同步化双馈风力发电系统的分析与控制

作为清洁、永续的可再生能源，风力发电在我国得到大力发展。由于风能的动态、随机性等特点，大容量风电注入将对电网的稳定运行造成影响。目前我国并网风力发电场规模越来越大，而且远离负荷中心，因此，我国风电并网给电网带来的影响尤其严重。变速恒频双馈风力发电系统已成为我国风力发电的主要形式，其控制复杂，已有的控制策略复杂且主要考虑双馈电机本体，没有考虑并网后对电力系统的影响等因素，因而给并网分析带来一定困难。本申请针对变速恒频双馈风力发电的特点，结合传统电力系统的同步发电机理论，对双馈电机风电系统进行同步化，并提出了风电双馈电机新的控制方法――幅值频率控制方法，该方法不需要矢量变换、不需要检测转子的转速和位置信号及转子电流信号等，大大简化了风电双馈电机的控制设计，提高了风电双馈电机控制系统的可靠性，有助于分析双馈风力发电的并网运行，对于研究大规模风力发电接入对电网的影响具有重要的理论指导和应用价值。

作为清洁、永续的可再生能源，风力发电在我国得到大力发展。由于风能的动态、随机性等特点，大容量风电注入将对电网的稳定运行造成影响。目前我国并网风力发电场规模越来越大，而且远离负荷中心，因此，我国风电并网给电网带来的影响尤其严重。变速恒频双馈风力发电系统已成为我国风力发电的主要形式，其可靠运行直接影响电网的安全运行与风电场的经济效益。. 本课题首先从变速恒频风电双馈电机的建模入手，分析双馈电机的数学模型、性能与特点。研究双馈电机矢量的控制系数对控制系统动态性能的影响，研究双馈电机转子转速变化对控制系统动态性能的影响。分析和总结双馈电机定转子电流谐波的基本来源，并结合理论分析和试验结果分析各种谐波的基本特征，提出了减小双馈电机电流谐波的方法，从而对双馈电机的特性有更加清楚的认识。. 通过对双馈电机最常用的矢量控制的稳定性进行研究，分析矢量控制中的转子位置角信号对控制系统的稳定性的影响，并通过数字仿真进行了验证。针对变速恒频双馈电机的特点，结合传统电力系统的同步发电机理论，对双馈电机数学模型进行同步化，建立了同步化的双馈电机的数学模型。在双馈电机同步化模型基础上，研究风电双馈电机新的控制方法――转子电压幅值频率控制（MFC）方法，该方法无需PARK坐标变换，无需双馈电机转子角度信号，解决了双馈电机转子位置角信号故障对控制系统的稳定性的影响。在此基础上，进一步研究基于转子幅值频率控制的容错控制方法，从而提高风电双馈电机控制系统的运行性能与可靠性。通过数字仿真验证了所提出的转子电压幅值频率控制方法与基于幅值频率控制的容错控制方法的有效性。. 最后，研究大规模风电并网对电网的影响，为了减小风电波动对电网频率的影响，研究使用控制方法降低风电场功率输出的波动性，提出了抑制系统频率偏差的风电功率波动平滑控制器设计方法，该方法使用电力系统频率偏差作为指标，在电力系统频率偏差不超标的条件下，最优的降低风电功率的波动性。研究利用储能抑制风电功率的波动，提出了储能容量的设计方法。. 本课题研究成果对于研究减小大规模风力发电接入对电网的影响具有重要的理论指导和应用价值。. 本课题顺利完成，在本课题基金的资助下，共发表23篇论文，其中18篇期刊，4篇国际会议。在本领域IEEE、IET等国际权威期刊上发表SCI收录4篇，ISTP收录1篇，另外EI收录10篇。