双馈风电场有功恢复控制对系统暂态稳定的影响机理及控制策略

发布时间：2020-11-11 17:27

　　 目前以中国为首的全球风电行业发展迅猛,大量风力发电机并入电网。在中国,双馈感应式风力发电机(double-fed inductiongenerator,DFIG)作为风电市场主导机型在实际工程中以大规模风电场的形式得到了广泛地应用。在电网故障情况下,双馈风电场中风机具有不同于同步发电机的暂态运行与调控特性。其中,对于有功暂态行为与控制,我国《风电场接入电力系统技术规定》做出相关要求:自事故清除时刻开始,未被切除风电场有功应以10%额定功率/秒或以上的速率恢复至故障前的值。当大规模双馈风电场接入电网后,其故障后有功功率因恢复行为可能在暂态功角首摆过程结束后仍持续改变系统中同步发电机的电磁功率,进而严重影响其转子角运动轨迹,形成复杂的失稳现象。这对现代电力系统的安全稳定运行提出新的挑战。因此,开展双馈风电场对暂态稳定影响机理及控制策略研究具有重要理论与实际意义。本文从我国《风电场接入电力系统技术规定》以及风电场实测数据出发,结合双馈风机控制及风电场暂态模型,深入探究系统侧故障清除后期间双馈风电场有功控制(下文简称故障后双馈风电场有功控制)特别是有功恢复控制对暂态功角失稳的影响,揭示相应的暂态功角失稳模式,并提出两种改善控制策略。主要研究内容归纳如下:介绍双馈风力发电机控制与暂态特性,详细说明电力系统暂态功角稳定问题与双馈风机暂态特性的关系。基于此,阐述暂态功角稳定分析中双馈风力发电机建模的两个主要方式(机理建模与非机理建模)以及它们的适用性。最后,给出适合本文暂态功角失稳分析的双馈风力发电机和风电场暂态模型。同时,为后续研究中双馈风电场利用方式提供理论依据。揭示故障后双馈风电场有功控制对暂态功角前两摆失稳影响机理。利用扩展等面积定则与双馈风电场暂态模型,构建适合分析含双馈风电多机系统暂态功角稳定性的等值单机无穷大(one machine infinite bus,OMIB)系统模型;利用该模型对双馈风电场与两台同步机互联的简化系统进行分析,揭示故障后风电场有功出力低会增加第二摆失稳可能性;进一步分析风电并网系统中功角第二摆失稳与首摆失稳的关系,从整体上揭示风电场有功恢复速率变慢会使原本只有可能出现首摆失稳的系统有可能发生首摆不失稳而第二摆失稳的现象,并最终导致系统整体稳定性下降的影响机理;最后通过数值仿真对机理分析进行验证。所做研究拓展了当前风电并网后只关注首摆失稳的暂态功角稳定性分析方法。进一步拓展失稳问题研究,揭示双馈风电场有功恢复控制对系统暂态功角全过程失稳影响机理。基于各摆次失稳现象及其它们之间的关系,揭示双馈风电场有功恢复控制对系统暂态功角首摆以及多摆失稳的影响。研究表明,双馈风电场有功恢复控制加剧了首摆与奇数多摆的失稳可能性,同时削弱了偶数多摆的失稳可能性。进一步分析双馈风电场有功恢复速率对系统暂态功角失稳的影响,并提出相应的暂态功角失稳模式。当大规模双馈风电场有功恢复速率因不同控制策略被设置为从快到慢等不同速率值时(假设在每种控制策略下恢复速率恒定),在相应顺序场景下,系统会出现三种失稳模式(其临界失稳分别为首摆失稳、奇数多摆失稳以及第二摆失稳)。最后通过数值仿真对所揭示机理进行验证。研究成果进一步拓展了风电并网系统的暂态功角稳定性分析范围,为制定考虑系统暂态功角全过程失稳的风电场暂稳控制策略提供了理论支撑。针对风电并网系统暂态功角失稳新问题,提出改善系统暂态功角全过程稳定性的双馈风电场有功控制策略。利用双馈风电场对暂态功角失稳影响机理,提出改善系统暂态功角全过程稳定性的双馈风电场有功控制原则。控制周期被设计为3个阶段,风电场有功恢复速率建议在第1阶段尽量大,在第2阶段尽量小。此外,在第3阶段中,应调整其大小以维持系统故障后稳定状态。为满足实际工程应用需求,采用“在线预算”和“实时匹配”方案,提出故障后双馈风电场有功功率控制策略,对控制策略步骤和详细参数计算进行说明。最后通过数值仿真验证所提出的控制策略的有效性与全面性。所提原则能为制定双馈风电场暂稳控制策略提供更直接清晰的指导和参考,所提策略具有良好的实际工程应用潜力。进一步优化暂稳控制方案,通过协调控制同步机切机和故障后双馈风电场有功功率,提出可以提高暂态功角稳定性与控制成本经济效益的双馈风电并网系统暂态稳定协调控制策略。分析各协调控制量对系统暂态功角各摆次稳定性的作用,提出双馈风电并网系统暂态稳定协调控制原则。双馈风电场控制周期被设计为6个阶段,给出每个阶段故障后有功功率建议值,以改善系统前五摆稳定性以及维持故障后稳定状态。为了减少同步机切机量,仅当风电场控制效果不足时,同步机才会切机以避免失稳。为满足实际工程应用需求,采用“在线预算”和“实时匹配”方案,提出暂态稳定协调控制策略,对控制策略步骤和详细参数计算进行说明。最后在三种不同故障严重条件下进行仿真验证。结果显示,与传统双馈风电场控制或同步机切机控制相比,协调控制具有更好的功角稳定性改善效果和更低的控制成本(更少的同步机切机量)。所提原则能为双馈风电并网系统暂稳控制策略提供更直接清晰的指导和参考,所提策略具有良好的实际工程应用潜力。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM614;TM712
【部分图文】：

纪九十年代以来，以风力发电为代表的新能源发电技术在全球范围内得到了突??飞猛进的发展［３，４］。依据全球风能理事会（Ｇｌｏｂａｌ?Ｗｉｎｄ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｃｏｕｎｃｉｌ，ＧＷＥＣ）??发布的２０１７年全球风电发展报告［５］，图１－１展示出２００８年至２０１７年全球每年??新增及累计风电装机容量。??６０００００????■新增装机容量?５３９１２３??５〇〇〇〇〇?■累计装机容置?４８７２７９??４３２６８０??＾?４０００００?３６９８６２??Ｓ?３１８６９７??＾?３０００００?２８２８５０??１?００?００?，２〇．?ｆ?｜?１?Ｉ?｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??￣?２６?ｊ?３８￡｜?３￡｜?４〇１｜３￡｜?３６．３｜．｜｜?１１＾１＾１??２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７?年份??图１－１全球每年新增及累计风电装机容量??Ｆｉｇ．?１－１?Ｇｌｏｂａｌ?ａｎｎｕａｌ?ａｎｄ?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｙ??对于全球各国来说，目前中国仍是风电发展的领头羊，紧随其后的是美国、??德国、印度、西班牙等国家。截止至２０１７年底，全球累计风电装机容量前十名??的国家及其数据如图１－２所示。值得一提的是，其中中国累计风电装机容量达??到１８８３９２ＭＷ，占全球累计风电容量总量的３５％。此外，前十名国家累计风电??装机容量的总和为４５６７３２ＭＷ，占全球累计风电总装机容量的８５％。??总的来说，由于风力发电具有成熟的技术与商业利用价值，已被世界各国??当作替代化石能源的有效供能手段

占比１０％?占比１７％??图１－２截至２０１７年底全球累计风电装机容量前十名的国家??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｏｐ?１０?ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ９?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｙ?ａｔ?Ｄｅｃ?２０１７??中国风电产业虽起步较晚，但自２００４年起发展迅猛。随着累计风电装机容??量的日益扩大，我国于２０１０年底首次超过美国，跃居成为全球第一的风电装机??大国。截止至２０１７年底，我国累计风电容量己经是第二名美国的２倍。依据中??国可再生能源学会风能专业委员会的统计数据［６］，我国（除港、澳、台地区外）??２００８年至２０１７年新增及累计风电容量如图１－３所示。??２０００００?ｉｏｏ－３ｑｎ??１８００００?■?－ｍ??１?■累计装机容量?ｌ３０??１６００００??１?丨４５３６０??＿?１４００００??｜?１２００００?１Ｈ６１０??ｇ?１０００００?９１４１０??＾?８００００?７５３２〇??＊?—?—？＿■■■■■??：：Ｉ２￡｜?＾ｏｌｌｌ３ｌ｜ｌ｜＾ｌｌ??２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７?年份??图１－３中国每年新增及累计装机风电容量??Ｆｉｇ．?１－３?Ａｎｎｕａｌ?ａｎｄ?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｙ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ??２〇〇８年至２０１０年，全国每年新增风电容量呈稳健增长态势。虽然在２０１１??年２０１３年新增速率较缓慢

对控制策略步骤和详细参数计算进行说明。最后通过数值仿真验证所提出的控??制策略的有效性。??论文总体框架如图１－４所示。??双馈风电场有功恢复控制对系统暂态??稳定的影响机理及控制策略????１???影响机理?控制策略??Ｉ?Ｉ—?Ｉ?一＾＝＾??第３章?第４章?第５章?第６章??故陣：后双馈风电场有功?双馈风电场有功恢复控?改善系统暂态功角全?双馈风电并网系??控制对暂态功角前两摆?制对系统暂态功角全过?过程稳定性的双馈风?统暂态稳定协调??失稳影响机理?程失稳影响机理?电场有功控制策略?控制策略??图１－４论文研宄内容的整体框架??Ｆｉｇ．?１－４?Ｇｅｎｅｒａｌ?ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｉｓ?ｐａｐｅｒ??以“了解新事物，初探新问题，进一步探究新问题，提出解决方案，进一??步优化解决方案”这种递进式科学研究思路，对论文各章节内容安排如下：??第２章：介绍双馈风电发电机控制，给出双馈风电发电机与风电场暂态模??型。??第３章：建立含双馈风电多机系统的暂态稳定性分析模型，揭示故障后双??馈风电场有功控制对暂态功角前两摆失稳影响机理。??第４章：进一步拓展第３章失稳问题研究，揭示双馈风电场有功恢复控制??对系统暂态功角全过程失稳影响机理。??第５章：根据第４章暂态失稳问题的研究成果，提出改善系统暂态功角全??过程稳定性的双馈风电场有功控制策略。??第６章：通过协调控制同步机切机和双馈风电场有功功率，提出可以同时??提高各摆次稳定性与控制成本经济效益的双馈风电并网系统暂态稳定协
【参考文献】

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本文编号：2879505