高比例併網風電及系統動態分析

“智慧電網技術與裝備叢書”序
序一
序二
前言
緒論

第1章 高比例並網風電與電力系統動態問題 3
1.1 高比例並網風電基本情況 3
1.1.1 風力發電的發展現狀 3
1.1.2 風力發電的發展趨勢 4
1.2 高比例並網風電引起的事故及其對電力系統動態的影響 5
1.3 風電並網標準及其演化 7
1.3.1 風電並網標準的發展趨勢 7
1.3.2 有功功率與頻率控制能力 8
1.3.3 無功功率與電壓控制能力 9
1.3.4 故障穿越能力 9
1.4 風電場與風電機組的控制架構 12
1.4.1 風電場的彙集方式與控制 13
1.4.2 風電機組的典型拓撲與控制 15
1.5 含高比例並網風電電力系統的動態問題 21
1.5.1 並網風電多尺度序貫回應過程 21
1.5.2 並網風電多尺度動態特性 23
1.5.3 含高比例並網風電電力系統的多尺度動態問題 23
1.6 本書的章 節安排 25
參考文獻 26

上篇 並網風電及其控制
第2章 風力機及其控制 31
2.1 引言 31
2.2 風能捕獲與風力機的動力學特性 32
2.2.1 風能捕獲與轉化 32
2.2.2 風力機的空氣動力學特性 35
2.2.3 傳動鏈結構及其模型 36
2.3 風力機的運行工作區 39
2.3.1 昀大風能跟蹤 39
2.3.2 風力機的不同運行工作區及運行曲線 40
2.4 風力機的典型控制 41
2.4.1 轉速控制 42
2.4.2 槳距角控制 43
2.4.3 軸系振盪的阻尼控制 43
2.5 風電機組的快速頻率回應控制 44
2.5.1 風電機組的慣性回應控制 44
2.5.2 風電機組的一次調頻控制 46
2.6 小結 52
參考文獻 53
第3章 電網對稱條件下風力發電機及其變換器的向量控制 55
3.1 引言 55
3.2 風力發電機的數學模型 55
3.2.1 三相靜止坐標系中非同步發電機的數學模型 55
3.2.2 任意速旋轉坐標系中非同步發電機的數學模型 60
3.2.3 三相靜止坐標系中永磁同步發電機的數學模型 63
3.2.4 轉子坐標系中永磁同步發電機的數學模型 64
3.3 機側變換器及其向量控制 65
3.3.1 雙饋非同步發電機的向量控制 65
3.3.2 鼠籠式非同步發電機的向量控制 70
3.3.3 永磁同步發電機的向量控制 72
3.4 網側變換器及其向量控制 73
3.4.1 網側變換器的數學模型與穩態特性 74
3.4.2 基於電網電壓定向的網側變換器向量控制策略 80
3.5 小結 82
參考文獻 83
第4章 電網不對稱條件下風力發電機及其變換器的向量控制 85
4.1 引言 85
4.2 電網不對稱條件下雙饋發電機及變換器的動態模型 85
4.2.1 不對稱三相電磁量的暫態對稱分量及其表達形式 86
4.2.2 電網不對稱條件下網側、機側變換器的數學模型 88
4.3 電網不對稱條件下的控制目標設計 98
4.3.1 電網不對稱條件下雙饋型風機機側變換器的控制目標 98
4.3.2 電網不對稱條件下網側變換器的控制目標 101
4.4 基於正/反轉同步速旋轉坐標系中雙dq、PI電流調節器的向量控制 104
4.4.1 網側變換器雙dq、PI電流調節器的控制設計 104
4.4.2 雙饋型風機機側變換器雙dq、PI電流調節器的控制設計 108
4.5 基於正轉同步速旋轉坐標系中比例積分諧振電流調節器的向量控制 110
4.5.1 網側變換器PI-R電流調節器的控制設計 110
4.5.2 機側變換器PI-R電流調節器的控制設計 112
4.6 機側變換器輸出電壓約束對不對稱控制的影響及對策 114
4.7 電網不對稱條件下向量控制基準檢測技術 118
4.7.1 理想電網條件下的鎖相環原理 118
4.7.2 電網不對稱條件下的鎖相環技術 119
4.7.3 正、負序雙dq型鎖相環技術 121
4.7.4 基於正、負序分解原理的鎖相環技術 124
4.7.5 基於廣義積分器原理的鎖相環技術 126
4.8 小結 127
參考文獻 128
第5章 電網對稱/不對稱短路故障下風電機組穿越運行 131
5.1 引言 131
5.2 並網導則中的故障穿越要求 131
5.3 電網電壓跌落下雙饋發電機的特性分析 134
5.3.1 正常工況下雙饋發電機轉子感應電動勢特性 134
5.3.2 三相電壓對稱跌落下雙饋發電機轉子感應電動勢特性 135
5.3.3 三相電壓不對稱跌落下雙饋發電機轉子感應電動勢特性 138
5.4 故障穿越軟體控制演算法 141
5.4.1 動態定子磁鏈全前饋策略 142
5.4.2 去磁電流優化控制 146
5.5 故障穿越硬體解決方案 148
5.5.1 Crowbar技術 148
5.5.2 制動斬波器 150
5.5.3 機械制動與緊急變槳 151
5.6 全功率型風機的故障穿越方案 152
5.7 故障穿越軟體硬體解決方案的序貫配合 152
5.8 小結 155
參考文獻 156

下篇含高比例風電電力系統動態分析
第6章 含高比例風電電力系統的電磁尺度小信號頻域建模及分析 161
6.1 引言 161
6.2 含高比例風電電力系統的電磁尺度小信號頻域建模 161
6.2.1 裝備的頻域阻抗模型 161
6.2.2 系統的頻域阻抗網路模型 168
6.2.3 阻抗網路的傳遞函數矩陣 169
6.3 基於頻域模式法的系統動態穩定性分析方法 171
6.3.1 系統振盪模式的求取 171
6.3.2 節點和回路對振盪模式的參與因數計算 174
6.3.3 參與振盪的裝備定位及其靈敏度分析 178
6.4 案例：沽源風電場穩定性分析 179
6.4.1 沽源風電場電磁尺度小信號頻域模型 179
6.4.2 沽源風電場動態穩定性分析 180
6.4.3 基於電磁暫態模擬的分析結果驗證 182
6.5 小結 184
參考文獻 185
第7章 不對稱故障穿越期間風電機組及網路的電磁時間尺度小信號動態建模與分析 187
7.1 引言 187
7.2 不對稱故障穿越期間風電機組頻域小信號建模 187
7.2.1 風電機組建模考慮的簡化條件 188
7.2.2 風電機組輸入輸出原始關係 191
7.2.3 風電機組頻域小信號模型 200
7.3 計及電流動態的不對稱故障網路頻域小信號模型 206
7.3.1 靜止坐標系中不對稱故障網路的外埠輸入-輸出關係 207
7.3.2 正、反轉同步速旋轉坐標系中不對稱故障網路的頻域小信號模型 211
7.4 不對稱故障穿越期間風電機組並網系統的小信號穩定性分析 215
7.4.1 並網系統小信號穩定性問題 215
7.4.2 並網系統序間耦合等效折算 217
7.4.3 並網系統序間相互作用量化方法 223
7.4.4 並網系統小信號穩定性分析 226
7.5 小結 237
參考文獻 238
第8章 風電機組的機電暫態特性建模及其並網電力系統暫態穩定性分析 240
8.1 引言 240
8.2 風電機組的機電尺度暫態模型及暫態特性分析 240
8.2.1“激勵-響應”關係建模思路 241
8.2.2 機電尺度模型考慮的控制策略及簡化條件 242
8.2.3 基於“激勵-響應”關係的機電尺度暫態模型 244
8.2.4 機電暫態特性分析 250
8.3 單風電機組-無窮大系統的機電暫態行為分析 253
8.3.1 單風電機組-無窮大系統的功率傳輸特性 255
8.3.2 單風電機組-無窮大系統機電暫態穩定機理 256
8.3.3 單風電機組-無窮大系統機電相位暫態穩定性分析 261
8.3.4 無功支路控制對單風電機組-無窮大系統暫態穩定性的影響 268
8.4 風電機組-同步機兩機系統的機電暫態穩定性 273
8.4.1 兩機系統功率傳輸特性 274
8.4.2 兩機系統機電暫態穩定機理 277
8.4.3 兩機系統機電暫態行為分析 279
8.4.4 兩機系統暫態穩定性的影響因素及影響規律 283
8.5 小結 285
參考文獻 286
第9章 風電機組快速頻率回應特性及其對電力系統頻率動態的影響 287
9.1 引言 287
9.2 含高比例風電的電力系統頻率動態問題 288
9.2.1 同步機主導的電力系統頻率動態 288
9.2.2 高比例並網風電對電力系統頻率動態過程的影響 289
9.3 含快速頻率響應控制的風電機組機電運動方程建模 290
9.3.1 內電勢運動方程 290
9.3.2 風電機組運動方程模型 291
9.4 風電機組的慣量回應特性 299
9.4.1 風電機組慣量的特點 299
9.4.2 不同工作區參數對風電機組慣量特性的影響 300
9.5 風電機組快速頻率回應控制對電力系統頻率動態的影響分析 303
9.5.1 含雙饋型風機的電力系統頻率動態分析方法 303
9.5.2 風電機組工作區與控制器參數對電力系統頻率動態的影響分析 306
9.6 風電機組快速頻率回應控制帶來的其他影響 310
9.6.1 風電機組快速頻率回應控制對電力系統低頻振盪的影響 311
9.6.2 風電機組快速頻率回應控制對風電機組傳動鏈扭振的影響 314
9.7 小結 321
參考文獻 322

附錄1 向量和複傳遞函數的坐標系變換關係 323
附錄2 複傳遞函數與實傳遞函數矩陣描述的變換關係 324
附錄3 雙饋型風機並網系統模擬參數 326
附錄4 典型發電機組及系統模擬參數 327