毕业论文（设计）-双馈感应风电机组的虚拟惯性控制研究.docx

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华北电力大学本科毕业设计（论文）

毕 业 设 计（论文）

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题 目 双馈感应风电机组的虚拟惯性控制研究

院 系 电力工程系

专业班级 电力实09

学生姓名 陈 赟

指导教师 王 毅

二○一三年六月

双馈感应风电机组的虚拟惯性控制研究

摘要

本文以双馈式风电机组为研究对象，分析双馈式风电机的运行原理及控制方法，研究双馈机组的虚拟惯量与转速调节及电网频率变化的关系，提出基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制策略，并对该控制策略进行了仿真研究。

首先，本文给出了双馈式风电机的单机模型，其中包括风电场的风速模型，风轮机模型，传动机构模型，以及双馈异步发电机模型。

分析了双馈式风电机的控制方法，包括对风轮机的最大风功率跟踪控制、桨距角控制，以及对发电机的网侧和转子侧变换器的控制方法。

其次，仿真分析了含有六台双馈电机的风电场接入系统的动态响应情况，主要包括风速变化、系统负荷扰动及线路故障对风电场各参数的影响，进一步说明了风电机组在运行中的特性，验证了相关控制策略的有效性。

再次，对比分析了传统DFIG机组与常规发电机组的频率特性，验证了传统DFIG风电机组由于其解耦控制对系统频率变化无响应、对系统惯量无贡献这一特性。

然后介绍了虚拟惯性的概念，分析推导出DFIG机组的虚拟惯量的表达式。

提出了基于功率跟踪优化的双馈机组的虚拟惯性控制策略，并详细介绍了该控制策略的三个模块：

功率跟踪优化模块，转速保护模块，功率协调模块。

该控制策略通过检测电网频率变化来调节最大功率跟踪曲线，从而释放双馈机组“隐藏”的动能，对电网提供动态频率支持。

最后，利用Matlab/Simulink仿真软件建立含30%风电装机容量的3机系统的仿真模型，验证该控制策略在系统出现不平衡后，能够利用双馈风电机组的虚拟惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力。

对DFIG机组虚拟惯性控制下的调频能力随风速的变化规律进行了量化分析，在此基础上提出进一步设置风电场的“弹性控制策略”，根据风电场所处风速环境的不同，兼顾风电机组转速的偏移量、参与调频时间和系统频率的控制效果这三个因素，既充分挖掘其参与系统调频的潜力，又有效降低其参与调频所带来的负面效应。

关键词：

双馈感应发电机（DFIG）；动态特性；虚拟惯量；最大功率跟踪；频率控制

V

InvestigationofVirtualInertiaControlofDoublyFedInductionWindGenerators

Abstract

Inthispaper,withdouble-fedwindturbinesforthestudy,theoperationcharacteristicsandcontrolschemeofthedoublyfedinductiongenerator（DFIG）wasanalyzedfirstly,andthentherelationshipbetweenthevirtualinertia,therotorspeedregulationandthenetworkfrequencyvariationwasinvestigated.Finally,anovelvirtualinertiacontrolstrategybasedontheoptimalpowertrackingwasproposedandsimulationwasusedtovalidatethecontrolstrategy.

Firstly,thispaperpresentsadoubly-fedstand-alonewindturbinemodels,includingwindfarmwindmodel,windturbinemodel,transmissionmodel,andthedoubly-fedinductiongeneratormodel.Thedoubly-fedwindturbinecontrolmethodswasanalyzed,includingmaximumpowerpointtrackingcontrol,pitchanglecontrol,andgenerator-sideandrotorsideconvertercontrol.

Secondly,simulateandanalyzethedynamicresponseofaDFIG-basedwindfarm,includingthechangeofwindspeed,loaddisturbanceandlinefault.Then,explainthecharacteristicsofwindturbineinoperation,toverifytheeffectivenessofthecontrolstrategy.

Thirdly,comparisonsofthenetworkfrequencyresponsewithDFIG-basedwindfarmsandconventionalsynchronousgeneratorsshowthat,becauseofdecouplingcontrol,theDFIG-basedwindfarmshavenorespondabilitytothegridfrequencydeviationandhavenocontributiontothepowersysteminertia.Theconceptionofvirtualinertiawasintroduced,andanovelvirtualinertiacontrolstrategybasedontheoptimalpowertrackingwasproposed.Theproposedcontrolstrategyincludesthreemodulesnamedvirtualinertiacontrolmodule,speedprotectionmoduleandcoordinationcontrolmodule.Theproposedstrategycanchangethemaximumpowerpointtracking（MPPT）curveaccordingtofrequencydeviationmonitoring,soastoreleasethe“hidden”kineticenergyandprovidedynamicfrequencysupporttothegrid.

Finally,theMatlab/Simulinksimulationsoftwarewasusedtoestablishathree-machinesystemmodulewith30%windpowerpenetration.ThesimulationresultsshowthattheDFIG-basedwindfarmshavefastrespondabilitytothegridfrequencydeviationcausedbytheactive

powerdisturbancesusingthevirtualinertiacontrol.TherelationshipbetweenthewindspeedandthefrequencycontrolabilityoftheDFIGwiththeproposedcontrolregulationwasquantified.A“flexiblecontrolstrategy”ofthewindfarmswasproposed.Accordingtodifferentwindspeedofdifferentwindfarms,takingintoaccountwiththerotationalspeed,thefrequencymodulationtimeandfrequencycontroleffect,thestrategycanmakefulluseofthefrequencyregulationabilityofDFIGsaswellasavoidthenegativeeffectsofwindturbinesparticipatinginsystemfrequencyregulation.

Keywords:

doublyfedinductiongenerator（DFIG）;dynamicresponse；virtualinertia;maximumpowertracking;frequencycontrol

目 录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1常用的风电机组参与系统调频的主要方法 2

1.2.2虚拟惯性控制策略 3

1.3本文主要研究内容 5

2双馈感应风电机组的模型及其控制策略研究 6

2.1风速模型 6

2.2风力机模型 7

2.3传动系统模型 8

2.4双馈感应发电机模型 8

2.4.1d-q坐标系下的数学模型 10

2.4.2定子磁链定向矢量控制原理分析 11

2.5DFIG机组稳态控制策略 12

2.5.1最大功率跟踪控制 12

2.5.2转子侧控制器设计 13

2.5.3网侧控制器设计 14

2.6本章小结 16

3基于双馈电机的风电场动态特性仿真分析 18

3.1风速变化对风电场的影响 18

3.2负荷扰动对风电场的影响 21

3.3三相短路对风电场的影响 23

3.4本章小结 24

4基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制策略研究 25

4.1DFIG风电机组对系统频率的响应情况 25

4.2双馈风电机组的虚拟惯量 26

4.3双馈风电机组的虚拟惯性控制策略 28

4.3.1功率跟踪优化模块 28

4.3.2转速保护模块 30

4.3.3功率协调模块 31

4.4本章小结 31

5双馈风电机组虚拟惯性控制策略的仿真分析 32

5.1系统简介 32

5.2基本特性仿真分析 33

5.2.1负荷突增导致频率突减时的仿真分析 33

5.2.2风速突增导致频率突增时的仿真分析 34

5.3不同风速下DFIG的虚拟惯性控制特性分析 36

5.3.1中低风速带内调频能力分析 36

5.3.2高风速带内调频分析 39

5.4本章小结 41

6总结与展望 42

6.1总结 42

6.2展望 42

参考文献 44

致谢 46

1绪论

1.1选题背景及意义

以煤、石油、天然气为主的常规能源，资源有限，不可再生，且其开发利用带来了严重的环境污染。