双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究

论文摘要

随着风力发电技术的进步，越来越多的大型风电场相继并网运行。双馈电机接入容量在系统中所占比例增大，传统同步电机所占比重相对下降已经成为未来电力系统发展的一个趋势，同时由于现有双馈电机控制系统普遍没有考虑扰动时其应对系统阻尼的贡献，因而系统阻尼将趋于削弱。本文通过在双馈电机转子侧控制系统中引入电力系统稳定器（Power System Stabilizer,PSS），使系统扰动时，双馈电机能提供额外阻尼来抑制振荡。本文首先介绍了双馈电机的基本原理，主要对双馈电机电压和磁链方程，双馈电机中的能量流动，双馈电机变频器控制过程，最大风能追踪原理，桨距角控制原理进行了阐述，并介绍了研究系统小干扰稳定性和阻尼特性的数学方法，小信号稳定性可以通过系统线性化模型特征矩阵的特征根来精确描述，另外，对应于各特征根的左特征向量和右特征向量则是描述各状态变量和振荡模态之间关联特性的基本工具。其次，本文给出了描述双馈电机各部分暂态行为的微分方程，通过对各微分方程的线性化，得到了双馈电机的完整小信号模型。以单机无穷大系统为例，通过求取小信号模型特征矩阵的特征根和参与矩阵，研究了系统扰动时双馈电机对系统振荡模式及阻尼特性的影响，分析了各振荡模式的产生机理。最后，本文在双馈电机转子侧控制系统的有功功率控制环节中引入PSS环节，使系统发生扰动时，双馈电机能够提供额外阻尼来抑制振荡，并通过特征根计算和多机系统时域仿真来验证该方法的有效性，结果表明，引入的PSS环节能够增加双馈电机对系统阻尼的贡献，提高稳定性，PSS对系统阻尼的增强作用与双馈电机的运行方式有关，超同步速下，由于双馈电机有功输出较大，其对系统阻尼的增强比较明显，而处于亚同步速状态时，由于双馈电机有功输出较小，其改善系统阻尼的作用则相对较差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 风力发电发展概况
• 1.1.1 国外风力发电现状
• 1.1.2 我国风力发电特点
• 1.2 风力发电技术研究现状
• 1.2.1 风电机组及其控制机组
• 1.2.2 大型风电场对电力系统稳定性的影响
• 1.3 本文的研究工作
• 第2章 双馈电机的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 双馈电机的电压、磁链方程
• 2.2.1 变速恒频原理
• 2.2.2 ABC 坐标系下的电压和磁链方程
• 2.2.3 DQ 坐标系下的电压和磁链方程
• 2.3 双馈电机中的能量流动
• 2.4 双馈电机基本方程的标幺化
• 2.5 双馈电机变频器控制原理
• 2.5.1 PQ 解耦控制原理
• 2.5.2 网侧控制系统
• 2.6 最大风能追踪
• 2.7 桨距角控制系统
• 2.8 小结
• 第3章 小扰动稳定性分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 李雅普诺夫稳定性第一定律
• 3.3 振荡模式与参与矩阵
• 3.4 小结
• 第4章 双馈电机控制系统动态微分方程
• 4.1 引言
• 4.2 基本动态微分方程
• 4.3 转子侧 PI 控制系统动态微分方程
• 4.4 网侧 PI 控制系统动态微分方程
• 4.5 风轮机轴系动态微分方程
• 4.6 桨距角控制系统动态微分方程
• 4.7 小结
• 第5章 双馈电机改善系统阻尼的研究
• 5.1 引言
• 5.2 线性化模型
• 5.2.1 非线性微分方程的线性化
• 5.2.2 单机无穷大系统分析
• 5.2.3 特征矩阵各元素的求取
• 5.3 单机无穷大系统振荡模式及机理
• 5.4 PSS 的设计
• 5.4.1 双馈电机转矩转速特性
• 5.4.2 相位补偿法
• 5.4.3 补偿后单机无穷大系统特征根
• 5.5 多机系统仿真
• 5.6 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文