申请上海交通大学博二匕学位论文
双馈风力发电系统低电压穿越关键技术研究
学校：院系：班级：学号：博士生：专业：导师：上海交通火！学
电子信息与电气工程学院Ａ０７０３１９１
００７０３１９００９
程孟增
电力系统及其自动化
蔡旭教授
上海交通大学电子信息与电气工程学院
２０１２年０４月
上海交通大学协十学化沦文摘耍双馈风力发电系统低电压穿越关键技术研究
摘要
我国及世界范围内多数风电场都处于比较偏僻的区域，因此风电场接入的电网大部分远离负荷中心。这种电网相对薄弱，容易发生波动，从而影响到风电机组的稳定运行。甚至更为严重的是电网电压存在大幅度跌落的可能，此时风电机组大规模的解列将严重威胁电网的安全运行。为了保证电力系统的稳定运行，目前在大规模风电并网的应用技术中，电网发生故障时风力发电机组自动脱网的方式已不再允许。我国也出台了针对风电场低电压穿越（Ｌｏｗ．Ｖｏｌｔａｇｅ—Ｒｉｄｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ，ＬＶＩ汀）的相关导则，对风力发电机组的低电压穿越做出了硬性的规定。因此，研究风电机组的低电压穿越能力具有重要的理论和现实意义。
本文首先综述了国内外风力发电的现状，特别是双馈式风电机组的低电压穿越方式及其相应的控制策略。对比分析了多种研究方法的优缺点。通过严格的理论分析，推导出了各种不同电网故障状态下双馈感应电机（Ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄＩｎｄｕｃｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ，ＤＦＩＧ）定子磁链及转子感应电压的解析值，为保护和控制策略的研究提供了理论依据。
应用基于状态反馈线性化的非线性控制方法，在双馈式风电机组动态数学模型的基础上，设计了低电压穿越控制策略。通过控制目标选定输出函数，然后通过状态反馈线性化和适当的坐标变换将该非线性系统转化为线性可控系统，最后通过线性最优控制方法完成系统控制策略的设计。该控制策略仅与风电机组自身参数有关，提高了控制系统的鲁棒性。
上海交通大学博十学化沦文Ｈ求
４．５本章小结……………………………………………………………………………………………１０８第五章ＤＦＩＧ低电压穿越时无功功率控制研究…………………………………………………………１１０５．１ｉｊＩ吉‘…………………………………………………………………………………………………………………………………．．１１０５．２ＬＶＲＴ时机侧几功功牢控制…………………………………………………………………………１Ｉ１５。２。｜视铡无功功率择翻策略没汁…………………………………………………………………。ｌｌｌ５。２。２机锄无功功率边界分析………………………………………………………………………ｌｌ３
５．３ＬＶＲＴ时网侧九功功琦夏控制一５ｊ３ｊｌ嘲观无功功率捧钠策略Ｓｊ３ｊ２网钠无功功率边界分｝斤１１５ｌｌ５｛１６
５．４仿真验证……………………………………………………………………………………………．１１７５．５本章小结……………………………………………………………………………………………１２１第六章双馈风力发电系统的实验研究…………………………………………………………………．１２３６．１引言…………………………………………………………………………………………………．１２３６．２实验系统的构成……………………………………………………………………………………１２３６．２。ｌ双馈风力发电系统低电压穿越实验的总结构………………………………………………１２３６．２ｉ２屯ｊ主双落发乍嚣再／ＩＣｉ?ｏｗｂｃｌｌ?电潞∞研翻………………………………………………１２６６．３系统实验结果分析…………………………………………………………………………………．１３０６．４本章小结……………………………………………………………………………………………１３６第七章结论与展望………………………………………………………………………………………．１３７７．１结论………………………………………………………………………………………………………………………………．１３７７．２展望…………………………………………………………………………………………………１３８参考文献………………………………………………………………………………………………．１３９附录……………………………………………………………………………………………………………………………………………１４９攻读博士学位期间参与的科研项目………………………………………………………………………１５２攻读博士学位期间已发表或录用的论文…………………………………………………………………１５３致谢……………………………………………．．………………………………………………………………………………………．１５４
第ＶＩＩＩ页
上海交通大学协十学化论文第‘章绪论
第一章绪论
１．１研究背景
１．１．１能源与环境危机
能源是人类牛存和发展的重要物质牲础，也是当今国防：政治、经济、军事、外交关注的焦点。经济社会的持续快速发展，更离１ｉ丌有力的能源保障【ＩＪ。随着世界经济不断发展和国际工业化进程的加快，十廿＝界各地对能源的需求越来越大，能源消耗速度也在持续加快。但是，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生资源的储量是非常有限的。据２０００年统计，全球煤炭资源还可以开采２００年，石油仅能开采３４年，天然气也只能丌采６０年。而我幽再过４０年，煤炭将面临枯竭，石油和天然气的开采年限也不超过８０年１２Ｊ。能源危机越来越严重，此种形势己经成为阻碍人类进一步发展的桎梏。
作为一个发展中国家，中国是一个能源生产和消费人国。我国的能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位，而基本能源消费占世界总消费量的Ｉ／１０，仅次于美国，居世界第二位。我国是世界上少数几个以煤碳为主能源结构的国家之一，燃煤造成的环境污染曰益突出。自上个世纪９０年代以米，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。目前，我国已进入重工业化时期，能源供需量极大，已近２０亿ｎ屯标煤，从而出现了能源整体（煤、油、电）持续紧张的状况，而且今后这种紧张状态将以每年数千万吨标煤的速率增长。自１９９３年起，?ＩＩ国由能源净山口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给。其中，能源需求量的大增以及南其引起的结构性矛盾日益成为ｔＩＩ国能源安全所面临的最大难题Ｉ３１。
能源危机主要表现为能源价格的不断上涨以及电力供应紧张。目前较为严峻的问题是全幽大范围的缺电，这卅ｉ但造成了巨大的经济损失，还给人们的正常生活带来极大不便。电力对煤炭的依赖性过火，‘一旦煤炭供应紧张，就没有足够的电力供应米支持国民经济的发展ＩｊＪ。我困自２００１年夏天以米，福建、浙江等省份就没有停止过“拉闸限电”，２００３年先后有２１个省级ｌｊｌｉ＿！‘网出现了不同程度的“拉闸限电”，
上海交通大学博士学位沦文第?章绪论
为止，世界上已有８２个国家在积极开发和应用风能资源。
作为世界经济最发达的同家，美国政府相当重视对风能的开发利用。从２０００年到２００６年，风能发电量提高了四倍多，到２００９年底总容量达到３３１７０兆瓦，比上年增加３１．８％，占美国电力总容量的１．３％。从地域分布来看，美国的风电场大都建在西海岸的加里福尼亚州地区，近年来有逐步向中、东部地区延伸的趋势。据美国能源部称，至２０１０年风电至少应占剑其国内电力消耗量的１０％。２０１０年超过一半的新增风电狄机来自欧美之外的非传统市场，其ＩＩｔ贡献最大的是Ｉｌ－国，几乎占到了全球新增装机容量的一半，其他新兴风屯市场还包括：印度新增２．１ＧＷ，巴西新增３２６ＭＷ，墨西哥新增３１６ＭＷ，北非（包括埃及、摩洛哥以及突尼斯）新增２１３ＭＷ。２００１．２０１０年全球风力发电总装机量和增长量如图１．１所示【川。
２００１—２０１０；１：个球技机容嫩
一盥且盥量圳Ｊ一亘
●新增裟机口禁汁裟机
图１－１２００１－２０１０年全球风电装机量
Ｆｉｇ．１－１Ｇｌｏｂａｌｉｎｓｔａｌｌｅｄｃａｐａｃｉｔｙｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒ
１．１．３国内风力发电发展概述
我幽具有丰富的风能资源，根据最新的风能资源评估，我幽陆地可利用风能资源约３亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约１０亿千瓦。主要分布在两大风带：’。是“三北地区”（东北、华ＪＬ：ＩＩ捕：１４Ｈ话北地区）；二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外，内陆地区还有一些局部Ｊｘｌ能资源丰富区。特别是在我国的两北、华北和东北地区以及东部沿海，每年风速存３ｍ／ｓ以上的时间近４０００小时，一些地区的年平均风速可达６７ｒｎ／ｓ以上，具有极高的开发利用价值【６］。