式的结论。为了进一步分析其对系统阻尼特性的影响，引入了风电穿透功率增加对小干扰稳定影响的两区域算例，得到风电机组在系统中容量的提高，对系统原有的同步机组区间或局部振荡模式改变不大，而振荡特性有所变化，恒速机组系统穿透功率的提高有助于改善其振荡特性，双馈机组穿透功率的增加会减弱新增局部振荡模式的阻尼，直驱机组穿透功率增加能提高区域内发生的与风电机组相关的局部振荡的阻尼等结论。其次，根据已有的风电机组数学模型，针对影响恒速机组动态稳定性的因素展开讨论，分别分析了轴系过程以及发电机组参数的改变对恒速机组暂态稳定性的影响，得到了提高轴刚度系数Ks，转子电阻Rr，减小定子电抗Xs，转子电抗Xr等一些改善机组动态稳定性的方法。最后，验证了风电机组等值表示在PSAT中的有效性。基于一个含风机的39节点网络仿真算例，重点对比恒速异步，双馈变速，直驱同步等三种风力发电机接入系统对电网暂态稳定性的不同影响，得出了与风电机组电气联系紧密的同步机组稳定性对恒速机组的稳定性关联影响最大。直驱机组系统与双馈机组系统的暂态稳定性要好于恒速机组系统的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 研究现状与发展趋势
• 1.2.1 风力发电在国外的发展与研究现状
• 1.2.2 风力发电在国内的发展与研究现状
• 1.2.3 PSAT 软件的功能与发展
• 1.2.4 三种常用风力发电机组的技术特点和研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 各种风电机组的数学模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 风速的数学模型
• 2.2.1 威布尔分布
• 2.2.2 复合风速
• 2.3 恒速异步风电机组的数学模型
• 2.3.1 风轮与能量捕获
• 2.3.2 轴系系统
• 2.3.3 感应发电机结构
• 2.4 双馈变速风电机组的数学模型
• 2.4.1 双馈机组风轮系统
• 2.4.2 双馈感应发电机结构
• 2.4.3 换流器模型与保护系统
• 2.4.4 转速控制与最优能量捕获
• 2.4.5 桨距角控制方法
• 2.4.6 双馈机组的端电压控制
• 2.5 直驱同步风电机组的数学模型
• 2.5.1 永磁同步发电机模型
• 2.5.2 变频器模型与保护策略
• 2.5.3 直驱机组电压控制的实现
• 2.6 本章小结
• 第3章 风力发电机组小干扰稳定分析
• 3.1 小干扰稳定性分析
• 3.1.1 线性化的微分方程
• 3.1.2 模态分析与参与因子
• 3.2 风力发电对小干扰稳定性的影响分析
• 3.2.1 含强耦合系统的两区域算例
• 3.2.2 风电穿透功率增加对小干扰稳定的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于 PSAT 的风电机组暂态稳定性仿真分析
• 4.1 电力系统暂态稳定
• 4.2 PSAT 仿真构建规则与设置
• 4.3 含风电机组的潮流计算问题
• 4.3.1 风电机组潮流节点的处理方法
• 4.3.2 含风机的 9 节点系统实际算例
• 4.4 恒速风电机组的动态稳定性分析
• 4.4.1 感应发电机的动态稳定极限
• 4.4.2 轴系松弛过程对恒速机组动态稳定性的影响
• 4.4.3 发电机组参数对恒速机组暂态稳定性的影响
• 4.5 风电机组在 PSAT 中的等值表示
• 4.6 三种风电机组对系统暂态稳定性影响的差异
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录