第一章绪论
1.1论文的研究背景与意义
目前，风力发电己成为人类对风能利用的主要形式，自上世纪八十年代以来，风力发电发展迅速。据不完全统计，全球风能总量达100万GW，即便只有1%的风能被用来发电，也足够满足全世界对电量的需求。世界风能协会（WWEA)2012年的报告显示，截至2012年底全球风电装机容量达到282275MW，其中仅2012年全年新增容量创出新高,达到44609MW,占2011全年风电总容量的7%，相比于2011年同期增长近19.2%。以2012年的装机规模来看，每年全球风电可提供580万亿瓦时的电力，约占全球总电量的3%。目前，全球已有100个国家利用风能进行发电，其中中国，美国，德国，西班牙和印度仍然是风电发展最快的5个国家。根据世界风能协会的估计，2016年全球风电装机容量将会达到500GW,而2020年将会翻番⑴。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源较为丰富，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三，开发和利用空间巨大。据不完全统计，我国风能资源总储量约为32.26亿kW，可开发和利用的陆地风能储量有7.5亿kW，海上可开发和利用的陆上风能储量有7.5亿kW。由于我国面积广大，地形地貌复杂，风能资源较为丰富的地区主要集中在“三北”（东北，华北以及西北地区），东部沿海陆地、岛均以及近岸海域，此外内部局部地区如青藏高原地区、鄱阳湖周边以及山区地带风能资源也较为丰富[2]。虽然我国风电起步较晚，但是经过近几年的快速发展，我国风电总装机容量己超过美国位居世界首位，2012年全年我国新增风电装机容量约为13GW，占全球新增装机容量的32%，总装机容量己达75GW。图1为2012世界主要风能利用国家的风电装机容量条形图。为有效利用我国丰富的风能资源，推动我国风电事业的快速，健康，协调发展，我国已出台一系列相关政策鼓励和发展大型风电场的建设，全国计划建设七个千万千瓦级风电基地，在“十二五”规划期间将基本建成甘肃、河北、吉林、蒙东、蒙西五个千万千瓦级风电场；按照每年新增1000万千瓦装机速度来计算，我国风电装机容量有望达到9000万千瓦至1亿千瓦。2020年，国家规划风电装机容量将达到1.5亿千瓦，风电将成为继火电、水电之后的第三大常规能源[3]。
作为一种新的发电方式，风力发电的并网运行给电网带来了影响。早期风电机组装机容量较小并且分散接入配电网，风力发电对电网的影响主要表现在由风能本身的间歇性和随机性所造成的电压波动和谐波污染。随着风电装机容量的不断增加，风电在电力系统中所占比重的逐渐增大，大容量风电并网后对电力系统的作用和影响也随之增大。一方面，由于风能的波动性，风电机组很难像常规机组一样承担系统的调频和调压。另一方面，风电机组并网后替代了一部分常规发电机组，增加了系统中同步发电机组对电网的调控负担，改变了电网的初始潮流分布，线路的传输功率以及整个系统的转动惯量[4]。此外，随着电力电子技术的进步，风力发电技术取得了巨大的发展，一大批依靠电力电子器件运行的变速恒频风电机组迅速取代常规定速风电机组成为风力发电的主流机型。其中双馈风力发电机组是应用较为广泛的变速风电机组。双馈机组采用矢量定向的励磁控制策略，通过调节转子侧变频器改变通过转子绕组中的励磁电流的幅值、相角和频率来实现对转子转速的调节以及发电机有功和无功的解親控制，在电网故障期间呈现出与同步发电机组不一样的动态特性，随着越来越多的双馈机组并入电网，主要由同步发电机组决定的电力系统动态特性将会发生改变，这势必会给电网的稳定性带来新的变化。探讨和分析双馈风电机组接入下系统的暂泰稳定性具有十分重要的研究价值和意义。
1.2风力发电技术
风力发电技术就是把风能转换为电能的技术，它涵盖了空气动力学、刚体运动、电机学、电力电子学和控制论等相关领域。风力发电系统是实现风能到电能转换的装置，其主要由机械传动部分和电气部分两部分构成。其中机械传动部分包含风轮、传动轴、齿轮箱及其控制系统，通过风力带动风轮旋转并在控制系统的调节下将风能转换为机械能。电气部分主要由发电机、电力电子器件及其控制系统构成，实现机械能到电能的之间的转换。风电的发展实际上就是风力发电技术的发展，风力发电机组经历了从恒速恒频风电机组到变速恒频风电机组的发展过程。由于电力电子装置的灵活调节特性，变速恒频风电机组相比于恒速恒频风电机组具有较大的风速运行范围，较高的风能利用率以及较小功率波动。本节将主要从风力机功率调节技术和风力发电机组的运行与控制两方面对恒速机组和变速机组的风力发电技术进行简要介绍。
第二章双读风电机组运行原理及其数学模型
2.1引言
双馈风电机组是现如今较为流行的变速恒频风电机组，在风电装机容量中占据比例较大，目前几乎所有的风电厂家都对双馈型风力发电机组进行研究和生产。作为变速运行的风力发电系统，双馈风电机组能够优化风轮的功率输出，与恒速风电机组相比，每年可增加约5%的发电量。其正常运行时的发电机转速为同步转速的-50%~+15%范围内变化，暂态过程中，转速最高可超出同步转速的+30%。近年来双馈风电机组无论是在单机容量方面，还是风力发电总量在电力系统中所占的比例都在不断增长，与此同时，电力系统对于风力发电的要求也在不断提高。其对电力系统的动态行为有着较大的影响，将会使电力系统的稳定特性发生变化。对双馈风电机组模型的准确建立是分析和研究双馈接入下电网稳定性和可靠性的关键。本章将对双馈风电机组的结构和运行原理进行详细的介绍和分析，在此基础上对双馈风电机组的发电机模型、变流器模型以及机械传动轴模型进行分析和探讨，并结合模型研究双馈风电机组的矢量控制策略为后文的理论分析做铺垫。
第三章双馈风电机组等效功角特性.......... 40
3.1 引言.......... 40
3.2双馈风力发电机的类功角特性.......... 40
3.2.1双馈风力发电机对称稳态运行.......... 40
3.2.2双馈风力发电机的功角.......... 41
3.2.3双馈风电机组功角暂态行为特性.......... 43
3.2.4仿真分析.......... 44
3.3小结.......... 48
第四章双馈机组接入对电力系统功角.......... 50
4.1 双馈机组接入对电力系统.......... 50
4.2双馈风力发电机组外特性.......... 50
4.3双馈风电机组接入对同步发电机组功率.......... 52
4.4双馈风电机组接入下的单机系统暂态稳定分析.......... 57
4.5双馈风电机组接入下的多机系统暂态稳定分析.......... 61
4.6双馈机组控制方式及控制参数的变化.......... 67
4.7小结..........72
第五章大规模风电接入对贵州电网的影响研究.......... 73
5.1贵州电网及风电场规划.......... 73
5.2大规模风电接入对贵州电网暂态稳定 ..........74
5.3小结.......... 80
结论
由于运行速度范围较广、发电效率较高、对电网波动影响较小，变速恒频风力发电机组已取代恒速风电机组成为风力发电的主流机型。目前，双馈型风力发电机组是应用最为广泛的变速恒频风电机组。双馈机组采用绕线式异步电机，其转子回路经过背靠背的PWM电压源换流器与电网相连，而转子绕组与定子绕组均采用三相对称绕组，并不存在实际意义上的丄g轴，因此并不能像常规同步机组一样通过转子机械角位移的变化直接反映其电磁功率的输出。但是双馈风电机组通过矢量定向的励磁控制策略，将定子磁链或是定子电压空间矢量作为虚拟轴，通过控制系统调节转子绕组回路中的电流频率，幅值以及相位控制转子磁链空间矢量，并在电机气隙中产生同步旋转的磁场，实现机械能到电能之间的能量转换，因此双馈风电机组在一定程度上与同步机组具有类似的特性。随着双馈机组装机容量的不断增加，电力系统的动态特性将会发生改变，这给电力系统稳定性带来了新的变化。基于此，本文系统而深入地分析了双馈风电机组的基本结构及其运行原理，研究了双馈机组的数学模型并探讨了其控制系统的作用机理；定义了双馈机组的等效功角特性，推导了双馈机组的等效外特性，分析了双馈机组接入对单端送电系统的功率特性的影响，研究了单端送电系统的暂态稳定性并进行了仿真验证；结合IEEE30节点算例仿真分析了双馈机组等容量替代同步机组后系统中各同步机组的暂态功角稳定性，并探讨了双馈机组不同控制方式以及控制系统参数变化对系统中各同步机组的暂态功角稳定性的影响；最后，结合贵州实际电网，分析了大规模风电接入对贵州电网的暂稳特性的影响，得到以下结论：
(1)双馈风电机组包括风轮、齿轮箱和机械传动轴等机械组成部分以及发电机、PWM换流器、和控制系统等电气组成部分。双馈风电机组的背靠背PWM换流器在其控制系统的作用下能够实现能量的双向流动，使得双馈机组能够在的较大的速度范围下稳定运行。双馈机组转子侧换流器采用定子磁链或定子电压定向的励磁控制策略，而网侧换流器则通常采用电网电压定向的励磁控制，在两者的协调作用下实现了双馈机组有功、无功解耦控制。
(2)双馈风电机组具有和同步发电机组相似的等效功角特性，其功角可通过定、转子磁链空间矢量之间的角度进行观测。由于双馈风电机组对外几乎不体现转动惯量，本文在双馈机组等效功角特性的基础上推导了双馈风电机组的等效外特性。在故障发生之前以及故障清除后后期，双馈风电机组可等效为一负的电阻并联接入电网，而在故障期间以及故障清除后前期，双馈风电机组等效为随着机组等效功角变化的负电阻和负电抗并入电网。
(3)在故障发生之前以及故障清除后后期，双馈风电机组接入使得单端送电系统的功率极限降低，功率极限角增加，不利于故障清除后单端系统功角的快速稳定，降低了单端系统的阻尼特性；而在故障期间以及故障清除后前期，双馈机组的接入提高了单端系统的功率极限，增加了单端系统的减速面积，降低了送端系统功角的头摆幅度。
(4)双馈机组通常釆用恒功率因数运行方式，其等容量替换系统中的同步机组后，增加了系统中剩余的同步机组的无功负担，各机组在励磁控制系统的作用下提高了发电机磁链幅值使得发电机内电势增大，提高了各同步机组的功率极限，降低了各发电机组的初始功角，进而增加了发电机组的稳定裕度，使得在遭受相同故障下系统中各同步机组的功角能够快速恢复稳定。在未替换系统中任意机组的情况下，额外新增并网风机组，减小了同步机组的有功出力，提高了其稳定裕度，系统稳定性得到改善，且并网风电机组容量越大，各机组稳定性越好。
参考文献
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