风电并网的电压波动研究

毕业设计 （ 论文 ）题 目 风电并网的电压波动研究 本科生毕业设计论文风电并网的电压波动研究摘 要自然界中的风能是不确定的，当大规模的风电功率注入电网时会引起电网的电压波动。本文首先分析了风电并网引起电网电压波动的本质原因是风电场输出功率的波动。以双馈型风力发电机组为研究对象，在 Matlab/Simulink 中搭建了双馈风电机组并网仿真模型。仿真分析了风电机组分别在恒电压和恒功率控制方式下切入后的运行特性及其对电网电压的影响，结果表明恒功率控制较恒电压控制方式具有更好的电压质量。风电场输出稳定后，分析了风速波动及风电场出口负荷波动对电网电压的影响，得出风速和负荷波动越严重，引起的电网电压波动越大。在风速随机波动的情况下，分析了系统短路容量和线路 X/R 值对风电并网引起的电压波动的影响，结果表明系统短路容量越大，电压波动越小，合适的线路 X/R 值可将电压波动降为最小。最后，分析了系统分别发生单相、两相和三相短路故障时，风电场的运行状况，得出三相短路故障最严重。关键词：风力发电、双馈型风电机组、电压波动、故障分析AbstractThe wind energy is uncertain, and when a large scale wind power is injected into the power grid, the voltage fluctuation of the power network is caused.In this paper, the essential cause of the grid voltage fluctuation is the fluctuation of the output wind power. Taking the doubly fed wind turbine as the research object, the grid connected simulation model of the doubly fed wind turbine is built in Matlab/Simulink. Simulation and analysis of the wind turbine respectively in the constant voltage and constant power control mode of the cut after the operation characteristics and its influence on the grid voltage. The results show that constant power control with constant voltage control mode has better voltage quality. After the output of the wind farm is stable, the wind speed fluctuation and the fluctuation of the wind farm load fluctuation are analyzed. The wind speed and the load fluctuation are more serious, and the higher the voltage fluctuation of the network is. Under the random fluctuation of wind velocity, analyzes the system short circuit capacity and line X/R of grid connected wind power due to voltage fluctuations, the results show that the system short-circuit capacity is more big, the voltage fluctuation is small, suitable line X/R value of voltage fluctuations will be reduced to a minimum. At last, the operating condition of the wind farm is analyzed when the single-phase, two-phase and three-phase faults occur respectively, and the most serious of the three-phase short-circuit fault is obtained.Keywords:wind power generation, wind turbine doubly-fed induction generator, voltage fluctuation, fault analysis目 录第 1 章 绪论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本文主要工作 .2本科生毕业设计论文第 2 章 风力发电系统 .32.1 风力发电系统概述 .32.1.1 恒速恒频的异步风力发电系统 .32.1.2 直驱式永磁同步风力发电系统 .42.1.3 变速恒频的双馈风力发电系统 .42.2 风力机相关理论 .52.2.1 风力机基本工作原理 .52.2.2 风力机气动特性 .72.3 双馈异步发电机 .92.3.1 双馈异步发电机变速恒频运行的原理 .92.3.2 双馈异步发电机的功率传递关系 .102.3.3 双馈异步发电机的数学模型 .112.4 双馈风电机组的运行特性 .132.4.1 双馈风电机组的运行阶段 .132.4.2 双馈风电机组的转速及桨距角控制 .142.4.3 双馈风电机组的矢量控制 .152.5 电压波动 .172.5.1 电压波动的定义 .172.5.2 风电并网电压波动产生的原因 .182.6 本章小结 .18第 3 章 双馈风电机组并网仿真建模 .193.1 风速模型 .193.1.1 基本风 .193.1.2 阵风 .193.1.3 渐变风 .203.1.4 随机噪声风 .223.1.5 自然风 .233.2 双馈风电机组仿真建模 .233.3 本章小结 .28第 4 章 双馈风电机组并网电压波动分析 .294.1 风电场切入仿真分析 .294.2 风速波动的电压波动分析 .344.3 负荷波动的电压波动分析 .364.4 系统短路容量对风电并网电压波动的影响 .394.5 线路 X/R 对风电并网电压波动的影响 .404.6 系统短路故障时风电机组的动态响应 .414.6.1 单相短路仿真分析 .424.6.2 两相短路仿真分析 .434.6.3 三相对称短路仿真分析 .444.7 本章小结 .45第 5 章 总结与展望 .465.1 总结 .465.2 展望 .47致 谢 .48参考文献 .49大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 选题背景及意义能源是人类社会发展与进步的物质基础。随着全球经济的持续快速增长对能源资源的需求和依赖与日俱增。而以煤、石油、天然气等为主的传统化石能源资源在不断地开发利用过程中逐渐面临着枯竭的危机并带来了一系列的环境污染问题，从而制约了社会的进步和经济的发展，故人类迫切需要调整能源结构由以传统化石能源为主的单一能源结构向以新能源和可再生能源为主的多元化能源结构转变。在众多新能源和可再生能源中，风能以其取之不尽、用之不竭清洁无污染且可再生等优势得到广泛应用。近年来，风力发电渐渐地取代了传统化石能源发电已成为电力系统中重要的电源组成部分。当具有不确定性的风电功率注入电网后会引起电网的功率分布变化，从而影响电网的电能质量。再加上我国风能资源与负荷中心呈逆向分布，大部分的风电场都建在人口稀少的偏远地区，这些地区的电网结构较为脆弱，此时风电并网产生的电能质量问题会更严重，故对风电并网引起的电能质量研究极具现实意义。在电能质量中电压波动尤为重要，电压波动太严重将给人们的生产生活带来影响，造成国民经济损失。基于以上，有必要对风电并网引起的电压波动进行详尽的研究，为改善电压波动提供有效依据。1.2 国内外研究现状随着风电装机容量的增加，大规模风电并网已成为风力发电的主流。由于风能的不确定性，风电并网会给电网的安全稳定运行带来一定的影响，故有必要对风电并网进行研究。目前，国内外有关风电并网的研究主要集中在两个方面，分别为风电并网的电能质量和稳定性研究。在有关电能质2量的研究中，风电并网的电压波动是研究的热点之一。而电压波动的研究主要有以下三个方面：（1）风电并网引起电压波动的机理分析。风力发电引起电网电压波动的根本原因是并网风电机组输出功率的波动 【1】 。文献【2】从风电机组输出功率波动角度对风电并网引起电压波动进行了机理分析，得出并网风电机组输出有功及无功功率的波动都会引起电网的电压波动。 （2）风电并网电压波动的影响因素。影响风电并网电压波动的因素主要有风况、风电机组的类型、风电机组的控制方式（如双馈风机的恒电压和恒功率控制） 、电网负荷特性、风电并网系统短路容量和线路 X/R 值等。文献【3】在 Matlab/Simulink 中搭建了基于普通异步发电机的风电并网仿真模型，建立了风速扰动模块，对不同强度的风速扰动进行仿真分析，研究了风速对风电并网电压波动的影响；文献【4-5】分析了系统短路容量和线路 X/R 对风电并网电压波的影响。文献【6】研究了双馈风电机组的控制方式对风电并网电压波动的影响。 （3）改善风电并网电压波动的措施研究。1.3 本文主要工作本文以双馈型风电机组为研究对象，在 Matlab/Simulink 中搭建风电并网仿真模型，分析各种因素下的电压波动问题。本文的主要工作如下：（1）查阅国内外相关文献，了解本课题的选题背景及研究意义，了解本课题在国内外的研究现状；（2）学习双馈风力发电系统各组成部分的基本工作原理及其相应的控制策略，包括风力机的基本工作原理及其气动特性，双馈异步发电机的工作原理，双馈风电机组的运行特性及其相应的控制策略；（3）学习影响风电并网引起的电压波动的各种因素，主要从风电机组输出功率的波动及电网的状况两方面进行分析；（4）在 Matlab/Simulink 中搭建双馈型风电机组并网仿真模型。（5）通过仿真分析各影响因素对风电并网引起的电压波动的影响。大学本科生毕业设计（论文）3（6）总结本文的研究成果，展望风电并网电压波动的研究方向。第 2 章 风力发电系统2.1 风力发电系统概述将风能转换为电能的系统称为风力发电系统，风力发电系统一般是由风力机、齿轮箱、传动机构、发电机及控制系统组成。风力发电的原理是：风吹动风力机叶片旋转，带动轮毂转动，将风能转化为机械能，传动装置将此机械能送至发电机转子上，驱动发电机转子旋转，完成机械能到电能的转换。风力发电系统按不同的标准有不同的分类方法。目前，国内外主流的风力发电系统有 3 种，分别为恒速恒频的异步风力发电系统、变速恒频的双馈风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统。2.1.1 恒速恒频的异步风力发电系统恒速恒频的异步风力发电系统结构如图 2-1 所示。机组采用笼型异步发电机。在风速作用下风力机带动低速转轴旋转，经齿轮箱加速后，直接驱动发电机转子旋转进行发电。由于采用笼型异步发电机，其在运行期间要从电网中吸收较大的无功功率来建立励磁，这会给电网带来很大的无功负担，故一般要在其出口安装无功补偿装置。此类系统发电机的转速变化范围很小（一般在 1%至 2%之间） ，与其它风机相比几乎是“恒速”运行，故将其称为恒速风机。4风轮机齿轮箱鼠笼异步发电机电容器组系统图 2-1 恒速恒频的异步风力发电系统2.1.2 直驱式永磁同步风力发电系统直驱式永磁同步风力发电系统结构如图 2-2 所示。系统中省去了齿轮箱，发电