（电气工程专业论文）双馈电机电力系统稳定器发送系统阻尼的研究.pdf

s t u d yo nt h ec o n t r i b u t i o no fp o w e rs y s t e ms t a b i l i z e rf o rd o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o rt on e t w o r k d a m p i n g b y w a n gg u o m i n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw u z h e n g q i u m a y , 2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：王一1 萤 氏 日期：2 0l f 年厂月2 即 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打 ”) 作者签名： - 一 导师签名： 1 訇民日期：z o i1 年岁月沙日 醐：易，笋户。产 硕十学位论文 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( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ，p s s ) ，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p s s 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p s s 环 节能够增加双馈电机对系统阻尼的贡献，提高稳定性，p s s 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。 关键词：系统阻尼；小信号模型；双馈电机；电力系统稳定器 i i 双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e rt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r el a r g es c a l e w i n df a r mw a si n t e r c o n n e c t e dt ot h e p o w e rs y s t e m t h e r ei s at r e n dt h a tt h e p r o p o r t i o no fg r i d c o n n e c t e dd 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 ) i n c r e a s e sa n d t h a to fc o n v e n t i o n a ls y n c h r o n o u sm a c h i n e sd e c r e a s e si nf u t u r ep o w e rs y s t e m ，t h e c o n t r i b u t i o no ft h ed f i gt on e t w o r kd a m p i n gi sg e n e r a l l yn o tc o n s i d e r e di ni t s c o n t r o ls y s t e m sw h e nt h en e t w o r ki su n d e ro s c i l l a t o r yc o n d i t i o n s ，s ot h en e t w o r k d a m p i n gt e n d st ob er e d u c e d i nt h i sp a p e r ，b ym e a n so fl e a d i n gp o w e rs y s t e m s t a b i l i z e r ( p ss ) t ot h er o t o r - s i d ec o n t r o ls y s t e mo fd f i g , t h ed f i gc a no f f e r a d d i t i o n a ld a m p i n gt os u p p r e s so s c i l l a t i o nd u r i n gt h ed i s t u r b a n c ep r o c e s s f i r s t ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd f i gi sd e m o n s t r a t e di n t h i sp a p e r ，m a i n l yo n v o l t a g ea n df l u xl i n k a g ee q u a t i o n s ，t h ep o w e rf l o wi nd f i g , t h ec o n v e r t e rc o n t r o l s y s t e mo fd f i g ，m a x i m u mw i n de n e r g yt r a c k i n gc o n t r o ls t r a t e g y , a n dp i t c hc o n t r o l s c h e m e t h em a t h e m a t i c a lm e t h o df o rt h es t u d yo ft h es m a l ls i g n a ls t a b i l i t ya n d d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs y s t e mi sa l s oi n t r o d u c e d s m a l ls i g n a ls t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e m sc a nb ea c c u r a t e l yc h a r a c t e r i z e db ye i g e n v a l u e so ft h es t a t em a t r i xo f t h es y s t e ml i n e a rm o d e l i na d d i t i o n ，t h er i g h ta n dl e f te i g e n v e c t o r sc o r r e s p o n d i n gt o t h ee ig e n v a l u e so fi n t e r e s ta r et h eb a s i so fs e n s i t i v i t yt o o l st o i d e n t i f yt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nv a r i a b l e sa n do s c i l l a t i o nm o d e s s e c o n d ，d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sd e s c r i b i n gt h ed y n a m i cb e h a v i o ro fd f i gi s p r e s e n t e d ，ac o m p l e t es m a l ls i g n a lm o d eo fd f i gi sg i v e nb yt h el i n e a r i z a t i o no f d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s t a k es i n g l em a c h i n ei n f i n i t eb u ss y s t e ma sa ne x a m p l e ，b y c a l c u l a t i n ge i g e n v a l u e sa n dp a r t i c i p a t i o nm a t r i xo fs t a t em a t r i xo fs m a l ls i g n a l m o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fd f i go no s c i l l a t i o nm o d e sa n dd a m p i n gc h a r a t e r i s t i c so f p o w e rs y s t e mh a sb e e ns t u d i e d ，t h em e c h a n i s mo fo s c i l l a t i o nm o d e sh a sa l s ob e e n a n a l y z e d 。 f i n a l l y , b ym e a n so fl e a d i n gp s st ot h er o t o rs i d ec o n t r o ls y s t e mo fd f i g , t h e a c t i v ep o w e rc o n t r o ls y s t e m ，t h ed f i gc a no f f e ra d d i t i o n a ld a m p i n gt o s u p p r e s s o s c i l l a t i o nd u r i n gt h ed i s t u r b a n c ep r o c e s s ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dp o i n to f v i e wi sv e r i f i e db ye i g e n v a l u ea n a l y s i sa n dm u l t - m a c h i n et i m e d o m a i ns i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h el e a di np s sc a ne n h a n c es y s t e md a m p i n ga n d i m p r o v ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y t h ec o n t r i b u t i o no fpsst on e t w r o kd a m p i n gr e l a t e s t ot h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n so fd f i g ，t h ee n h a n c e m e n to fn e t w o r kd a m p i n gi sm o r e i i i 硕士学位论文 o b v i o u sb e c a u s eo fag r e a t e ra c t i v e p o w e ro u t p u tw h e nd f i gi sr u n n i n g a t h y p e r s y n c h r o n o u ss p e e d ，w h i l et h ec o n t r i b u t i o no fd f i gt on e t w o k i n gd a m p i n gi s m u c hm o r es m a l l e rb e c a u s eo fas m a l l e ra c t i v ep o w e ro u t p u tw h e nd f i gi sr u n n i n g a ts u b s y n c h r o n o u ss p e e d k e yw o r d s ：n e t w o r kd a m p i n g ；s m a l ls i g n a lm o d e l ；d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ； p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r i v 双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 风力发电发展概况1 1 1 1 国外风力发电现状1 1 1 2 我国风力发电特点2 1 2 风力发电技术研究现状3 1 2 1 风电机组及其控制机组3 1 2 2 大型风电场对电力系统稳定性的影响4 1 3 本文的研究工作一8 第2 章双馈电机的基本原理9 2 1 引言9 2 2 双馈电机的电压、磁链方程9 2 2 1 变速恒频原理9 2 2 2a b c 坐标系下的电压和磁链方程1 0 2 2 3d q 坐标系下的电压和磁链方程1 1 2 3 双馈电机中的能量流动一1 3 2 4 双馈电机基本方程的标幺化1 4 2 5 双馈电机变频器控制原理1 5 2 5 1p q 解耦控制原理1 5 2 5 2 网侧控制系统1 6 2 6 最大风能追踪1 8 2 7 桨距角控制系统2 0 2 8 小结2l 第3 章小扰动稳定性分析方法一2 2 3 1 引言2 2 3 2 李雅普诺夫稳定性第一定律2 2 3 3 振荡模式与参与矩阵2 5 3 4 小结2 6 第4 章双馈电机控制系统动态微分方程2 7 4 1 引言2 7 v 硕士学位论文 4 2 基本动态微分方程2 7 4 3 转子侧p i 控制系统动态微分方程2 8 4 4 网侧p i 控制系统动态微分方程3 0 4 5 风轮机轴系动态微分方程一3 1 4 6 桨距角控制系统动态微分方程3 2 4 7 小结3 2 第5 章双馈电机改善系统阻尼的研究3 3 5 1 引言3 3 5 2 线性化模型3 3 5 2 1 非线性微分方程的线性化3 3 5 2 2 单机无穷大系统分析3 4 5 2 3 特征矩阵各元素的求取3 7 5 3 单机无穷大系统振荡模式及机理3 8 5 4p s s 的设计4 0 5 4 1 双馈电机转矩转速特性4 0 5 4 2 相位补偿法4 1 5 4 3 补偿后单机无穷大系统特征根4 2 5 5 多机系统仿真4 3 5 6 小结4 6 结论与展望4 7 参考文献4 9 致j 射5 3 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 4 v i 硕士学位论文 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 近年来，全球能源消费不断增长，石油价格持续高位运行，目前世界能源 供应【l 】主要依赖化石能源，由于化石燃料不可再生，世界能源供应的可持续性 受到各国的迫切关注。另一方面，国际社会要求采取对策努力限制或减少温室 气体排放的呼声越来越高，从1 9 7 9 年第一次世界气候大会呼吁保护气候，到 19 9 2 年联合国气候变化框架公约，再到京都议定书的出台，国际社会 为应对全球气候变化做了不懈努力。 面临能源危机和环境保护的双重压力，许多国家都在调整能源战略，把重 点放在了发展诸如核能、水能、风能、太阳能、生物质能等低碳和无碳能源上。 其中，风能由于环境友好，可利用储量大，成本优势等诸多优点【2 】，在新能源 中具有当之无愧的领头羊地位。全球的风能约为2 7 4 x 1 0 9m w ，其中可利用的 风能为2 x 1 0 7 m w ，比地球上可开发利用的水能总量大1 0 倍。 目前在对风能的利用方面，丹麦处于绝对领先的地位，丹麦是世界风力发 电大国和风轮生产大国，无论是装机总量【3 】还是人均风电拥有量都位居世界前 列，其中人均拥有量更是位于世界首位。2 0 0 6 年，丹麦风电装机容量占全部发 电装机容量2 5 ，风电实际发电量占全国发电量比例为2 0 。丹麦的风机制造 技术先进。例如，每台风机平均功率由2 0 0 0 年的8 5 6 千瓦提高到2 0 0 3 年的2 0 4 5 千瓦，容量年均增长率达3 4 。另外丹麦大力发展海上风电场，目前，已安装 和在建的海上风场有6 个，总装机容量预计超过4 2 万千瓦。丹麦环境能源部 预计，2 0 1 5 年风电比重将由现在的2 0 提升到3 5 ，2 0 3 0 年提高到5 0 ，并 有望在2 0 5 0 年彻底摆脱对煤炭、石油和天然气等化石能源的依赖。 欧洲其他各国也不断加大对风电产业的投入【4 】，为保障欧洲能源安全，优 化国家能源结构，以及应对全球变暖挑战，风力发电在欧盟得到大力提倡。上 世纪9 0 年代初，欧盟计划在2 0 10 年实现风电装机总容量达到4 0 g w 的目标， 各成员国据此制定了相应的风电发展计划，这一目标在2 0 0 5 年提前实现，2 0 0 8 年初欧盟修订了风电发展计划和目标，将2 0 10 年风电装机容量目标提高到了 8 0g w 。 2 0 0 6 年，欧洲新增发电装机容量中，风电的增长比例超过了核电、水电和 煤电，仅次于天然气发电，占全部新增发电装机容量的3 0 。目前，德国风电 装机容量和发电量占该国总发电装机容量和发电量的比例分别为l7 和7 ， 双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究 西班牙为15 和6 。到2 0 0 7 年底，在世界风电装机容量前10 名的国家中， 欧盟成员国占了7 个。另外，2 0 0 8 年美国风电新增装机容量8 3 5x 1 0 6k w ，总 装机容量达到2 5 2 x 1 0 7k w ，超过德国成为全球风电装机量最大国家。 1 1 2 我国风力发电特点 我国的风力资源丰富【5 】，在现有的五大风电大国中，中国的风力资源量接 近于美国，大大超过印度、德国和西班牙。我国离地面10 米高度的陆地和海 上风能技术可开发量总计约10 亿千瓦，其中陆地可开发风能资源容量为2 5 3 亿千瓦。海上风能资源量则更大，近海风能资源约为7 5 亿千瓦。 目前我国风电装机2 5 0 0 多万千瓦，开发程度不足3 ，未来我国电力需求 仍将保持快速增长，为风电发展提供了广阔的市场空间1 6 】，风电开发潜力依然 巨大，可以预计，我国风电装机容量在未来仍将快速增长，我国将规划建设七 个万兆瓦级风电基地，分布在哈密，酒泉，蒙西，蒙东，吉林，河北，江苏沿 海等地。预计2 0 l5 年，风电并网规模将超过9 0 0 0 万千瓦，2 0 2 0 可达到1 5 亿 千瓦，年均新增风电装机超过千万千瓦，到2 0 3 0 年将达2 7 千瓦。 但是，我国的风能资源却分布不均衡，风能主要集中于西北，东北等地， 而当地对风电的消纳规模很有限。这种与负荷中心呈逆向分布的特点 7 - 8 】，对 风能的大规模利用带来了不利影响，必须通过远距离输电，增加开发规模。研 究表明，如果仅考虑本省内的风电消纳能力，2 0 2 0 年全国可开发的风电规模为 5 2 0 0 万千瓦；而通过跨区的电网互联，全国风电开发规模可增加5 3 0 0 万千瓦， 到2 0 2 0 年经济合理的风电开发规模为1 0 5 亿千瓦。 总体来看，我国风电发展目前主要面临以下困难： ( 1 ) 风电并网问题依然没有解决 在国家政策的鼓励下，我国风电产业快速发展1 9 1 1 0 】，2 0 10 年新增装机容量 1 2 0 0 万千瓦，居世界首位，全国总装机容量已达4 4 5 0 万千瓦。但高增长背后 的并网问题依然有待解决。目前，我国风电装机累计并网310 7 万千瓦，未并 网比例高达3 0 ，这一数字远高于1 0 的世界平均水平。2 0 1 0 年风电并网率 为7 3 ，比2 0 0 9 年降低了3 。大规模风电输入功率的波动性、间歇性及不可 准确预测性造成电力系统调度运行困难，且过度频繁地调度火电厂，会降低其 发电效率，电网公司缺乏大规模接纳风电的动力。 ( 2 ) 自主创新能力薄弱，缺乏具有自主知识产权的核心技术 目前整机厂商已有8 3 家，产能规模不断扩大，但在风机制造领域，大多 数风电企业是通过与国外联合开发，或者购买国外风机公司生产许可证的方式 发展起来的】。引进的机型也主要集中在1 0 1 5 m w ，目前2 0 3 0 m w 及以上 的大容量风机已成为欧美发达国家的主流机型，国外风机生产巨头在这方面依 2 硕士学位论文 旧保持技术垄断，国内企业从设计到制造依然没有完全摆脱引进、落后、再引 进、再落后的模式。 风电设备关键零部件生产和发达国家存在较大差距【1 2 13 1 ，不同环节自主创 新能力高低不一，不能支持完整的配套产业链。发达国家凭借技术优势和品牌 优势，一方面占据了国内大部分风电设备市场，另一方面将技术标准、知识产 权作为保持其技术垄断和竞争优势的重要手段。 十二五规划对未来以核能、风能、太阳能等为代表的新能源产业做出了全 面布局。从产业发展趋势的角度看，新能源已经代表了未来的第四次工业革命， 低碳将是人类社会从工业文明向生态文明过渡的一个重要标志。十二五规划中 对于新能源的扶植力度加大已是必然，给予风能等新兴产业的支持无疑将更 大。 1 2 风力发电技术研究现状 1 2 1 风电机组及控制技术 按照机组所采用的发电机类型，风电机组可以分为以下几种：普通异步风 力发电机；最优转差异步风力发电机；双馈式风力发电机，永磁直驱风力发电 机。前两种属于恒速同频技术，后两种采用的变速恒频技术，目前应用较为广 泛且较有发展前景的主要是双馈式和永磁直驱式。 普通异步风电机组采用的电机是笼型异步感应电机【1 4 】，风力机低速轴与高 速轴之间采用齿轮箱耦合，电机定子侧安装并联电容器组进行无功补偿。这种 风电机组的发电机本身不存在控制功能，只能在很小的转差范围内运行，运行 范围窄，不能有效利用风能，这种风电技术称作恒速恒频技术。 最优转差异步风电机组采用的是绕线式异步感应电机【1 5 】，但转子侧通过变 频器串连电阻，通过对变频器的控制，可在一定范围内改变转子侧电阻大小， 从而达到转速调节的作用，但缺点是调节范围依然有限，转差变化范围较小， 这种电机依旧属于恒速恒频技术范畴。 双馈电机采用绕线式异步感应电机，定子侧直接交流接入电网，转子通过 功率变频器馈入电网。相比恒速恒频机组，双馈电机采用部分功率变频器控制 技术，可实现电机有功和无功的解耦控制【1 6 】，运行于各种转差下，实现最大风 能追踪。风速较小时，发电机处于亚同步运行状态，转子侧控制系统将控制转 子侧变频器向转子提供正序交流励磁，并通过对转子电流频率的控制，使定、 转子旋转磁动势在空间保持相对静止，此时，转子侧从电网吸收有功功率。当 风速较高，发电机处于超同步运行状态，转子侧变频器将提供负序交流励磁， 同样使定、转子旋转磁动势相对静止。此时，转子通过变频器向电网输出有功 3 双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究 功率。 与常规恒速恒频风力发电系统相比，交流励磁双馈感应电机具有变速恒频 运行，实现有功、无功功率d q 解耦控制，降低机械应力和噪声，以及改善电 能质量等优点，并且相对于永磁直驱的全额定功率变流器，d f i g 的变流器功 率为风机额定功率的2 5 到3 0 ，具有变频器投资低、功率损耗低的优点，因 而获得了越来越多的应用，因而也是本文的研究重点。 目前，双馈电机设计的关键技术包括以下几个方面，大容量双馈式发电机 的电磁分析、性能效率优化设计，高压型双馈发电机的设计，转子绝缘可靠性 技术，电机结构优化及散热技术，电机参数和变流器参数的匹配。双馈电机控 制系统关键技术包括，网侧变流器的控制技术，转子侧变流器的控制技术，并 网控制技术；谐波抑制和滤波技术。 永磁直驱式风电机组一般采用永磁同步发电机【l7 1 ，由于极数一般多达l0 0 多极，因此可实现直接驱动，省掉齿轮箱，具有可靠性高的优点，但同时又由 于风力机与发电机直接耦合，发电机体积相对较大。另外，发电机通过全功率 变频器与电网相连，全功率变频器主要是将风电机组输出的频率变化的电能转 换为与工频电能，同时还可对发电机输出的有功功率和无功功率进行控制，由 于采用的全功率变频，因而成本也较高。 目前直驱式永磁发电机的研制及产业化中的关键技术包括以下几个方面， 稀土永磁电机磁路结构和设计计算，电机结构优化及散热技术，永磁材料抗去 磁能力及寿命稳定性检测技术，满功率发电机试验平台建设。控制系统关键技 术包括最大风能捕获技术；有功无功解藕控制技术；谐波抑制与滤波技术；并 网控制技术。 1 2 2 大型风电场对电力系统稳定性的影响 随着风力发电技术的进步，风电机组的容量不断增大，越来越多的大中型 电场相继建成并投入电网运行，风电接入容量所占的比例越来越大，传统同步 发电机所占比重的相对下降已经成为未来电力系统发展的一个大趋势。 更多的风电进入了更高电压等级的电网，风电所能影响的范围大大扩展， 风电场对电网的影响已从以往简单的局部电压波动、谐波污染等电能质量问题 发展到电网安全稳定、调频调峰、经济调度等方面，并网标准也越来越多地要 求风电场具有电压控制、无功调节、有功频率控制等传统火电机组所应有的功 能。 目前这方面的研究主要包含以下几个方面： ( 1 ) 大型风电场并网会改变系统原有的潮流及网损分布 这方面的研究集中于在电力系统潮流计算时以何种节点来处理风电场。文 4 硕士学位论文 献【18 】将稳态时的风电机视为p q 节点，根据给定风速算出机组发出的有功功 率，然后根据功率因数，即可算出机组发出的无功功率，但这种方法没有考虑 节点电压对机组无功功率的影响，因而不够精确，这一问题在文献【19 】中得到 完善。文献 2 0 提出风电场的r x 等效模型，此模型充分考虑了风力发电机的 输出功率特性，比其他模型完善，由于要进行常规潮流迭代计算和异步风力发 电机的滑差迭代计算，其总的迭代次数多，收敛速度慢。文献 2 1 则认为，在 含风电场电力系统潮流计算中，针对不同的的风力发电机组，计算方法应不同， 并指出，风电场对电力系统平衡节点的出力有了更高的要求，实际电网的调频 调峰工作任务会更重。 ( 2 ) 风电容量可信度研究 风力发电具有间歇性，时变性等特点，在电网看来，负荷的高峰期能充分 体现发电容量的价值，但风电场无法保证可靠的出力，因而只能提供能源，而 不能替代一定量的发电容量，因此风力发电是一种不可靠的发电形式。如何根 据风电自身特点评估系统的可靠性，分析风电容量的可信度【2 2 1 ，以便来安排发 电和运行计划也是研究的重点。容量可信度又称为有效容量，是电源可被信用 的容量，它可以用一个周期内发出的电能除以周期内小时数来评价，也可以通 过对比不同性质的电源对供电可靠性的影响来评估。文献 2 3 采用当系统的可 靠性指标给定时，将风电机组与常规机组在承载负荷能力方面的比例关系作为 衡量发电容量可信度。 ( 3 ) 大型风电场并网后将可能对系统电压稳定性的影响 在受到大的扰动时，出于自身保护需要，风电场将与系统解列，退出运行， 如果风电场容量较小，则退出运行通常不会对系统稳定性有明显影响，但当风 电场容量较大时，风电场的退出会导致系统出现较大功率缺额，不利于系统稳 定。 普通异步发电机组接入电网后，由于异步机励磁需要，必须从电网吸收滞 后的无功功率以产生旋转磁场，在发出有功功率的同时需要从系统吸收无功功 率，这必将恶化电网的功率因数，影响电网的电压稳定性【2 4 1 ，故障期间，还需 要吸收大量无功以恢复电压，这将导致接入风电地区电网电压稳定性降低，因 此，电网应并联适当容量的电容以补偿无功。文献 2 5 研究了用s t a t c o m 改善 基于定转速风电机组和基于转子电阻可调的绕线式发电机风电场的暂态电压 稳定性。分析了异步电机电压暂态稳定性的机理。 基于双馈感应电机则具有和普通异步发电机组不同的特点，由于采用的是 有功和无功的解耦控制，相比普通风电机组，双馈风电机组具有一定的无功调 节能力，可以按照系统运行方式的要求采用的不同控制目标，通过输出无功功 率的调整来对系统电压稳定性做出贡献【26 1 。 5 双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究 此外，电压跌落是电网最为常见的故障，风力发电技术领先的一些国家， 如丹麦、德国等国相继制定了新的电网运行准则，要求风电系统具有一定的低 电压穿越能力 2 7 2 9 】，当电网发生故障时能够保持并网，只有当电网电压低于 规定曲线以后才允许风电机组脱网。文献 3 0 分析了电网故障时双馈感应风力 发电机定、转子过电流的原因，提出了一种转子侧变流器低电压穿越的控制策 略，有效地控制住发电机定、转子过电流的情况，使发电机在电网故障时能够 不脱网继续运行。 ( 4 ) 大型风电场并网后对系统频率稳定性的影响 当电网频率降低时，普通异步风电机组的电磁转矩会有所增加，转速因而 相应降低，转子所储存的一部分旋转动能将会被释放到到电网，转子暂态响应 的这种特点类似于同步电机，与系统频率的耦合较强，对稳固系统频率起到了 积极作用。文献 31 】分别对普通异步发电机与双馈感应电机在电网频率下降时 的暂态响应进行了研究，认为系统频率下降时，双馈电机对系统频率的支持作 用远小于普通异步电机。 一般来讲，双馈电机的转子侧控制系统要始终保证转子转速运行于最大风 能追踪点，这种控制策略将导致转子转速与电网频率的解耦，电网频率变化时， 转子转速的变化量较小，无法提供像同步电机和普通异步机那样的频率响应， 对系统频率稳定性的贡献太小，文献 3 2 通过在d f i g 的控制系统中增加附加 的频率控制环节提高了双馈电机对系统短期频率稳定性的贡献。 由于风电出方具有随机性和间歇性的特点，其大规模接入对电网的备用容 量、抗冲击能力、故障自愈能力要求非常高。为了克服风电等可再生能源大规 模发展所带来的调峰问题，需要建设一定容量的调峰电源，满足系统安全稳定 运行要求，因此可加快抽水蓄能电站建设，在资源条件许可的地区建设一定规 模的燃气电站，可促进风电大规模发展。 另外可加强电网的智能化建设，满足风电接入和系统高效运行，风电智能 电网能够解决大规模清洁能源接入带来的电网安全稳定运行问题，同时能够使 接入系统的清洁能源充分发挥其发电能力，促进清洁能源的可持续开发和消 纳。 ( 5 ) 大型风电场对系统小干扰及阻尼特性的影响 电力系统低频振荡不是一个新现象，它最早出现在柴油发电机上，通过在 发电机转子上安装了阻尼绕组，基本上解决了这个问题，但现在的电力系统规 模不断扩大，大区之间互联，以及为了改善发电机电压稳定性而采用高增益的 励磁调节器，这些因素都使系统阻尼变弱【33 】的趋势，威胁系统的正常运行，例 如美国西部联合电力系统，曾经在一段时间内，时常被低频振荡现象所困扰。 我国的很多跨区联网工程实施过程中，都遇到了区域间弱阻尼或负阻尼低 6 硕士学位论文 频振荡的现象，其严重性甚至超过暂态稳定性，成为系统安全稳定运行的主要 障碍。例如华中和华东间的5 0 0 k v 直流线连接，华北至东北，川渝至华中， 华北至华中大区互联在联网初期都采用单回5 0 0 k v 交流弱连方式等。 以往风电场容量较小且分布分散，一般被看作分布式发电的范畴，风电场 的运行不会对系统稳定性和安全造成太大影响，但近年来，随着风电技术的进 步和国家对风电的大力支持，风电的装机容量在系统中所占比重必将逐步增 加，然而，我国的风力分布不均匀，西北，东北等地风能资源丰富，但当地电 网无法消纳大量风能，而负荷重心却在东南，我国的风能分布和负荷中心呈现 高度逆向分布的特点，风电并网问题一直没有得到很好解决，我国现阶段风电 发展呈现大规模集中开发，远距离外送消纳的特点，随着特高压电压的建设以 及大区互联的发展，大规模的风电必将接入高电压等级电网，这种长距离，大 容量的风电输送会给系统阻尼特性带来哪些新的特点需要研究。 文献 3 4 1 通过对含有大容量高比例风力发电的实际电网的计算分析表明， 普通异步风电场的运行状态对电网的低频振荡模式和振荡特性有一定影响，认 为随着风电比例的增大，系统内增加了与风电场强相关的振荡模式，但这些振 荡模式具有较好的阻尼特性；文献 3 5 对挪威电网接入不同容量的风电进行了 系统阻尼分析，风电场分别考虑采用普通异步机、双馈感应电机和直驱同步发 电机。分析结果表明，风电场接人容量较小时不会对系统阻尼产生影响，风电 场接入容量较大时普通异步机的风电机组能够增强系统阻尼，而双馈变速风电 机组则明显降低了系统阻尼。文献【3 6 】则通过控制异步风电机组桨距角达到抑 制区域间功率振荡的目的。 现在普遍采用李雅普诺夫线性化方法来研究系统小干扰问题性，通过在系 统平衡点附近的线性化，将复杂的非线性问题转化为一个局部的线性问题来研 究，可以看出，小干扰稳定性研究的是电力系统的局部特性，其理论基础是干 扰应足够小。系统运行时不可避免地会受到各种小扰动，小扰动后各电气量会 产生包含各频率分量的周期性振荡，这可能最终导致两种结果，一种是各电气 量随着时间的推移，振荡趋于平息，最终回到平衡点稳定运行，这样的系统是 稳定的；另一种结果是，无论初始干扰如何小，各电气量的振荡随着时间的推 移而无限加大，这时系统是不稳定的。如果电气量持续等幅振荡，则系统处于 临界状态，处于稳定极限，对于实际的电力系统来说，这种运行状态同样是我 们不希望的。 关于双馈电机对小干扰稳定和阻尼特性影响方面的研究需要建立双馈电 机的线性化模型，但多数文献 3 7 - 3 8 】在建立线性化模型时都忽略了转子侧控制 系统动态，或者风机轴系模型采用单质量块模型的简化处理，而研究表明，双 馈电机的转子控制系统动态和轴系模型对其小干扰稳定性有至关重要的影响。 双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究 1 3 本文的研究工作 ( 1 ) 分别对双馈电机的转子侧控制系统，网侧控制系统，风力机轴系模型， 桨距角控制系统的动态特性进行了分析研究，给出了描述各部分暂态行为的微 分方程，并在此基础上，通过对各部分微分方程的线性化，建立起双馈电机用 于小干扰稳定性和阻尼特性分析的完整线性化模型。 ( 2 ) 以单机无穷大系统为例，通过对双馈电机线性化状态方程的特征值和 参与因子计算，分析研究了双馈电机在扰动时对系统振荡模态及阻尼特性的影 响及各振荡模态产生机理。 ( 3 ) 通过对转子侧励磁系统幅频和相频特性的分析，在转子侧控制系统中 引入电力系统稳定器环节，使系统扰动时，双馈电机能够提供额外的阻尼来削 弱振荡，并通过特征根和多机系统时域仿真来验证该方法的有效性，验证表明， 引入的p s s 环节能够改善系统阻尼，提高稳定性。 8 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章双馈电机的基本原理 早期的风力发电机多为普通异步发电机，采用恒速恒频技术，发电机转速 基本保持不变，这样的风电机组自身控制能力弱，只能在很小的转差范围内运 行，运行范围窄，不能有效利用风能。 双馈电机采用p q 解耦的变速恒频技术，发电机定子输出有功功率，转子 则可通过变频器与电网进行能量的双向交换，根据风速的大小，吸收或输出有 功功率，能够运行在较宽的转速范围实现最大风能追踪，风能转换效率高，同 时由于控制灵活，投资小，使用越来越广泛。 当双馈电机在系统容量中所占比重较大时，其对系统暂态稳定性的影响需 要研究，这方面的研究必须建立反映双馈电机动态的数学模型 3 9 4 1 】。本章将 介绍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 详细阐述，为后续章节做铺垫。 2 2 双馈电机的电压、磁链方程 2 2 1 变速恒频原理 双馈电机示意图如图2 1 所示，定子直接与电网相连，转子则通过变频器 与电网相连。任何电机进行稳定的机电能量转换的充要条件是：定子和转子旋 转磁动势在空间中保持相对静止。设定子旋转磁场旋转速度为，转子转速为 ，z ，转子磁场相对与转子的转速为g s ，则应有如下关系： = 1 2 + 式( 2 1 ) 两边同乘以彘，可以得到： 石= 等+ 六 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 图2 1 双馈电机示意图 其中，p 为电机极对数，石为定子电流频率，z 为转子电流频率，稳定运 9 双馈电机电力系统稳定器改善系统阻尼的研究 转子转速疗：必然要相应变化，由上式可以看出，当丹：变化时，欲维持石不变， 2 2 2a b c 坐标系下的电压和磁链方程 定子和转子均取电动机惯例，设定子各相端电压瞬时值分别为u ，u c ， 定子电流为，i c ，定子磁链为y 彳，y 口，l f ，c ；转子各相端电压分别为u 。， u 6 ，u 。，转子电流为i o ，毛，t ，转子磁链为y 。，y 。 小阱圈 3 ， 昏水i i 4 ， 设定子各相自感分别为l a ，l n ，岛，则l a = 厶= k = 厶。+ 厶，厶。为定子 绕组漏电感，l r t l $ 为定子绕组自电感， 定子各相间互感满足 m 船= m 4 c = m 朋=