為了應(yīng)對(duì)國(guó)家能源安全、環(huán)境保護(hù)以及國(guó)際氣候變化的需要,我國(guó)風(fēng)力發(fā)電正取得快速發(fā)展。尤其在我國(guó)“三北”(華北、東北和西北)地區(qū),風(fēng)力發(fā)電的滲透率已達(dá)到較高水平,并逐步成為主要電源之一。風(fēng)電機(jī)組作為典型的電力電子變換裝備,其不同于傳統(tǒng)同步機(jī)組的裝備特性為風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了眾多新的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題。其中,與裝備直流電容間的能量交換和積累密切相關(guān)的新型動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題,本文稱之為直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題。針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中由風(fēng)電機(jī)組直流電容和相關(guān)控制所主導(dǎo)的直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題,在小擾動(dòng)穩(wěn)定方面,目前的研究主要集中在單機(jī)場(chǎng)景;而在暫態(tài)穩(wěn)定方面,少有的研究?jī)H考慮了某一特定的控制環(huán)路。為了將以上穩(wěn)定分析工作擴(kuò)展到風(fēng)電機(jī)組的多機(jī)場(chǎng)景與完整控制結(jié)構(gòu),本文從力學(xué)等效視角出發(fā),運(yùn)用幅相運(yùn)動(dòng)方程的建模方法在小擾動(dòng)和暫態(tài)條件下分別建立了專門用于描述風(fēng)電機(jī)組直流電壓控制尺度外特性的幅相運(yùn)動(dòng)方程小擾動(dòng)和暫態(tài)模型。并基于以上模型,分別在典型風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動(dòng)和暫態(tài)穩(wěn)定性分析中進(jìn)行了有效應(yīng)用。具體內(nèi)容包括:(1)介紹了風(fēng)電機(jī)組主流機(jī)型(即直驅(qū)和雙饋風(fēng)機(jī))的序貫控制特點(diǎn),并根據(jù)儲(chǔ)能元件及相應(yīng)控制器的響應(yīng)速度,將風(fēng)機(jī)裝備特性在時(shí)間尺度上劃分為交流電流控制尺度、直流電壓控制尺度(約0.1s量級(jí))和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制尺度三類。據(jù)此,引出風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題,并討論了其與風(fēng)機(jī)多時(shí)間尺度裝備特性間的關(guān)系,指出認(rèn)識(shí)風(fēng)機(jī)裝備特性(即風(fēng)機(jī)建模)是分析風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題的基礎(chǔ)。重點(diǎn)圍繞風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題,詳細(xì)闡述了其內(nèi)涵與挑戰(zhàn)。(2)為了考慮多機(jī)間的直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)相互作用,尤其是在弱電網(wǎng)環(huán)境,運(yùn)用幅相運(yùn)動(dòng)方程的建模方法分別建立了描述直驅(qū)和雙饋風(fēng)機(jī)直流電壓控制尺度外特性的幅相運(yùn)動(dòng)方程小擾動(dòng)模型。首先,詮釋了幅相運(yùn)動(dòng)方程建模方法的基本概念與思路。然后,通過綜合考慮風(fēng)機(jī)在直流電壓控制尺度下的復(fù)雜控制作用,建立了其以內(nèi)電勢(shì)不平衡有功、無功功率作為輸入,內(nèi)電勢(shì)相位、幅值作為輸出的小信號(hào)運(yùn)動(dòng)方程模型。該模型可清晰反映風(fēng)機(jī)在直流電壓控制尺度下的動(dòng)力學(xué)特性(如等效慣量和阻尼系數(shù)等),且僅與風(fēng)機(jī)自身參數(shù)相關(guān),獨(dú)立于外部電網(wǎng),可方便擴(kuò)展到多機(jī)系統(tǒng)的建模。最后,解釋了風(fēng)機(jī)直流電壓控制尺度幅相運(yùn)動(dòng)方程小擾動(dòng)模型的物理含義,并通過對(duì)比其與原始詳細(xì)模型的特征根,驗(yàn)證了所建模型的正確性和適用性。(3)介紹了基于自穩(wěn)和致穩(wěn)概念來分析不同對(duì)象間動(dòng)態(tài)相互作用及其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的一般化思路。運(yùn)用該思路和所建立的風(fēng)機(jī)幅相運(yùn)動(dòng)方程小擾動(dòng)模型,分別分析了單風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)、多風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)經(jīng)直流輸電并網(wǎng)系統(tǒng)中,風(fēng)機(jī)內(nèi)電勢(shì)相位與幅值運(yùn)動(dòng)間、不同風(fēng)機(jī)間和風(fēng)機(jī)與直流輸電間的直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)相互作用,及其不同因素對(duì)各自系統(tǒng)直流電壓控制尺度小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。其中,以單風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的分析為基礎(chǔ),詳細(xì)介紹了將多機(jī)系統(tǒng)分析等效轉(zhuǎn)化為等值單機(jī)系統(tǒng)分析的步驟與方法。該方法不局限于本文所應(yīng)用的風(fēng)電并網(wǎng)場(chǎng)景,對(duì)其他類型電力電子變換裝備(如光伏發(fā)電、FACTS裝置等)的多機(jī)并網(wǎng)場(chǎng)景也同樣適用。(4)計(jì)及風(fēng)機(jī)在直流電壓控制尺度下的完整控制結(jié)構(gòu),并保留其非線性環(huán)節(jié),分別建立了專門描述直驅(qū)和雙饋風(fēng)機(jī)直流電壓控制尺度暫態(tài)特性的幅相運(yùn)動(dòng)方程暫態(tài)模型。該模型刻畫了風(fēng)機(jī)內(nèi)電勢(shì)有功、無功功率和內(nèi)電勢(shì)相位、幅值間的輸入輸出動(dòng)態(tài)關(guān)系,可幫助電氣工程師像理解熟悉的同步機(jī)一樣來理解風(fēng)機(jī)的直流電壓控制尺度暫態(tài)特性。通過對(duì)比不同類型擾動(dòng)下風(fēng)機(jī)幅相運(yùn)動(dòng)方程暫態(tài)模型與原始詳細(xì)模型的時(shí)域仿真波形,驗(yàn)證了所建模型的正確性。在幅相運(yùn)動(dòng)方程視角下,歸納總結(jié)了風(fēng)機(jī)暫態(tài)模型不同于同步機(jī)經(jīng)典模型的高階、不對(duì)稱和耦合特征。并在以上不同特征基礎(chǔ)上,具體分析了風(fēng)機(jī)內(nèi)電勢(shì)狀態(tài)對(duì)不同功率擾動(dòng)的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性。同時(shí),討論了風(fēng)機(jī)開環(huán)暫態(tài)特性在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)閉環(huán)暫態(tài)分析中的意義。(5)在不同風(fēng)電并網(wǎng)場(chǎng)景中,發(fā)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)內(nèi)電勢(shì)相位在直流電壓控制尺度暫態(tài)過程中可能出現(xiàn)類似于同步機(jī)暫態(tài)功角失步的單調(diào)失穩(wěn)現(xiàn)象�；谒⒌娘L(fēng)機(jī)幅相運(yùn)動(dòng)方程暫態(tài)模型,并通過引入“動(dòng)態(tài)齒輪箱”的概念來抽象理解其相位運(yùn)動(dòng),揭示了以上單調(diào)失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理,即當(dāng)內(nèi)電勢(shì)相位仍在增長(zhǎng)時(shí),風(fēng)機(jī)輸出功率P與輸入功率P_(in)間的關(guān)系從對(duì)相位運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)作用(PP_(in))反而又重新轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)相位運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)作用(PP_(in))。借鑒EEAC理論,給出了基于受擾軌跡衡量風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定程度或失穩(wěn)程度的方法。該方法可一定程度量化不同因素對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響程度。據(jù)此,分別分析了交流電網(wǎng)強(qiáng)度和風(fēng)機(jī)各控制參數(shù)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度暫態(tài)穩(wěn)定性的影響規(guī)律,并基于機(jī)理認(rèn)識(shí)對(duì)分析結(jié)果的合理性作出了物理解釋。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM315
【文章目錄】：
摘要
Abstract
變量和符號(hào)索引
1 緒論
    1.1 課題研究背景
        1.1.1 我國(guó)能源與環(huán)境問題
        1.1.2 風(fēng)力發(fā)電大力發(fā)展
    1.2 課題研究的問題
        1.2.1 風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題
        1.2.2 風(fēng)電機(jī)組的建模是分析系統(tǒng)直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題的基礎(chǔ)
    1.3 課題研究現(xiàn)狀
        1.3.1 風(fēng)電機(jī)組的小擾動(dòng)建模
        1.3.2 風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)建模
        1.3.3 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析
        1.3.4 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析
    1.4 本文研究思路與各章節(jié)安排
        1.4.1 研究思路
        1.4.2 文章架構(gòu)
2 風(fēng)電機(jī)組的多時(shí)間尺度特征與風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題
    2.1 引言
    2.2 風(fēng)電機(jī)組的典型控制系統(tǒng)
        2.2.1 風(fēng)力機(jī)控制
        2.2.2 機(jī)側(cè)變換器控制
        2.2.3 網(wǎng)側(cè)變換器控制
        2.2.4 硬件保護(hù)電路
    2.3 風(fēng)電機(jī)組的多時(shí)間尺度特征
    2.4 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題
        2.4.1 電力系統(tǒng)裝備動(dòng)態(tài)特性與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題間的關(guān)系
        2.4.2 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題
        2.4.3 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題的內(nèi)涵與挑戰(zhàn)
    2.5 本章小結(jié)
3 風(fēng)電機(jī)組直流電壓控制尺度的幅相運(yùn)動(dòng)方程小擾動(dòng)建模
    3.1 引言
    3.2 幅相運(yùn)動(dòng)方程的建模思路
        3.2.1 內(nèi)電勢(shì)：描述裝備特性的統(tǒng)一視角
        3.2.2 運(yùn)動(dòng)方程的基本概念
        3.2.3 內(nèi)電勢(shì)幅相運(yùn)動(dòng)方程的建模方法
    3.3 直驅(qū)風(fēng)機(jī)基于幅相運(yùn)動(dòng)方程的直流電壓控制尺度小擾動(dòng)建模
        3.3.1 直驅(qū)風(fēng)機(jī)直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)的小擾動(dòng)線性化處理
        3.3.2 端電壓信息的檢測(cè)等效替換為直接感受輸出功率的變化
        3.3.3 直驅(qū)風(fēng)機(jī)不計(jì)相位-幅值支路內(nèi)部耦合的相位運(yùn)動(dòng)方程
        3.3.4 直驅(qū)風(fēng)機(jī)不計(jì)相位-幅值支路內(nèi)部耦合的幅值運(yùn)動(dòng)方程
        3.3.5 直驅(qū)風(fēng)機(jī)計(jì)及相位-幅值支路內(nèi)部耦合的幅相運(yùn)動(dòng)方程模型
    3.4 雙饋風(fēng)機(jī)基于幅相運(yùn)動(dòng)方程的直流電壓控制尺度小擾動(dòng)建模
        3.4.1 雙饋風(fēng)機(jī)直流電壓控制尺度等效內(nèi)電勢(shì)的定義
        3.4.2 雙饋風(fēng)機(jī)直流電壓控制尺度動(dòng)態(tài)的小擾動(dòng)線性化處理
        3.4.3 雙饋風(fēng)機(jī)線性化框圖等效變換為與直驅(qū)風(fēng)機(jī)形式一致
        3.4.4 雙饋風(fēng)機(jī)計(jì)及相位-幅值支路內(nèi)部耦合的幅相運(yùn)動(dòng)方程模型
    3.5 風(fēng)電機(jī)組直流電壓控制尺度相位運(yùn)動(dòng)方程的物理解釋
    3.6 風(fēng)電機(jī)組的小擾動(dòng)模型驗(yàn)證
        3.6.1 直驅(qū)風(fēng)機(jī)幅相運(yùn)動(dòng)方程模型與原始詳細(xì)模型的特征根對(duì)比
        3.6.2 雙饋風(fēng)機(jī)幅相運(yùn)動(dòng)方程模型與原始詳細(xì)模型的特征根對(duì)比
    3.7 本章小結(jié)
4 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度的多機(jī)動(dòng)態(tài)相互作用與小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析
    4.1 引言
    4.2 基于自穩(wěn)和致穩(wěn)概念的相互作用與穩(wěn)定性分析思路
    4.3 單風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析
        4.3.1 端電壓控制對(duì)單風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響
        4.3.2 直流電壓和鎖相控制對(duì)單風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響
    4.4 多風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析
        4.4.1 多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相互作用與穩(wěn)定性分析的基本思路與步驟
        4.4.2 多機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的分析舉例：兩機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)
    4.5 風(fēng)機(jī)經(jīng)直流輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的直流電壓控制尺度小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析
    4.6 本章小結(jié)
5 風(fēng)電機(jī)組直流電壓控制尺度的幅相運(yùn)動(dòng)方程暫態(tài)建模與特性分析
    5.1 引言
    5.2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)基于幅相運(yùn)動(dòng)方程的直流電壓控制尺度暫態(tài)建模
        5.2.1 內(nèi)電勢(shì)合成環(huán)節(jié)的處理
        5.2.2 端電壓信息的檢測(cè)等效替換為直接感受輸出功率的變化
    5.3 雙饋風(fēng)機(jī)基于幅相運(yùn)動(dòng)方程的直流電壓控制尺度暫態(tài)建模
        5.3.1 等效內(nèi)電勢(shì)合成環(huán)節(jié)的處理
        5.3.2 端電壓信息的檢測(cè)等效替換為直接感受輸出功率的變化
    5.4 風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)模型驗(yàn)證
        5.4.1 直驅(qū)風(fēng)機(jī)的幅相運(yùn)動(dòng)方程暫態(tài)模型驗(yàn)證
        5.4.2 雙饋風(fēng)機(jī)的幅相運(yùn)動(dòng)方程暫態(tài)模型驗(yàn)證
    5.5 風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)模型對(duì)比同步發(fā)電機(jī)經(jīng)典模型的不同特征
    5.6 風(fēng)電機(jī)組內(nèi)電勢(shì)狀態(tài)對(duì)不同功率擾動(dòng)的暫態(tài)響應(yīng)特性分析
        5.6.1 對(duì)輸出有功功率擾動(dòng)的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性
        5.6.2 對(duì)輸入有功功率擾動(dòng)的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性
        5.6.3 對(duì)輸出無功功率擾動(dòng)的開環(huán)暫態(tài)響應(yīng)特性
    5.7 風(fēng)電機(jī)組開環(huán)暫態(tài)特性對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)閉環(huán)暫態(tài)分析的意義
    5.8 本章小結(jié)
6 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度的暫態(tài)穩(wěn)定性及其影響因素分析
    6.1 引言
    6.2 風(fēng)電機(jī)組直流電壓控制尺度下的暫態(tài)相位單調(diào)失穩(wěn)現(xiàn)象
    6.3 風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)相位單調(diào)失穩(wěn)的機(jī)理分析
        6.3.1 相位運(yùn)動(dòng)的擺次
        6.3.2 相位擺動(dòng)過程中單調(diào)發(fā)散的機(jī)理分析
    6.4 基于受擾軌跡衡量風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定/失穩(wěn)程度的方法
        6.4.1 擺次穩(wěn)定性及其與風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系
        6.4.2 衡量風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定/失穩(wěn)程度的方法
    6.5 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓控制尺度暫態(tài)穩(wěn)定性的影響因素分析
        6.5.1 電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.2 端電壓控制對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.3 鎖相控制對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.4 直流電壓控制對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響
        6.5.5 不同因素對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律的物理解釋
    6.6 本章小結(jié)
7 總結(jié)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
    7.3 未來工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄1 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄
附錄2 攻讀學(xué)位期間參與的主要科研項(xiàng)目

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2840859