（电力电子与电力传动专业论文）基于vschvdc并网风电场的暂态电压稳定性研究.pdf

声明尸明 j flrrllllllllllllliiilli i i i i y 17 9 7 17 6 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于v s c h v d c 并网风电场的暂 态电压稳定性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：羞丝日期： f o 弓5 - 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名：荸森艰 华北电力大学硕十学位论文 中文摘要 本文对风电场接入电网的稳定性问题进行研究，主要研究内容有：( 1 ) 研究同 步旋转坐标下适用于暂态分析的v s c h v d c 数学模型，提出其向有源系统输电时 的线性解耦控制策略，通过前馈补偿方法实现有功与无功、直流电压与无功的解耦 控制；( 2 ) 对基于双馈感应风力发电机组( d f i g ) 并网风电场的数学模型及控制策 略进行了分析与研究，给出d f i g 综合控制系统模型、d f i g 转子侧变频器与电网侧 变频器控制系统的模型及桨距角控制系统的模型；( 3 ) 对基于d f i g 并网风电场的暂 态电压稳定性进行分析，建立基于v s c h v d c 联网的电力系统模型，设计暂态电 压稳定的控制策略，并通过仿真验证了d f i g 并网风电场通过v s c h v d c 联网对改 善电网暂态电压稳定性的作用。 关键词：暂态电压稳定，变速风电机组，双馈发电机风电场，电压源换相高压直流 输电 a b s t r a c t t h es t a b i l i t yi s s u e sa b o u tw i n df a r mi n t e g r a t i o na r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h e m a i na c h i e v e m e n t si n c l u d e ：( 1 ) at r a n s i e n ts t a b i l i t ya n a l y s i sm o d e lo fv s c h v d ca n d t h el i n e a rd e c o u p l i n gc o n t r o ls c h e m e sf o rs u p p l y i n ga c t i v en e t w o r k sa r ei n v e s t i g a t e di n t h ed i s s e r t a t i o n a c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ri sr e a l i z e dt h r o u g ht h ef e e d - f o r w a r d c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ef o re l e c t r i f y i n ga c t i v es y s t e m st od e c o u p l ec o n t r o ld cv o l t a g e a n dr e a c t i v ep o w e r ( 2 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o lm o d e lo fg r i d c o n n e c t e d d f i gw i n df a r m sw i t hd f i g sa r es t u d i e d ，t h e nt h er o t o rs i d ec o n v e r t e rc o n t r o l l e r , g r i d s i d ec o n v e r t e rc o n t r o l l e r , w i n dt u r b i n ec o n t r o l s y s t e ma n dt h ep i t c ha n g l ec o n t r o l l e r m o d e la r ep r e s e n t e d ( 3 ) t h et r a n s i e n tv o l t a g ec o n t r o lo fg r i d - c o n n e c t e dw i n df a r m sw i t h d f i g si ss t u d i e d ，a n dt h e nt h et r a n s i e n tv o l t a g e s t a b i l i t y c o n t r o l s t r a t e g y o f g r i d - c o n n e c t e dw i n df a r m s w i t hd f i g sb a s e do nv s c h v d ci sa d v a n c e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t yo fg r i d c o n n e c t e dw i n df a r m s b a s e do nv s c h v d ci si m p r o v e d j i a n gy a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g - y i n k e yw o r d s ：t r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t y ，v a r i a b l es p e e dw i n dt u r b i n e s ，d o u b l e - f e d a s y n c h r o n o u sw i n df a r m ，v s c h v d c 华北电力人学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 课题研究背景及意义一1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1v s c h v d c 技术3 1 2 2 风力发电技术及风电场电压稳定6 1 3 论文主要工作10 第二章v s c h v d c 系统的数学模型及其控制l l 2 1 弓i 言11 2 2v s c h v d c 数学模型1 1 2 3v s c h v d c 系统的双闭环控制策略一1 3 2 - 3 1v s c h v d c 并网风电场控制策略1 3 2 3 2 双闭环控制器设计一1 3 2 3 3 锁相环( p l l ) 1 6 2 4v s c h v d c 系统仿真与分析16 2 4 1 系统参数l6 2 4 2 联结两个有源系统时的仿真1 7 2 5 本章小结1 9 第三章d f i g 并网风电场建模与控制一2 1 3 1 弓i 。言21 3 2d f i g 并网风电场模型建立2 1 3 2 1 风速模型一2 2 3 2 2 风力机模型一2 3 3 2 3 机械传动模型一2 4 3 2 4 发电机模型一2 4 3 2 5 双馈发电机模型风电场的等值2 6 3 3d f i g 风力发电机组控制2 7 3 3 1 变频器模型及控制一2 7 3 3 2 桨距角控制一一3 0 3 4 本章小结3 l 第四章d f i g 并网j x l 电场的暂念电压稳定分析3 2 华北电力大学硕士学位论文 4 1 弓i 言：3 2 4 2d f i g 并网风电场暂态电压稳定3 2 4 2 1d f i g 交流联网暂态电压控制3 2 4 2 2 基于v s c h v d c 联网暂态电压稳定策略3 3 4 3 仿真系统及分析3 3 4 3 1 仿真系统及稳定性指标3 3 4 3 2 仿真参数35 4 3 3 风电场不同出力水平下暂态电压稳定仿真计算3 5 4 3 4 交流联网暂态电压稳定仿真及分析3 5 4 3 5 基于v s c h v d c 联网暂态电压稳定仿真及分析一一3 8 4 4 本章小结4 0 第五章 结论与展望一4 1 5 1 结论z il 5 2 未来工作与展望4 2 参考文献4 3 j ! 定谢一4 7 在学期间发表论文和参加科研情况4 8 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 现代社会随着人口增加和经济增长等因素导致能源需求不断上升，不可再生能 源如煤炭、石油和天然气的储量很可能会加快萎缩，并最终枯竭，这些能源可供人 类使用的时间最多还有几十年或者上百年。随着常规不可再生能源供应的全面紧 张，可再生能源越来越受到人们的高度重视，并得到了迅速的发展。风力发电作为 目前可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方 式之一，具有非常良好的发展潜力。截至2 0 0 7 年底，世界风力发电总量较2 0 0 6 年 增长了2 4 ，达到9 4 1 1 2 m w ；据统计2 0 0 8 年一季度达到1 亿千瓦，2 0 0 1 2 0 0 7 年 平均增长率为2 5 。按照风电目前的发展趋势，预计2 0 0 8 2 0 1 2 年期间为2 0 ， 到2 0 1 5 年期间将为1 5 ，2 0 1 7 2 0 2 0 年期间将为l o 。 近几年，j x l 力发电受到我国政府的高度重视。可再生能源对经济和社会发展做 出的贡献在中国电力高速发展的背景下显得尤为重要。国家发展和改革委员会初步 规划，使中国的风电设计、制造以及管理技术达到国际先进水平，同时至u 2 0 2 0 年力 争使风电装机容量达至u 3 0 g w t i - 2 】。为了加快可再生能源发展，积极应对气候变化， 促进节能减排，更好地满足经济和社会可持续发展的需要，我国政府采取了一系列 的重大举措推进可再生能源的发展，其中包括风能在内。2 0 0 7 年9 月，国家发改委 正式公布了( n - - i 再生能源中长期发展规划，提出了至u 2 0 2 0 年期间我国可再生能源 发展的总体思想、发展战略、重点领域、主要任务和保障措施，为我国可再生能源 的发展和项目建设提供指导。 2 0 0 9 年4 月，国家发改委下发了国家发展改革委办公厅关于落实风电发展政策 有关要求的通知( 发改办能源 2 0 0 9 2 2 4 号) ，对落实支持风电发展的政策要求 进一步明确，主要内容如下： ( 1 ) 加强风电发展规划工作，严格风电项目核准条件。 ( 2 )做好风电配套电网建设工作，确保核准的风电场发电量全额上网。 ( 3 ) 严格执行国家价格政策，按要求及时结算电费。 ( 4 ) 全面分析风电运行特点，制定适应风电要求的并网管理办法。 当前，为应对金融危机，一些国家出台的经济刺激计划中，“绿色”、“能源”的 身影频频出现。在这种大背景下，我国应加快风电产业发展，并将其列入能源产业 振兴规划。虽然在法规和政策体系不断完善的情况下，我国的风能资源开发利用取 1 华北电力大学硕士学位论文 得了显著成绩，但是风力发电在中国快速发展的过程中也遇到了诸多困难，包括市 场因素和技术因素。中国风电发展正面临五大障碍： ( 1 ) 风电零部件如轴承、电控系统等供应依然是行业发展的“瓶颈 。零部件 受制于人，会因为供货时间、周期无法保障而影响生产进度，从而影响企业规模的 扩张。 ( 2 ) 电网成为制约风电发展的最大瓶颈。据了解，2 0 0 8 年，在已运行的风电 场中，因受用电负荷所致，有些开发商的风电场被限制电量上网。国家规定可再生 资源要优先调度、优先上网，但电网公司实际上难以落实。此外，由于电网是按照 此前的送电规划发展的，远远跟不上风电装机迅猛发展并网发电的态势。 ( 3 ) 自主研发力量严重不足，缺少自有技术。业内人士指出，由于国家和企业 投入的研发资金较少，缺乏应用研究成果和工程经验的积累，中国在风力发电机组 的研发能力上还有待提高，总体来说还处于跟踪和引进国外的先进技术阶段。 ( 4 ) 缺乏风电机组和风电场的入网标准和检测标准的严格监管。目前，中国兆 瓦级风机的制造商有7 0 多家，但真正有运行业绩的厂家只有1 0 余家。由于目前没 有风电机组和风电场的入网标准和检测标准的严格监管，绝大部分风电机组的功率 曲线、电能质量、有功和无功调节性能、低电压穿越能力没有经过检测和认证，而 且多不具备上述性能和能力，并网运行的风电机组对电网的安全稳定运行造成很大 的影响。 ( 5 ) 风电发展缺乏专业及复合型人才。风电设备制造是一项集空气动力、机械 制造、发电机、电力电子、自动控制和高可靠性设计为一体的综合性高新技术产业。 由于种种原因，中国还没有建立起专业的风电技术研究开发机构，与火电、水电和 核电相比，风电产业缺乏从设计、制造、安装、调试及运营管理的人才培养体系。 目前国内只有华北电力大学、河北工业大学和河海大学设有风能与动力工程专业， 每年毕业的学生也才1 0 0 多人，远远满足不了市场需求。 国际上对于上述问题的研究领先于国内，并取得了相关的理论和技术成果。近 些年来，一些致力于我国风力发电事业的研究人员和学者也对上述问题进行了积极 而有意义的研究。对于解决市场问题，需要政府、社会各界共同努力合作。对于解 决技术问题，需要对风电相关技术深入研究，如风电机组和风电场的建模和控制问 题，风电场联网及对联网电力系统的影响等。目前，可用于风电场联网的方式主要 包括交流架空线路、常规高压直流输电( h v d c ) 和基于电压源换流器( v o l t a g es o u r c e c o n v e r t e r ，v s c ) 的高压直流输电【3 卅( v s c h v d c ，a b b 公司称之为h v d cl i g h t t m ， s e i m e n s 公司称其为h v d cp l u s t m ，国内称之为柔性直流输电) 。随着我国风电产业 的飞速发展，风电场并网的稳定性问题显得尤为突出。无论采用哪种风电机组控制 技术、风电场装机容量的大小，风电接入电网都会对接入本地电网电压稳定性产生 不同程度的影响，而在风电穿透功率较大的电网中，风电接入除了会影响电压稳定 2 华北电力大学硕十学位论文 外，由于改变了电网原有的线路传输功率、潮流分布与系统的惯量，因此风电接入 后电网频率稳定性、电压稳定性及暂态稳定性及都会改变。 在风电发展早期，由于风电在电网中所占比例不大，一般不要求风电场参与电 力系统控制；当电网侧发生故障无法保证风电场的暂态电压稳定性时，通常为保证 风电场及电网的安全需要切除风电机组。随着风电机组技术的进步及风电在电网中 所占比例的逐年加大，目前许多国家的风电并网导则都对风电场提出了更加严格的 要求，例如从2 0 0 3 年开始，德国e o n 电网公司除要求故障后电网电压恢复期间风 电场必须保持并网运行外，还要求风电机组动态发出无功功率以支持电网电压，避 免风电机组由于电压过低而跳闸。对于实现低电压穿越能力，上述研究并未探讨故 障期间风电机组怎样发挥动态无功支持能力，仅考虑了电磁转矩控制的作用而忽略 了对风电机组机械转矩的控制。 本文通过研究以双馈感应风力发电机组( d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，d f i g ) 为代表的变速风电机组，充分利用v s c h v d c 的优势，采用现代线性控制技术， 深入研究与分析风电场的联网方式、控制技术及对电网稳定性的影响。主要内容包 括：研究变速风电机组的建模和控制问题；研究v s c h v d c 在同步旋转坐标系下 的暂态模型及其线性解耦控制策略；重点研究在常规交流输电联网和通过 v s c h v d c 输电联网两种方式下，电网侧发生大扰动时，并网风电场对抵抗发生电 压失稳和发电机转子失速现象的作用；研究v s c h v d c 改善异步发电机风电场暂 态电压稳定性的贡献。论文目的在于通过对上述问题进行研究分析，追随世界风电 技术的发展趋势和满足电力行业本身的要求，促使中国风电发展过程中的技术问题 能够快速解决。 1 2 国内外研究现状 1 2 1v s c h v d c 技术 近几年来，全控型电力电子器件( 如i g b t 、i g c t 、g t o 等) 的出现和发展， 及脉宽调制( p w m ) 技术的同驱成熟，为v s c h v d c 发展提供了有利条件。本节 主要介绍v s c h v d c 的数学模型及运行原理、技术优势、研究现状、应用领域及 采用v s c h v d c 实现风电场联网时的相关问题。 1 2 1 1v s c h v d c 运行原理 v s c h v d c 是在全控型电力电子器件和高频p w m 技术( 考虑到损耗问题，一 般开关频率为1 - 2 k h z ) 之上发展起来的【5 】，图1 1 所示为其基本结构图，主要包括： 换流电抗器( 一般是换流变压器) 、换流器、直流线路、交流滤波器和直流电容等。 换流电抗器用来交换换流器与交流系统之间的能量，同时起一定的滤波作用；两端 3 华北电力人学硕十学位论文 均采用具有相同结构的电压源换流器v s c l 和v s c 2 ；直流电容为换流器提供稳定 的直流电压支撑，能够充分保证v s c h v d c 的正常运行；交流滤波器起滤除交流 侧谐波的作用。 讧童d 乱绯士： 图1 1 电压源换流器型直流输电基本结构图 为重点突出问题，忽略谐波分量时，假设换流电抗器是零损耗的，换流器和交 流系统之间的有功和无功功率传输分别为 尸：警s i n 艿 ( 1 1 ) a i q ：丛坠坐幽 ( 1 - 2 ) 义i 其中：虬为交流母线电压基波分量；屹为换流器输出的电压基波分量；五为换流电 抗器电抗；万为“。和甜。的相位角。 从式( 1 一1 ) 、( 1 2 ) 可见，无功功率传输主要与相关，有功功率传输主要与万角 相关，通过调节p w m 的调制系数肘，可以调整u 。的大小。所以通过适当调整p w m 的输出，就可以得理想的万角和以值，从而可以调节有功与无功传输功率。 1 2 1 2v s c h v d c 技术优势 v s c - h v d c 较常规h v d c 相比，是一种新型的输配电技术，它以i g b t 等全控 电力电子器件和p w m 技术为核心，具有以下主要优势： ( 1 ) 运行时可分别独立控制有功功率和无功功率，能在送端跟受端之间独立控 制电压，可以在p q 图中四象限运行，控制性能更加方便灵活。 ( 2 ) 与常规h v d c 依靠改变直流电压极性改变直流电流方向比，v s c h v d c 通 过改变送端和受端的直流电压大小来改变直流电流的方向，能够更快速、更方便地 实现潮流反转，对形成多端直流系统非常有利。 ( 3 ) 由于v s c 不需外加换相电压，电流可以自关断，所以v s c h v d c 可以工 作在无源逆变方式，能够联结弱交流系统或无源系统。 ( 4 ) v s c h v d c 交流侧电流可控，不会增加系统的短路容量，故增加v s c h v d c 4 华北电力人学硕十学位论文 线路后，不会对交流系统的继电保护整定产生影响。 ( 5 ) v s c h v d c 采用模块化设计，设备的生产、安装和调试周期大为缩短。 ( 6 ) v s c h v d c 通常采用高频p w m 技术，v s c 产生的都是高次谐波，谐波成 分大大降低，不需装设大量交流滤波设备，有效减小了换流站占地面积。 此外，v s c h v d c 不会增加系统的短路容量，具有良好的电网故障后快速恢复 控制能力，模块化设计使工程的设计、生产、安装和调试周期大大缩短，换流站间 无需快速通信，可以相互独立控制，易于实现无人值守等。 表1 1 是常规直流和柔性直流输电系统的比较。 表1 1 常规直流和柔性直流输电系统的比较 电方式 比较囊目 常规直流输电黍性直灌输电 挟鼍曩屎件晶同臂绝缘双极晶体臂 开关特性开叠可控，关新不可控开置关f 均可控 发方式 相控- 发t 宣调倒 换相方式 曩遍换相自换相 接相失败 会发生 不会发生 漕渡嚣容量较大较小 无功幸卜偿装置 青要不需要 基蠢站问通讯 需要不膏要 占地较大较小 对变蠢系统依麓性 不能向无漂同络送电 可以良无潭同络送电 琦事控制较慢，不灵活较快，灵活 无功控制能力没有有 对系统安全稳定影响 不利较多有利较多 工理建设时问较长 较短 多直蠢互联 较赡 容量 1 2 1 3v s c h v d c 研究现状及应用领域 v s c h v d c 的研究热点主要包括其数学模型、控制策略、多端v s c h v d c 、 非平衡条件下v s c h v d c 特性和控制研究等方面。自2 0 世纪9 0 年代初v s c h v d c 概念提出以来，该项技术的显著优势和广阔的应用前景引起了我国众多学者的关 注。近年来国内外研究人员对v s c h v d c 的数学模型、运行原理、控制策略及保 护等问题进行了深入研究。国内对v s c h v d c 技术研究较晚与国外，但目前该技 术已经成为了研究人员的焦点。 文献【6 】根据v s c h v d c 稳态数学模型对v s c h v d c 向无源系统输电时的控制 策略进行了研究，该策略主要通过控制p w m 的调制系数m 来控制无源系统交流电 压幅值。文献【7 】对v s c h v d c 在同步旋转坐标系中建立的稳态模型进行了研究， 提出了向有源系统输电时采用前馈补偿方式的v s c h v d c 线性解耦控制策略。文 献【8 】指出采用全控电力电子器件组成的v s c ，不需要系统提供换相电压，同时因采 5 华北电力人学硕士学位论文 用高频p w m 技术，使v s c h v d c 具有了更胜于很多常规h v d c 的技术特点。文 献【9 】对基于小信号的v s c h v d c 动态模型及暂态仿真问题进行了研究。文献 1 0 】 对v s c h v d c 联结风电场及弱交流系统时的模型和仿真问题进行了研究。文献【l l 】 对v s c h v d c 在各种仿真中可采用的等效模型进行了研究。文献【1 2 】对v s c h v d c 动态模型、谐波模型进行了研究。文献 13 】对v s c h v d c 的稳态特性进行了分析， 提出了适合牛顿拉夫逊潮流计算方法的数学模型。文献【1 4 在分析囊括交流系统线 性化方程、控制系统线性化方程和直流线路动态过程线性化方程在内的v s c h v d c 小信号模型之上，通过配置阻尼控制器达到抑制交直流系统低频振荡的目的。 文献 15 】分别研究了v s c h v d c 的直流线路模型、电力电子器件模型及其运行 极限等问题。文献【1 6 对采用三电平换流器的v s c h v d c 的结构原理和控制策略进 行了研究。文献【1 7 】对v s c h v d c 在系统不平衡条件下的相序模型进行了研究，并 提出了相应的控制策略。文献 1 8 】对利用v s c h v d c 提高电压稳定及改善电力系统 暂态稳定方面的问题进行了研究。 由于受容量和直流电缆特性条件的约束，v s c h v d c 还达不到常规h v d c 的传 输容量和距离。目前v s c h v d c 实际工程最高可达到3 5 0 m w ，1 5 0 k v 的标准，主 要应用领域包括电力交易、电网互联、风力发电、海上钻井平台供电等，目前已经 有多条v s c h v d c 线路投入商业运行【l9 1 。表1 2 给出了已投运的v s c h v d c 工程。 表1 2 已投运v s c h v d c 主要工程的主要技术指标 1 2 2 风力发电技术及风电场电压稳定 1 2 1 1 风力发电机组和风电场数学建模与控制研究 国际上像德国、丹麦、美国、日本等发达国家对风力发电技术的研究起步较早。 近1 0 年来风力发电机技术飞速发展，经历了恒速感应风力发电机组、转子电阻可 变感应风力发电机组、双馈感应风力发电机组到很有发展前景的永磁同步风力发电 机组的变化过程。其中，前两类风力发电机组主要应用于早期风力发电当中。与其 6 华北电力大学硕士学位论文 他种类的风电机组相比，第三类的最显著特点是在转子回路采用小容量换流器就可 以实现机组的变速运行。并且该类机组的单机容量较大、效率高、控制更加灵活方 便。而第四类的主要优点是因未安装变速箱，机组的寿命更长、维护更方便；缺点 是机组的电磁结构较为复杂，制造工艺繁复，并且必须采用全功率换流器实现变速 运行。 目前，后两类发电机组成为了国内大型风力发电机应用的主流。伴随风电机组、 风电场容量和数量的增加，大容量风电场的接入势必会对系统稳定性、可靠性产生 不同程度的影响。 国内外对双馈感应风力发电机组( d f i g ) 的建模问题进行了许多研究。通常， 变速风电机组模型包括风力机模型、传动部分模型、发电机模型、变频器模型、转 速控制和桨距角控制等部分。文献【2 0 】概述了各国风电并网导则。文献 2 1 1 对d f i g 建模问题进行了研究。文献【2 2 】对d f i g 的简化及详细模型进行了分析，利用仿真 及试验的方式得出了在电压骤降情况下d f i g 的动态响应；文献 2 3 】对d f i g 的简化 模型进行了研究，变频器模型利用受控电压源形式，通过控制转子电流来控制发电 机有功和无功功率；文献 2 4 】分析了d f i g 的3 阶和5 阶模型，并探讨了d f i g 的电 压控制能力及故障后特性恢复能力；文献【2 5 】在p s c a d e m t d c 软件中建立了直驱 式永磁同步发电机模型，并提出了在同步旋转坐标系下的独立控制有功无功控制策 ，f 略。 文献【2 6 】对大规模风电场的电能收集系统( c o l l e c t o rs y s t e m ) 的等值表示方法 进行了研究；文献 2 7 】给出了不同复杂程度的风电场暂态分析模型，比较了换流器 详细模型与平均等效模型，比较了风电场的集中等值模型与用风电机组群代表的分 布模型。通过仿真可以得出采用平均、集中风电场模型能够达到暂态稳定分析的要 求，提高仿真速度；文献 2 8 1 对风电场可靠性模型进行了分析。该文采用基本电路 原理对3 种常见网络结构的等值方法进行了分析。这样便于将复杂的电能收集系统 中结构特点相同的部分分配到同一类中。 文献 2 9 】系统侧发生短路故障时，d f i g 风电场的电压恢复能力进行了分析。文 献【3 0 对p m s g 联网时，利用网侧换流器控制达到提高机组故障过渡能力的目的做 了重点分析；文献【3 1 提出了最优追踪二次电压控制策略( o p t i m a lt r a c k i n g s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ，o t s v c ) ，并应用于d f i g 风电场中。该控制策略能够在 风电机组的最大无功补偿范围内动态地调节发电机的电压整定值，从而对系统在稳 态以及紧急状态下的电压起到显著的改善作用。仿真验证了o t s v c 控制效果比基 于线路压降补偿的电压一次、二次控制更加有效；文献【3 2 】对风电场接入电力系统 后的潮流计算中联合迭代方法的问题进行了研究。文献【3 3 】主要应用坐标转换和磁 场矢量定向的方法建立了直驱式永磁同步发电机模型，为了最大程度减小整个运行 过程中的功率损耗，计算了发电机无功电流分量，并对逆变器的功率控制及其传输 7 华北电力人学硕+ 学位论文 能力进行了探讨；上述文献并没有对d f i g 和p m s g 的完整模型进行分析，只是重 点分析了额定风速以下的控制，没有考虑到桨距角控制的作用。文献 3 4 】对提高电 压稳定性的风电场无功控制方法进行了研究：文献【3 5 】对非平衡系统电压下，通过 平衡定子电流、消除转矩和无功中的脉动成分的方法进行了研究，设计了d f i g 控 制器；文献【3 6 】对p m s g 在不可控整流和可控逆变方式联网时，通过逆变器控制实 现功率解耦的问题进行了分析。 1 2 1 2 风电场的联网技术 随着世界性能源短缺问题的突出及风电技术的迅猛发展，风电发展事业进入一 个前所未有的新阶段，非常需要大量开发和利用海上和陆上丰富的风资源。海上风 电场的容量较大( 几十至上百万千瓦) ，与交流主网距离较远；陆上较大规模风电场 与交流主网距离也较远。此外，由于自然风的随机性和间歇性，预测准确度低大规 模风电接入电网时都会不同程度的影响其运行、调度及稳定性，所以非常有必要对 大规模风电场的联网方式和控制技术进行深入研究。 文献【3 7 】分别采用了简化自抗扰方法及基于磁场定位矢量控制对变速恒频发电 机组在空载状态并网的控制进行了研究； 对联网标准对风电场的要求进行了分析， 文献【3 8 】结合德国风电现状和发展前景， 阐明对风电场故障恢复能力的改进；文献 【3 9 提出了采用矢量控制实现变速恒频风力发电机的空载并网策略；文献【4 0 对 d f i g 组成的风电场通过控制有功和无功，阻尼系统的机电振荡提高系统稳定性的 方法进行了研究。文献 4 1 】提出了采用常规h v d c 实现由d f i g 组成的海上风电场 联网的数学模型及控制策略；文献【4 2 】在风电场联网后，定性的研究了系统频率、 电压、可靠性等方面的影响；文献【4 3 】对在大型海上风电场接入电网后可能引起的 稳定性问题进行了研究。 目前，联网风电场主要手段有v s c h v d c 、常规直流输电h v d c 和交流输电 3 种。v s c h v d c 由于本身的很多优良特性，更适用于风电场联网，还有助于系统 黑启动和风电场的“孤岛 运行等。采用直流联网方式实现风电场的长距离联网时， 由于直流电缆成本的降低以及直流线路上损耗所占比例的降低，可抵消掉由于安装 换流站带来的成本增加。另外，直流联网可以隔离风电场和交流主网，有助于系统 故障后的快速恢复。交流联网的优点是成本较低，但是当输电线路距离超过一定数 值后，交流电缆成本所占比例变大，会产生大量容性无功电流，需要加静止无功补 偿器( s v c ) 进行无功补偿。而且，交流联网必须使风电场与所联交流电网保持同步。 表1 3 给出了3 种联网手段的比较】。 1 2 1 3 风电场电压稳定 目前国内外风力发电机组大多采用异步发电机。恒速恒频异步发电机在运行过 程中要吸收大量无功功率，如果系统无功不足或支撑能力不强，在风电场大风速扰 r 华北电力人学硕士学位论文 动或电网故障等影响下，系统母线电压下降，风电场输出的电磁功率减少，风电场 中异步发电机会很快失稳，导致风电场从系统中吸收的无功功率增加，致使系统母 表1 33 种风电场联网方式的比较 比较内容交漉输电常规i i v d cv s c - h v d c 经济性碧鬻萎端鼎；鬟黩鬟嚣墨瓿常青曩蒜拿墨巍撒， 噤置麓罐戮鞣鋈鞭 两端交电站安装大容偿设备：谐波次数低、翁磊茹霉夏磊鉴_ ；嚣 辅助装置 量无功补偿设备；易容量大，矗波设备复嚣嚣“譬叠= i ：呈 要求 实现全封闭室内化，杂；占地面积大、保护：二：= ”= 苫：二 适合海上安装 控制系统复杂海上安：；：一”一1 “ 妻黧薯嚣嚣畿鬈鋈黑蠹麓 釜妻羹蠢萎霎囊勰 一。= “1 复杂的补偿系统和缘 交流系统和无压；可向弱交流系统 尼 合技术保证同步 源系统供电或无源系统供电 对萎鬟的 风力发电机须变速恒频 风力发电机可在非工频下运行 。；， 线电压进一步下降，严重时将使得系统特别是风电场附近母线电压持续下降不能恢 复正常，产生电压崩溃。变速恒频双馈风电机组与定速的风电机组相比在性能上有 较大改善，发电机工作频率与电网频率彼此独立，不必担心失步问题，但当发电机? 无功功率控制设定值达到风电机组的无功功率极限时，由于不能向系统提供或吸收 足够的无功功率，导致端电压降低或升高，严重时也将导致系统电压失稳【3 4 1 。 国内外已有相关文献研究过风电并网的电压稳定性问题。文献 4 4 】对基于双馈 感应电机的变速风电机组对电网电压稳定性的影响及其交流励磁控制技术进行了 研究，指出双馈电机的有无功解耦控制使变速风电机组具备一定的无功调节能力， 按照所采用的不同控制策略及系统运行方式的要求，风电机组可以发出或吸收无功 功率来控制电压。文献 4 5 】对采用基于普通异步发电机的恒速风电机组接入对电网 电压稳定的影响进行了研究，研究表明恒速风电机组运行中发出有功功率的同时需 要吸收大量的无功功率，会导致风电联网系统的电压稳定性降低；并指出电压稳定 问题还与风力发电机类型、风电场规模大小及其电网结构、送出线路的r 比、并 网点的短路容量，风电场的无功补偿策略有一定的关系。 在电力系统中为了改善电网暂态电压稳定性，文献【4 6 】提出了一种电网对称故 障下保持双馈感应风力发电机不脱网运行的新型励磁控制策略，文献 4 7 】提出采用 变频器暂态电压控制及桨距角控制能够改善基于双馈感应发电机的并网风电场的 暂态电压稳定性，确保风电机组低电压穿越( l v r t ) 功能的实现及电网安全稳定；文 献【4 8 研究了s t a t c o m 、s v c 等动态无功补偿设备应用于电力系统中的作用，上 述动态无功补偿设备也可以应用在风电场中，发挥其动态无功补偿的作用以便支撑 9 华j 匕电力人学硕十学位论文 电压。而对于双馈风电机组的暂态电压稳定性的研究文献中，以实现电网故障期间 风电机组的不问断运行，但是之前的各种研究未对故障期间变速风电机组如何发挥 动态无功支持能力进行探讨。文献【4 9 】研究了并网风电场的电压稳定问题和电压源 换相高压直流输电( v s c h v d c ) 的风电场并网方式的技术特点，研究了v s c h v d c 的数学模型和控制方式。研究表明v s c h v d c 不仅能够有效实现恒速风电机组在 电网发生大扰动故障后的快速电压恢复能力，而且可以避免在电压恢复过程中由风 电机组输入输出功率不平衡引起的发电机超速及电压失稳，确保风电机组的连续运 行及电网的安全稳定。 1 3 论文主要工作 论文在研究以d f i g 为代表的变速风电机组基础上，应用m a t l a b s i m u l i n k 仿真 软件建立了风电场并网系统模型，研究了v s c h v d c 的数学模型和控制方式，对 风电场分别通过交流和v s c h v d c 联网方式下的电压稳定问题进行深入对比研究， 研究了v s c h v d c 改善双馈风力发电机组并网风电场暂态电压稳定性的贡献。主 要研究内容如下： ( 1 ) 对v s c h v d c 适用于暂态稳定分析的数学模型及其向有源系统供电时的 有无功解耦控制策略进行深入研究。论文在同步旋转坐标系下建立了v s c h v d c 的暂态模型：通过前馈补偿方法消除了d 、q 轴之间的耦合，提出了向有源系统供 电时v s c - h v d c 的有无功解耦控制策略。在m a t l a b s i m u l i n k 软件上利用仿真试验 验证数学模型的正确性以及控制策略的可行性和有效性。 ( 2 ) 对d f i g 的动态模型及其控制策略进行研究。论文建立了5 阶d f i g 模型； 研究了d f i g 的基于定子电压定向的矢量控制原理，详细分析了风电机组的空气动 力学部分模型( 风力机模型和传动系统模型) 、发电机模型以及转子回路的换流器 模型，并提出了机组的控制策略，包括桨距角控制和转速控制。 ( 3 ) 研究基于d f i g 并网风电场的交流联网和基于v s c h v d c 联网暂态电压稳 定性。论文在m a t l a b s i m u l i n k 软件上实现了双馈感应风电机组交流联网和基于 v s c h v d c 联网的建模，并通过对两种并网方式下风电场并网母线发生三相短路情 况下的故障后特性仿真进行对比分析，仿真结果验证了v s c h v d c 输电联网方式 的可行性及控制策略的有效性，进一步改善双馈感应发电机风电场暂念电压稳定性 的贡献。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章v s c h v d c 系统的数学模型及其控制 本章首先在d q 同步旋转坐标系下导出了v s c h v d c 适用于暂态分析的数学模 型，进而提出了v s c h v d c 用于风电场联网时的双闭环控制策略；并设计了有功 功率控制器和直流电压控制器，利用前馈补偿来消除换流器模型中d 轴和q 轴之间 的耦合，实现了对直流电压和无功功率、有功功率和无功功率的独立控制；在 m a t l a b s i m u l i n k 软件下搭建了v s c h v d c 联结两个有源系统时的控制模型，验 证了本章导出的v s c h v d c 的数学模型及其控制策略的正确性和可行性。 2 2v s c h v d c 数学模型 图2 i 所示为v s c h v d c 的基本结构图。图中，也为换流站输出交流侧电压 基频分量，u + ，为交流侧系统母线电压，t i 、t 2 为换流变压器。p i 、q i 为换流站输出 到交流侧的有功无功功率；p z 、q 2 为换流站输出到交流侧的有功无功功率。 图2 - 1v s c h v d c 系统原理图 图2 1 中，设v s c i 为送端站，v s c 2 为受端站，三i 、2 和r l 、r 2 分别为两侧 换流站换相电抗器的等效电抗和电阻，在整流侧，通过p a r k 变换，把交流电压和交 流电流转化为d q 同步坐标系下，存在如下的电压平衡关系1 6 1 ： 警一争慨+ 芋 亿t ， 鲁= 一争叫d + 芋 式中：d 、。分别是交流系统基波电流的d 轴和q 轴分量； l l ( 2 - 2 ) 。d 、l l c 。分别是换流 华北电力人学硕十学位论文 站输出基波电压的d 轴和q 轴分量；。j 、略。分别是交流母线基波电压的d 轴和q 轴分量；国是系统角频率；墨、厶分别是换流电抗器的等效电阻和等效电感。公 式中，下标为1 表示整流侧，下标为2 表示逆变侧。 在整流侧，直流电压u d c 。与换流器输出电压基波相量u d 的q 轴和d 轴分量u 山、 心i d 间有如下关系1 7 1 ： d ：等u a c ic084(2-3) u c l q ：了m tu r i c is i n4(2-4) 整流器从交流系统吸收的功率可表示为： 3 0 = 吾( 略i d 】i d + u s 。g ) ( 2 - 5 ) 1 q i2 吾( t d ，一以。d )( 2 - 6 ) 忽略换流器和变压器损耗，换流器输出的直流功率与换流器从交流系统吸收的 有功功率相等，即 e = 匕。= t 。( 2 7 ) 式中：