（电力系统及其自动化专业论文）基于双馈机组风电场的功率控制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 参与系统调度的情况下，各类风电机组均能较好的完成分配任务。并对比分析了 常规的功率分配方法，结果表明该方法的合理性和先进性。 总之，本文研究实现了风电场在完成系统调度任务的同时，内部机组得到了 优化运行，对于推动风电的快速发展和大规模并网有十分重要的理论意义和工程 应用价值。 关键词：风力发电；双馈发电机；并网运行；机组分类；有功控制；无功控 制；电网调度 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a le n e r g ys o u r c e s ，p o w e rs h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m s h a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，a n dt h eu s eo fr e n e w a b l ee n e r g ys u c ha sw i n d ，a st h e n e x tm o s ti m p o r t a n t ，o n ec l e a na n da l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e s ，t oa l l e v i a t et h ee n e r g ys h o r t a g e h a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h e r e f o r e ，i nr e c e n ty e a r s ，w i n dp o w e ri nt h ew o r l dh a dr a p i d l y d e v e l o p e d ，a l s oi nc h i n a b u tw i t ht h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n dp o w e r c o n t i n u e st oi n c r e a s e ， w i n dp o w e r se f f e c to nt h ep o w e rs y s t e mb e c o m e si n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h eo u t p u to f c o n v e n t i o n a lp o w e rp l a n t sc a nb eh i 曲l yc o n t r o l l a b l e ，a n dt h ep o w e ro u t p u to fw i n dp o w e r d e p e n d so nt h ew i n ds p e e dc h a n g e s ，v o l a t i l i t y ，a n dl e s s c o n t r o l l a b l e t h i sb r o u g h tt ot h e p o w e rs y s t e ms c h e d u l i n gd i f f i c u l t i e s ，b u ta l s ol i m i t st h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e r s o p e o p l ed oa m o u n to fr e s e a r c hi nt h ew i n dp o w e ri m p a c to n t h ep o w e rs y s t e ma n dt h eo p t i m a l c o n t r o lo fw i n dt u r b i n ea n dh a v em a d eg r e a tp r o g r e s s h o w e v e r ，w i n dp o w e ra n dw i n dp o w e r o u t p u tc o n t r o lt oo p t i m i z eo p e r a t i o no f t h ei n t e r n a le l e c t r i cf i e l dh a sy e tt ob ef u r t h e rs t u d y s o t h i sm a s t e r st h e s i ss t u d i e st h eo u t p u tc o n t r o la n do p t i m i z e so p e r a t i o no fw i n df a r mb a s e do n t h eg o o dp e r f o r m a n c eo fa c - e x c i t e dd o u b l y f e dw i n dt u r b i n e 。 a tp r e s e n t ，t h en e ww i n df a r mm a i n l yu s el a r g ec a p a c i t yo fa c - e x c i t e dd o u b l y f e dw i n d t u r b i n ea st h em a i nm o d e l c o m p a r e dt on o r m a l l yw i n dt u r b i n e ，d o u b l y - f e dw i n dt u r b i n e s r o t o ru s i n ga ce x c i t a t i o no p e r a t i o nm o d e ，i th a sf a ns p e e dr a n g e ，t h el a r g e s tw i n de n e r g y e f f e c t i v et r a c k i n g a n dc o n f i g u r a t i o no ft h ei n v e r t e ru n i ti nt h er o t o rc i r c u i t ，o n l yt od e a lw i t h t h ep o o rt w o w a yf l o wo fp o w e r ，n o to n l yh a st h ec o n v e r t e rs m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h ta n dl o w c o s tc h a r a c t e r i s t i c s ，a n de l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m st oa c h i e v eaf l e x i b l ec o n n e c t i o n b e c a u s e o ft h e i rg r e a ta d v a n t a g e si nc o m p a r i s o no fc o n v e n t i o n a lu n i t s ，s ot h i st y p eo fw i n dt u r b i n ei s u s e dw i d e l y f i r s to fa l l ，t h i sm a s t e r st h e s i ss u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e r sc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dt h ei m p a c to fw i n dp o w e ro ng r i dn e t w o r k a n dt h et h e s i sa n a l y z e st h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fd o u b l y f e dg e n e r a t o ra n dw i n df a r md e e p l y o nt h eb a s i so ft h ee x i s t e d d o u b l y - f e dg e n e r a t o r sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e d o u b l y - f e dg e n e r a t o r so u t p u ta n dt h ec o n t r o lf a c t o r o nt h eb a s i so fd o u b l y f e dg e n e r a t o r s o p e r a t i o nr e g i o n ，t h et h e s i sc o m p a r a t i v e st h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm e t h o d si nd i f f e r e n t o p e r a t i o n a lr e g i o n so ft h eu n i t t h et h e s i sf i n d sw i n df a r mh a sa c o n t r o l l a b l eo u t p u tp o w e rt o c o m p l e t ec e r t a i np o w e rs c h e d u l i n gt a s k s ，t or e d u c et h ea d v e r s ee f f e c t so nt h ep o w e rg r i d 山东大学硕士学位论文 s e c o n dt h et h e s i sa n a l y z e st h ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ro u t p u to fw i n df a r mb a s e do n t h ed o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so f e a c hw i n d t u r b i n ea n ds e p a r a t e l yc o n t r o lo fa c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r si d e a , t h et h e s i sa s s o r t st h ew i n d t u r b i n e si nt h ew i n df a r mr e s p e c t i v e l y a c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o lm e t h o d so fw i n d f a r ma r eg i v e ns e p a r a t e l y a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo r d e r ，t h et h e s i sa s s o r t st h ew i n dt u r b i n e s a n dg i v e sp o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yo ft h es i m i l a ru n i t s i nt h i sw a y ，w i n dp o w e rc a nm e e tt h e s c h e d u l i n gr e q u i r e m e n t so f t h ep o w e r s y s t e ma n d t h eu s eo fu n i t so far e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o n o fo u t p u tp o w e rh a sb e e no p t i m i z e dt ow o r k l a s tt h et h e s i su s em a t l a bt os i m u l a t et h e c o n t r o ls t r a t e g y ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dh a sac e r t a i nd e g r e eo fp r a c t i c a l i t ya n d f e a s i b i l i t y i ns u m m a r y ，b a s e do nt h er e s e a r c hs t a t u so fd o u b l y - f e dg e n e r a t o ra th o m ea n da b o a r d ， t h ed y n a m i cm o d e l i n ga n do p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd o u b l y f e dg e n e r a t o ra r ef u l l ya n a l y z e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n c o m p l e t e dr e a c ha c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ro u t p u tc o n t r o lo fw i n d f a r mb a s e do nd o u b l y - f e dg e n e r a t o rw h e np a r t i c i p a t i n gi nt h ec o m p o s i t i o no fg r i ds c h e d u l i n g t h i sm a s t e r st h e s i sm a k e sc l a s s i f i c a t i o nm e t h o do fw i n df a r mb a s e do na c t i v ec o n t r o la n d r e a c t i v eo fw i n dp o w e r a n dt h ew i n df a r mm o n i t o r i n gs y s t e mf o rw i n df a r mp o w e rr e f e r e n c e v a l u eo ft h eu n i t ss e t t i n g s t oe n a b l et h ec o m p l e t i o no fw i n dp o w e rs y s t e ms c h e d u l i n gt a s k s a tt h es a m et i m e ，t h ei n t e r n a lu n i th a sb e e no p t i m i z e dt ow o r k k e y w o r d s ：w i n dp o w e r ；d o u b l y f e dg e n e r a t o r ；g r i do p e r a t i o n ；u n i tc l a s s i f i c a t i o n ； a c t i v ep o w e rc o n t r o l ；r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ；p o w e rs c h e d u l i n g i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：二昼牡 日 期：垄4 二业 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：埠导师签名： 日期：丝4 上鱼 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景与意义 人类对化石类燃料长期的过分依赖，造成今天对地球环境的巨大的破坏。因 此，能源、环境问题成为当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题，对可再生 能源的开发和利用，已经成为世界各国能源发展战略的重要内容f 1 1 。有报告称， n e 0 2 0 年，全球风力发电装机量将达到l2 亿千瓦，为2 0 0 2 年的3 8 倍，风力发电将 占全球发电总量的1 2 ，有可能成为世界未来最重要的替代能源。 风力发电的高速增长得益于风电技术的成熟。目前单机容量兆瓦级以上风机 已达到商业化生产水平，成为当前世界风力发电的主力机型。而更大、性能更好 的机组也已研制成功并投入试运行，如丹麦新建成的几个风电场单机容量都在2 兆瓦以上。由于新技术的运用，人们最为关心的风电电价呈快速下降趋势，且日 益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价已由1 9 9 0 年的每千瓦l3 3 3 美元降至2 0 0 0 年的7 9 0 美元，发电成本也由每千瓦时8 美分减少到4 美分，2 0 0 5 年 降至每千瓦时3 美分左右，达到可与常规发电设备不相上下的水平。风力发电设 备的寿命为2 0 年至2 5 年，其运行的费用只相当于机组成本的4 。有专家预测“世 界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15 ” 2 1 。可见风力发电具有巨大的发 展空间。 尽管国内外风电发展非常迅速，但由于风力发电机的输出功率是随着风速随 机波动的，因此其对电网产生的不利影响也不容人们的忽视。大规模风电并网后， 由于风电场输出功率的随机性与波动性，电力系统调度和电能质量都面临新的问 题。当风电“穿透功率 高到一定程度时，电网的安全稳定运行更面临挑战。因 此，对风电场功率输出进行综合控制以适应风电的迅速增加，是当前电力系统运 行中迫切需要解决的问题，也是促进风电更好发展的需要。基于双馈机组风电场 的功率控制是电力系统诸多有关风电的问题中亟待解决的问题之一，本文对此展 开研究，在理论探索和指导工程实践方面都有十分重要的意义。 1 2 国内外风电发展及研究状况 1 2 1 国内外风电发展情况 ( 一) 世界风电发展情况 世界风力发电发展迅速，从19 9 7 年至u 2 0 0 6 年，全球风电装机容量年平均增长 1 山东大学硕十学位论文 率约为2 5 。至2 0 0 6 年底，全球风电装机容量约为7 4 2 2 万千瓦，当年风电新增装 机1 5 0 0 万千瓦。2 0 0 7 年全球风电新增装机容量约为2 0 0 0 万千瓦，累计装机9 4 0 0 万 千瓦。2 0 0 8 年全球风电装机增长率为2 8 8 ，高于过去十年的平均值，2 0 0 8 年底 总装机容量达到了1 2 0 7 9 万千瓦。2 0 0 8 年新增发电能力在2 7 0 5 6 万千瓦，比2 0 0 7 年高出3 6 。2 0 0 8 年全球新增发电设备中，已安装风电机组的总值达4 7 5 亿美元。 2 0 0 8 年是风电发展具有标志性的一年：这一年风电成为非水电可再生能源中第一 个全球装机超过1 亿千瓦的电力资源。 2 0 0 8 年全球风力发电累计装机容量前十位的国家和2 0 0 8 年新增装机容量居 全球前十位的国家具体装机容量如表1 1 所示f 3 i 。 表1 12 0 0 8 年部分国家风力发电装机状况 装机容量前十位国家新增装机容量前十位国家 国别装机容量 百分比国别装机容量百分比 ( m w ) ( )( m w )( ) 美国 2 5 1 7 02 0 8 美国8 3 5 831 0 德国 2 3 9 0 31 9 8 中国 6 3 0 0 2 3 o 西班牙 1 6 7 5 41 3 9 印度 1 8 0 0 7 o 中国 1 2 2 l o1 0 1 德国 1 6 6 56 0 印度 9 6 4 58 0 西班牙 1 6 0 96 0 意大利 3 7 3 63 1 意大利 1 0 1 04 0 法国3 4 0 42 8法国9 5 04 0 英国3 2 4 1 2 7 英国8 3 63 0 丹麦3l8 0 2 6 葡萄牙7 1 23 0 葡萄牙 2 8 6 2 2 4 加拿大5 2 32 o 其它1 6 6 8 6 1 3 8 其它3 2 9 31 2 o 前十总计1 0 4 1 0 4 8 6 2 前十总计2 3 7 6 38 8 o 全球总计 1 2 0 7 9 l 1 0 0 全球总计 2 7 0 5 6 1 0 0 ( 二) 国内风电发展情况 我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。我国发展并网风力发电始于1 9 9 0 年，至1 2 0 0 4 年年底，全国的风力发电装机容量约有7 6 4 万千瓦；2 0 0 5 年2 月可再 生能源法颁布之后，当年风力发电新增装机容量超过6 0 ，总容量达到了1 2 6 万千瓦；2 0 0 6 年当年新增装机容量超过1 0 0 ，累计装机容量超过2 5 9 7 万千瓦： 2 山东大学硕十学位论文 2 0 0 7 年新增装机容量3 4 0 万千瓦，累计装机容量达到6 0 4 万千瓦，2 0 0 8 年新增装机 容量6 3 0 万千瓦，累计装机容量达到1 2 2l 万千瓦，成为世界上最主要的风电市场 之- - 4 1 。因此亟需发展风力发电控制技术适应风电的迅速增加。 1 2 2 风力发电给电力系统带来影响 由于风电的随机波动特性，它在为世界能源问题的解决带来契机的同时，也 对电网产生了不容忽视的不利影响。概括起来，风力发电给电力系统带来的影响 主要有： ( 1 ) 电能质量。风电并网带来两个方面的电能质量问题：电压闪变【引。风 力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当 风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所 有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。谐波污染【6 1 。一种是 风机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题；另一种是风机的并联补偿电 容器可能和线路电抗发生谐振。 ( 2 ) 稳定性。在电力系统中，当风电场发生诸如发电机开断、线路开断、三 相短路故障以及风速扰动等情况时，系统会出现稳定性问题，仿真结果表明系统 的电压及频率都存在大幅度波动现象，有必要对风电并网以后的系统的稳定性进 行认真评估1 7 , 8 1 。 ( 3 ) 发电计划与调度。传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测 性，以这两点为基础，发电计划的制定和实施有可靠的保证。但是，如果系统内含 有风电场，因为风电场出力的预测水平还达不到工程实用的程度，发电计划的制 定变得困难起来。风力发电并网以后，如果电力系统的运行方式不相应地做出调 整和优化，系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动， 系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响，这些因素反过来会限制系统准入 的风电功率水平，因此有必要研究随机的发电计划和a g c 算法，以便正确考虑风 电的随机性和间歇特性【9 】。旋转备用容量和类型的配置对系统的可靠性、安全性 指标的影响都是至关重要的，以反应速度快的燃气轮机组和柴油机组作为旋转备 用机组配合风电场的运行是可行的方案，但因这类机组燃料费用昂贵，因此系统 的运行成本明显提高，会令风电的价值大打折扣1 1 0 1 。基于对风速和负荷的预测进 行考虑风电的发电计划优化，是值得进一步探讨的算法【1 1 1 。 ( 4 ) 容量可信度。发电容量的价值往往体现在负荷高峰期，由于风电场无法 山东大学硕士学位论文 保证可靠的出力，一度被认为只能提供能源，不能提供有效的发电容量。 1 2 3 风力发电机组控制技术的发展 通过控制，风力发电机可追踪风能的方向和强弱，实现风能的最大化利用。 风力发电机控制技术主要分为三类：定桨距调节技术、变桨距调节技术和变速恒 频技术等。 ( 1 ) 定桨距调节技术。传统概念的风力发电机一般都是上风向、三叶片的 风力机通过齿轮箱增速驱动异步发电机，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动 特性，称之为定桨距风力发电机组。发电机工作于同步转速附近，风电机组的设 计一般在额定功率时，风轮的转换效率在最佳区段。当风速超过额定风速时，气 流攻角增大到失速条件，使叶片的表面产生涡流，降低转换效率，限制吸收功率， 维持发电机输出功率恒定。定桨距风机的桨距角一般设定为o 度。定桨距风力发 电机的功率调节由风轮叶片完成，控制简单，但叶片本身结构复杂，成型工艺难 度较大，风机不易大型化【2 1 。 ( 2 ) 变桨距调节技术。为了提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功 率平稳，在定桨距风力机的基础上加装桨距调节环节，便构成变桨距风力机组。 在额定风速以下时，叶片桨距角处于0 度附近。在额定风速以上时，变桨距机构 发挥作用，调整叶片桨距角，保证发电机的输出功率在允许范围内。风力机的桨 距控制系统，通常采用典型的转速、功率和桨距角三模态控制。速度控制和直接 桨距控制系统，用于风力发电机的启动、停止和紧急事故处理。变桨距调节技术 的主要优点是，提高发电效率，又可以在高风速段保持输出功率平稳，不至于引 起异步发电机的过载。但是，这种系统的结构比较复杂，故障率相对较高，并且 由于风的随机性和间歇性特点，使风力机的出力变化很大，机组的动态负荷增加， 对电网的冲击增大。 ( 3 ) 变速恒频调节技术：变速恒频风力发电调节技术的特点是 1 2 a s l ：风力 机和发电机的转速可以在很大范围内变化，而不影响输出电能的频率。通过适当 的控制，使风力机的叶尖速比处于或接近最佳值，从而可以最大限度地利用风能。 变速恒频风力发电系统以风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率 的控制：低于额定风速时，系统能跟踪最佳功率曲线，使风力发电系统具有最高 的风能转换效率；高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳 定【1 4 l 。特别是解决了高次谐波与功率因数等问题后，达到高效率、高质量地向电 4 山东大学硕士学位论文 网提供电力的目的。 目前变速恒频是主流技术，为市场两大主力机型双馈和直驱式风力发电机组 所采用，也是本文研究的关注焦点。 1 2 4 双馈风电机组及风电场的功率控制 如图1 1 所示，典型的双馈风电机组的基本控制结构图。双馈发电机的定子和 转子都与电网相连，其转子具有三相励磁绕组结构。该类发电机，可调节其励磁 电流的幅值、频率和相位。通过控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速，以 达到调速的目的；通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电网电 压矢量之间的相对位置，从而改变发电机的功率角。因此，通过调节励磁电流， 不仅可以调节发电机输出的有功功率，也可以调节发电机输出的无功功率。目前， 双馈机组的功率控制的研究主要集中在通过控制发电机的转速和桨距角的大小 来控制风机输出的有功功率，通过控制励磁电流的无功分量来控制风机输出的无 功功率。因此，双馈风电机组不但能够实现最大效率的利用风能，还能参与系统 的无功调整，提高风电电能质量，从而为减小风电并网对电网造成的不利影响提 供了条件。 l 三： 兰 l 。 1 控制系统 图1 1 双馈风力发电机的基本控制结构 目前双馈机组功率控制的研究主要是在其数学模型的基础上进行的，其中风 力机的数学模型比较一致。而发电机的数学模型较多，主要包括3 阶、5 阶和8 阶 动态仿真模型，3 阶模型适合稳态计算，计算速度快，但对某些暂态过程不能详 尽的描述发电机变化，8 阶模型适在故障暂态分析中精度较高，但其计算量大， 计算速度慢，相比较而言，5 阶模型具有更好的适应性【1 5 - 2 0 1 。 双馈机组有功功率的控制在不参与电网调度的情况下主要集中在最大风能 山东火学硕十学位论文 的追踪和输出额定功率的研究上。其中文献 2 2 】利用对发电机有功功率的控制实 现风电机组最大风能的追踪，利用对变频器逆变侧与电网间无功功率的控制来实 现逆变侧母线的电压恒定。文献【2 3 提出了一种基于电网电压定向的励磁控制策 略，该控制策略仅需要定子侧电流、电网电压和转子位置角信号，避免了矢量控 制系统中对定、转子量测精度、实时性和一致性的严格要求。文献 2 4 】提出了双 馈风力发电机转速非线性p i d 控制策略，并对风速阶跃变化、系统参数突变下风 力发电机转速控制进行了数字仿真，结果表明其具有较好的适应性和鲁棒性。文 献 2 5 对双馈风力发电机进行了有功、无功解耦控制，并分别设计了控制回路， 仿真结果证明了控制方法的良好的性能。文献 2 6 1 在双馈发电机变流器控制中引 入模糊控制，改进了机组的动态响应性能。 双馈机组有功功率的控制在参与电网调度的情况下主要通过控制发电机转 速和桨距角来控制其输出的功率 2 7 - 3 5 1 。其中文献 2 9 ，3 0 】利用大型变速恒频风机 桨叶储存的动能，提供短时的有功支持，并做了详细的仿真，研究发现m w 级风 电机组在转速还未降低到最小转速的情况下可以利用桨叶储存的动能在1 0 s 内提 供0 1 m w 额外的有功功率。文献 3 1 研究了含有双馈风电机组参与调频控制的独 立系统，文中控制双馈机组运行在亚负荷状态，即机组未运行在最佳工作状态， 机组可以增加或减少有功功率的输出，研究发现该方法可以增强系统稳定性，减 小系统频率波动。文中同时也指出该方法将减少风电机组吸收的风能。文献【3 2 借助一个2 2 k w 试验平台研究了变速风力发电机参与系统调频控制，文中通过设 定低于最大输出功率的功率参考值，利用发电机转矩控制实现对吸收风能的控 制，同时利用一部分桨叶储存的动能来达到储备调频能量。动态实验结果证明了 风力发电机在一定的风速条件下能够进行调频控制。文献 3 3 ，3 4 】首先分析了风 力机的频率变化响应，指出为了增加风电的穿透功率，需要增加储能设备的思想， 特别是对小电力系统。同时文中也指出通过附加控制回路提供类似于同步发电机 的频率响应解决双馈机组的频率响应问题。 同时也有很多学者对双馈机组的无功一电压控制进行了深入的研究，例如： 文献 3 5 考虑网侧变换器的无功产生能力，分析了双馈发电机无功极限的计算方 法。对双馈电机风电场在强电网无功调节中的应用进行了探讨，并给出了无功功 率分配控制策略。文献 3 6 】以风电场出口升压变压器高压侧为控制目标，提出一 种基于双馈发电机的风电场电压控制策略。阐述了风电场高压侧电压控制原理， 并考虑风电场无功功率极限，研究了无功功率控制、分配和故障情况下的紧急电 6 山东人学硕十学位论文 压控制方案。文献【3 7 】以双馈发电机容量为约束条件，导出了双馈发电机在不同 风速下的无功功率调控能力，构建了面向接入点电压运行要求的风电机组无功功 率调控策略。文献 3 8 提出了一种不用安装辅助无功补偿设备只利用双馈机组无 功调节能力的风电场偏远地区电压调节的控制方法。文献 3 9 依据分段分层控制 思想，提出了双馈机组并网控制策略，对某风电场及其接入系统中风电机组运行 特性和关键结点电压特性进行了仿真分析，结果表明文中提出的控制策略不但可 以实现风电机组的优化运行，而且能充分发挥双馈发电机无功调节能力，提高了 风电机组并网后的电压稳定性。 在双馈机组功率控制的基础上，人们也对风电场功率输出控制进行了相关研 究。文献 4 1 4 3 对各个国家电网风电场接入电力系统的控制方法进行了比较研 究，比较发现各个国家对风电场的控制要求有很大的不同。这些不同主要取决于 各自电力系统的运行经验和政策法规。文中同时指出给整个风电行业设定一个整 体的控制要求范围是非常必要的。文献【4 4 】是我国国家电网公司关于风电场接入 电网的技术规定，规定要求风电场必须满足一定的电网要求才能够接入电力系 统，为减少风电接入对电网的不利影响和规范风力发电的发展提供了保证。文献 【4 5 对由不同类型风力发电机组成的风电场的控制进行了讨论，并从硬件通信的 角度研究了大型风电场的计算机监控系统。文献 4 6 4 8 对风电场的集中功率控制 进行了理论分析，设计了风电场控制系统，通过风电场集中控制系统控制风电场 按照系统要求输出有功、无功功率，并对风电场的功率输出和特性进行了仿真分 析和验证。仿真结果证明了风电场集中功率控制的可行性。文献【4 9 在风电系统 运行基础上，提出了基于馈线潮流分布的有功负荷分配方法，该方法以馈线终端 为控制单元，当系统频率出现偏差时，由馈线终端制定负荷分配方案。算例表明， 该有功负荷分配方法具有一定实用性。文献f 5 0 提出了利用原始对偶预测校正内 点法定义每个双馈发电机的有功功率、无功功率的输出参考值，使风电场内部线 路损耗最小同时输出电网调度要求的输出功率，同时达到风电场参与电网调频控 制的目标。 以上是人们为了充分利用风能同时又尽力减小风力发电的波动性和随机性 对电网产生的不利影响所做的研究。可见随着风电的快速发展，风电场功率输出 控制也渐渐受到人们的重视。随着风力发电技术的发展，电网对风力发电的要求 也在不断提高。如何既能满足电网要求又能充分的利用风能使风电场优化运行， 将是以后的研究重点，本文正是在此基础上进行的工作。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 如前所述，大规模发展风电的同时，由于风电场输出功率的随机性与波动性 给电力系统带来系统调度和电能质量上的问题。当风电“穿透功率高到一定程 度时，还给电网带来安全性问题。因此人们对风电功率控制进行了大量研究以解 决风电场功率输出的随机变化问题和适应风电的迅速增加，同时也为了更好的发 展风电。在人们研究风电场的功率控制当中，只对风电场输出功率按照机组输出 功率大小进行平均分配，未能考虑机组的实际运行状况。所做的功率控制只能满 足电网要求，而不能实现风电场内机组的优化运行。为解决上述风力发电中存在 的问题，本文以双馈风力发电机为研究对象，对由其构成的风电场的优化控制进 行研究。主要工作内容包括以下几个方面： ( 1 ) 总结双馈风电机组数学模型及其控制模型，从风力机输出机械功率与 转速的关系曲线出发，分析风力机捕获最大风能的运行原理。并对风力机的运行 随风机转速的增加进行分区。根据各个区域的运行特点，给出了各区域不同的控 制方法。并对风力机各区域的运行进行仿真研究，找出风力机的不同运行区域机 组控制特性的不同。同时讨论风电场内风电机组运行的安全控制要求，为风电场 机组分类奠定基础。 ( 2 ) 分析风电场的功率输出与单个风力发电机和常规电厂功率输出的不同， 研究风电场功率输出控制的特点。结合电力系统有功和无功分开控制的特点，将 风电场内的风电机组按照有功控制和无功控制分别进行分类。并分别给出了有功 控制机组分类和无功控制机组分类的方法。在机组分类基础上，研究风电场有功 功率控制和无功功率控制的控制策略。使风电场不仅能完成一定的电网有功、无 功调度任务，而且争取实现风电场内机组的优化运行。 ( 3 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，建立双馈风力发电机组模型、风速 模型和风电场有功功率、无功功率分配控制模型。对本文中提出的风电场有功功 率、无功功率分配控制方法进行仿真。验证本文提出风电场机组分类方法和功率 分配控制策略的可行性，同时验证双馈机组具备的无功一电压调节潜力。 8 山东大学硕士学位论文 第二章双馈机组模型及运行分析 本章研究双馈风力发电系统的组成和运行的基本原理。首先详细分析风力机 的气动数学模型、空气动力学特性和双馈发电机在两相同步速旋转坐标系下的数 学模型。然后研究分析双馈风力发电机在不同风速下的运行区域以及在不同区域 的运行特点，并针对各区域给出了相应的控制方法。为下一步研究由双馈风力发 电机组成风电场的功率分配优化控制的研究奠定基础。 2 1 双馈机组的数学模型 图2 1 双馈风电机组的总体结构 基于双馈机组的变速风电系统的总体结构可分为5 部分模型：风速模型、风 机气动模型、机械传动模型、双馈发电机模型和风机控制系统。各部分之间的变 量传递及控制关系如图2 1 所示。风机气动模型模拟桨叶将风能转化为机械能，忽 略动态迟滞效应，将风力机机械转矩t m 表达为解析形式。机械部分是包括低速轴、 齿轮箱、高速轴在内的传动环节，本文采用单质量块和理想齿轮箱，传动部分用 阶惯性环节描述。电网运行控制制定风电场的有功和无功基准功率分别为p r c f 和q r e f 。风电场控制系统根据制定的功率分配控制策略计算每台风力发电机的有 功和无功基准功率p i r 。f 和q j ，。f 。风机功率控制系统根据发电有功功率p j ，。f 和风速对 桨距角和风机转速进行调节，根据输出无功基准功率q i r e 耐发电机转子励磁电流 进行调节。 2 1 1 风力机数学模型 风力发电机机械功率与机械转矩的表达式为1 2 】： 9 山东大学硕士学位论文 厶= l p a c p ( 五，) 1 ，3 = 扣c r ( 铘) v 2 ( 2 - 1 ) c 7 ( 五，) = l ac p ( 旯，) 式中：厶为风力机输出功率，k w ；为风轮机转矩，n m ；g 为风机的风能利用系数， 表明风轮从风中获得有用风能的比例；c 7 为风力机转矩系数；为桨距角，。；a 为叶 尖速比( 2 = r c o v ) ； a 为风轮扫掠面积，m 2 ：p 为空气密度，k g m 3 ；v 为风速，r n s ； r 为风轮半径，m 。 当风速一定时，风力机机械功率的大小取决于g 的大小。c p 与桨距角、叶尖速率 比川拘非线性关系为( 其中a ，为过程变量) ： ic p ( 旯，) = 0 2 2 ( 半- 0 4 0 5 ) p t 1 上：! 一咝 ( 2 2 ) 【丑 2 + 0 o s p 3 + l 忽略增速齿轮的影响，风力机的运动方程为： ，警= 易一乃( 2 - 3 ) c o 为风力机的转速，r a d s ；j 为转动惯量，k g m 2 ；t 。为风力发电机的电磁转 矩。n m 。 1 0 图2 2 风力机性能曲线 图2 2 所示为风能利用系数c j p ( 五，d ) 的曲线。由图可知，风能利用系数c 尸 山东大学硕士学位论文 随着桨距角的增大而逐渐减小。风机在额定风速以上时，可通过增大桨距角 以减小风能利用系数o ，从而将系统输出功率稳定在额定值附近。同时，在桨距 角夕一定的情况下，有且只有唯一叶尖速比对应于风能利用系数的最大值，该叶 尖速比称为最优叶尖速比，如图2 3 所示对应的a 印，。 0 4 5 0 4 o 3 5 0 3 0 2 5 8 o 2 0 1 5 o 1 0 0 5 0 c p m a x i ；八 ； ； ； ： ： ：, o p t 051 01 5 t ( s ) 图2 3 桨距角不变时风力机性能曲线 由式( 2 1 ) 可知，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于功率系数。 如果在任何风速下，风力机都能在g m 烈点运行，便可增加其输出功率。在任何 风速下，只要使得风轮的叶尖速比2 = 2 0 p ，就可维持风力机在g m 甜下运行。因此， 风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速与风速之比保持不变，就可获得最 佳的功率系数。这就是变速风力发电机组运行转速控制的基本目标。 2 1 2 双馈发电机数学模型 、p l d 7 s c oc 厶f 习 图2 4 坐标变换系 a 山东大学硕士学位论文 为分析控制变量关系，按发电机惯例建立双馈发电机数学模型，坐标系选择 如图2 4 所示。图中，d - q 为两相同步旋转坐标系，d 轴定在定子磁链矢量、| ，。方 向。则双馈发电机在d - q 坐标系下的数学方程如下： 定子电压方程为： i = 一b 么+ p u d s q i 2 红：一b k + p 驴+ q ：( 2 - 4 ) 转子电压方程为： 落u q r = g r i q r 岬+ p 驴q r + 嘶a h g d r ( 2 - 5 ) 【 r 叫 定子磁链方程为： v d s = k 哇r l s i 蠹 1 = z o q r 一厶o ( 2 - 6 ) 转子磁链方程为： l ；，如= - l o g + l r i 靠 1 ，= 一岛o + f g ，( 2 - 7 ) 电磁转矩方程为： 乙= n l o ( i q , 0 一么l q r )(2-8nlol q r )口2o 一 ) () 运动方程为： ，吉鲁= 乙一乙( 2 9 ) 将磁链方程代入电压方程，可得： 写成矩阵形式为： 出= 一( 咫+ 厶p ) 如+ q t 0 + 岛j p 掳一q 岛岛， u 俨2 一q s 么一( 足+ 厶p ) 0 + q 岛0 + 岛p 0 u d r = 一l o p i , 由+ 吐0 + ( 弓+ p ) 0 一o ) 2 l r i q ， u 矿2 一叻岛么一z o p i 驴+ 吐0 + ( 墨+ 三，p ) i q r 一( b + 厶p ) q 厶 岛p q l o q 厶一( 足+ 厶p ) q 岛p 一岛p魄岛 母+ l r p 一吐 一吡一l o p 吐碍+ l r p ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 式中，p 为微