FACTS对提高风力发电及电力网综合性能的研究

论文摘要

本文针对FACTS设备的设计及其在风力发电系统,主要在异步风力发电系统中的应用进行研究。从原理、算法、参数设计及EMTP仿真验证等几个方面进行研究,所做主要工作如下:(1)设计一种动态无功调节变流器,阐述其原理、控制规律、参数设计及性能。基于变流器两侧的功率传输原理,对控制算法的各个部分进行说明和设计,最终给出整体控制算法,并对算法效果进行了验证。用能量守恒原理的直流侧电压控制方法设计了三相动态无功补偿器,对于系统三相不对称的情况,提取三相不对称电流的基波负序分量,对动态无功补偿器的算法进行了负序分量校正。而对于三相谐波负荷的情况,通过对稳定谐波源进行谐波分析,提取其特征谐波进行补偿,即可起到同时补偿无功和谐波的作用。该方法具有较大工程实际意义。对于单相及三相系统在调节无功和补偿谐波方面具有一定的灵活性。(2)为在频率变化的情况下,仍能有效锁定频率并得到实时相位信息作为计算及变换的基准,分析了三相锁相环的原理、基本性能及误差特性,从理论和仿真两方面上分析了各种输入情况下对锁相环输出的影响。对其三相输入信号存在直流偏移、不对称、谐波等干扰情况对三相PLL检测相位误差的影响进行了公式推导,分析了谐波的含量并进行仿真验证,并对相位突变和频率突变的情况进行了仿真研究。(3)以动态无功补偿的变流器作为定桨恒频风电机组的新型励磁调节器,对该风力发电机系统进行仿真。在不同风速情况下对该系统进行了仿真分析,并与固定电容容量的无功补偿效果进行了比较,可得到稳定显著的补偿效果,补偿后系统电压与电流几乎同相且不会随风速的波动发生变化,动态补偿效果好,同时验证了第二章所设计算法的可靠性。(4)针对异步风力发电机,提出一种针对定桨恒频风力发电机组变速运行系统,并对其接线形式、运行方式及协调控制进行了讨论,并给出了仿真结果。采用了变频检测原理,保证补偿器输出频率与笼型异步发电机频率同步,补偿器用来调节发电机励磁所需的无功功率;控制输出的电压稳定或经过整流桥后能使其直流侧电压稳定,发电机有功功率直接输出至交流负载。由于变流器只提供无功功率,与负载相连的变流器只传送有功功率,因此容量比采用双PWM时的整流器容量小。(5)对异步风力发电系统的轴系机械部分、异步发电机及其他元件进行建模,对参数进行了等效和计算。对风力机与电气系统的相互振荡情况进行了前期研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 FACTS 和风力发电技术的发展及现状
• 1.1.1 FACTS 技术的兴起及发展
• 1.1.2 风力发电技术的发展
• 1.2 风力发电技术的类型、模型及优缺点
• 1.2.1 风力发电技术的类型
• 1.2.2 风力机的数学模型
• 1.2.3 主流风力发电技术的优缺点
• 1.2.4 风力发电技术的其他主流机型
• 1.3 风力发电并网技术
• 1.3.1 风力发电并网方式
• 1.3.2 离网型风力发电简介
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 定桨恒频风力机组的新型励磁调节器
• 2.1 定桨恒频风电机组的新型励磁调节原理
• 2.2 动态无功调节原理
• 2.2.1 基于功率传输的单相无功调节原理
• 2.2.2 直流侧电压控制
• 2.2.3 单相锁相环
• 2.2.4 励磁无功调节
• 2.2.5 滞环电流比较
• 2.2.6 总控制算法结构
• 2.3 三相补偿的不平衡及谐波补偿算法
• 2.3.1 基于负序分量与特征谐波补偿的三相补偿器
• 2.3.2 数值仿真结果
• 2.4 可变频率的三相锁相环
• 2.4.1 序分量校正原理
• 2.4.2 可变频率的锁相环
• 2.4.3 三相数字锁相环的基本性能分析
• 2.4.4 三相锁相环的误差分析
• 2.4.5 仿真研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 定桨恒频风力发电机组的无功-电压特性的改善及变速运行系统
• 3.1 新型励磁调节器对含定桨恒频风电机组的电力网无功-电压特性的改善
• 3.1.1 含定桨恒频风电机组的电力网无功-电压特性
• 3.1.2 含新型励磁调节器的定桨恒频风电机组的仿真
• 3.2 可控制定桨风电机组的变速变频运行系统
• 3.2.1 风电机组的接线形式
• 3.2.2 风电机组的运行方式
• 3.2.3 系统协调控制与保护
• 3.2.4 直流侧电压协调控制
• 3.2.5 最大功率获取
• 3.2.6 系统仿真分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 异步风力发电机与电网的机电振荡研究
• 4.1 风力发电系统介绍
• 4.1.1 风力发电机组的结构
• 4.1.2 叶片振动的机理及等效
• 4.1.3 风力发电机组的轴损坏
• 4.2 动态建模
• 4.2.1 机械轴系模型
• 4.2.2 异步发电机动态模型
• 4.2.3 其他元件动态建模
• 4.3 频率计算
• 4.4 谐振的抑制措施
• 4.4.1 谐振滤波器
• 4.4.2 阻尼控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表或录用的论文