连接弱交流电网的双馈风机稳定性和动态特性分析开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着人类科技的不断进步,人类社会对能源的利用也逐步增多。能源技术的发展与进步促进了人类生产力的大幅进步,也极大的改变了人类的生活方式。目前,人类最常用的能源依旧是化石能源。这些由过去生物遗骸在漫长地质变化下形成能源虽然丰富,但因其产生周期漫长对于人类而言不可再生且在人类指数爆炸式人口增长下带来的能源需求面前已经捉襟见肘。根据联合国能源报告,从目前的能源消耗速度与预期加速度来看,目前仅剩的化石能源将在170年左右消耗殆尽。与化石能源即将枯竭相对应的,是人类再利用化石能源的技术手段依旧不足。人们对化石能源的利用率不足,且在生产过程中不仅造成了大量的能源浪费,还严重破坏了地球自然环境,给人们日常生活带来了很大的不便。如目前中国北部冬季的雾霾天气等。在面对化石能源即将枯竭,而人类社会发展不可停止的矛盾,寻找新的可代替化石能源的可再生能源已经成为大势所趋。

在这样的基础下,风能,作为自然界易于获取且明显可再生的能源进入了人类的视野。第一:在储量方面,全世界风能量约为1300亿kw,其中可开发利用的风能储量达200亿kw。风能的大储量和其明显的可再生特性使得其成为人类良好的新能源。第二:在环境保护方面,风力发电作为物理发电的一种形式,在整个发电过程中不会产生利用煤炭等化学发电方式产生的有毒有害气体,细小颗粒物和粉尘等污染源。是一种完全清洁的能源。第三:在经济与技术方面,风电场建设工期短,建造成本低,可快速并网使用,缓解地区电力危机,对选址要求相对水电较低。风力发电也具有明显价格优势,目前风电的价格基本和火电价格相当,而随着发电技术,电网调度能力的进一步上升,风电的价格将持续降低,总体而言,风能将会成为人类将来代替化石能源的替代能源之一。

我国作为世界上最大的煤炭生产和消费国家,煤炭发电量占比大于70%,远高于发达国家和世界平均水平。大量的使用煤炭发电也使得我国成为世界上碳排放量最大的国家之一。煤炭等火电成为我国最大污染源。为此我国在积极寻求化石能源的替代品。而我国优越的地理因素使得我国风力资源十分丰富。根据中国气象科学研究院估算,,我国我国风能平均风能密度约为100w/,十米高的空中风能资源储量为32.26亿kw,其中可开发利用的部分为2.53亿kw,具有很大的开发利用价值[1]。2018年,我国风电累计并网容量18426万千瓦、同比增长12.4%,占全部发电装机容量的9.7%,比2017年提高0.5个百分点。全年发电量3660亿千瓦时,占全部发电量的5.2%,比2017年提高0.4个百分点。但是在大规模风电并网的趋势下,我国风电的问题也逐渐突出出来。

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2. 研究的基本内容与方案

次设计的基本内容主要包括以下几个方面:

1. 研究双馈风机变速恒频发电的基本原理

2. 建立双馈风机在三相静止坐标系下的数学模型

3. 分析双馈风机在不同工作状态下的功率流动关系

4. 利用坐标变换得到双馈风机交流励磁变换器在d,q轴下的数学模型了解双馈风机有功、无功的解耦控制方法,制定传统情况下的矢量控制策略

5. 建立仿真模型,验证控制策略

6. 在建立模型的基础上,改变模型中电网短路比,观察在不同短路比的情况下,模型面对电网故障的稳定情况。

其中关于双馈风机在三相静止坐标系中的数学模型采用如下假设:。

(1)忽略空间谐波。设三相绕组对称,在空间中互差120。电角度,所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。

(2)忽略磁路的非线性饱和,认为各绕组的自感和互感都是与磁路工作点相关的恒值。

(3)忽略铁心上的磁损耗




(4)忽略频率和温度变化对绕组上阻抗的影响。

图1-1 DFIG等效物理模型

(5)将转子绕组等效折算到定子侧,折算后的定、转子绕组匝数相同。

双馈风机的模型可等效为如图1-1所示的模型。其中A、B、C分别为三相定子绕组轴线,且在空间上静止不动;a、b、c为转子绕组轴线,在空间上以转子转速旋转;定、转子同相名间(如A相与a相)相差的角度为空间位置角。设各绕组电压、电流、磁链正方向与电机惯例一致,且满足右手螺旋定则。此时,双馈电机在静止三相坐标下的数学模型得。

在坐标变换方面,在三相静止坐标系转换为两相静止坐标系中采用等功率变换,参考图如下:


图1-2三相静止到两相静止坐标变换

变换矩阵为:

两相静止-两相旋转变换参考图为:

图1-3两相静止-两相旋转变换

变换矩阵为:

由于双馈风机的控制本质是控制其交流励磁变换器,而交流励磁变换器的基本结构如下:

图1-4 交流励磁变换器

其分为网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器,故其控制策略也相应分开。关于网侧PWM变换器考虑采用电网定向的控制策略,在此情况下控制交流侧输入电流d轴分量即可控制交流侧输入有功功率,控制交流侧输入电流q轴分量即可控制交流侧输入无功功率,故考虑设计控制系统如下:


图1-5网侧PWM变换器控制系统结构框图

即输入电流的控制设为内环,将对直流母线电压的控制设为外环。

转子侧则采用定子磁链定向矢量控制进行设计。

而在检测不同电网强度情况下双馈风机的稳定性时,考虑使电网发生对称采取对称故障,分别在风机空载,满负荷两种情况下对于电网故障的反应,并进行对比得出风机的稳定性情况。


3. 研究计划与安排

第1周 撰写并完成开题报告,无错字、别字,格式规范;

第2周 修改、完善开题报告,进行开题答辩,主要对研究意义、目标内容、技术路线,进行讲解;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 阮毅. 电力拖动自动控制系统. [m].北京: 机械工业出版社, 2010 .

[2] 李庆. 风电机组和风电场的功率特性及电能质量测试研究[d]. 中国电力科学研究院,2006.

[3] 付文秀, 范春菊. svg在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用[j]. 电力系统保护与控制, 2015(3):61-68.

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