高比例并网风电及系统动态分析

目录
“智能电网技术与装备丛书”序
序一
序二
前言
绪论
第1章 高比例并网风电与电力系统动态问题 3
1.1 高比例并网风电基本情况 3
1.1.1 风力发电的发展现状 3
1.1.2 风力发电的发展趋势 4
1.2 高比例并网风电引起的事故及其对电力系统动态的影响 5
1.3 风电并网标准及其演化 7
1.3.1 风电并网标准的发展趋势 7
1.3.2 有功功率与频率控制能力 8
1.3.3 无功功率与电压控制能力 9
1.3.4 故障穿越能力 9
1.4 风电场与风电机组的控制架构 12
1.4.1 风电场的汇集方式与控制 13
1.4.2 风电机组的典型拓扑与控制 15
1.5 含高比例并网风电电力系统的动态问题 21
1.5.1 并网风电多尺度序贯响应过程 21
1.5.2 并网风电多尺度动态特性 23
1.5.3 含高比例并网风电电力系统的多尺度动态问题 23
1.6 本书的章 节安排 25
参考文献 26
上篇 并网风电及其控制
第2章 风力机及其控制 31
2.1 引言 31
2.2 风能捕获与风力机的动力学特性 32
2.2.1 风能捕获与转化 32
2.2.2 风力机的空气动力学特性 35
2.2.3 传动链结构及其模型 36
2.3 风力机的运行工作区 39
2.3.1 昀大风能跟踪 39
2.3.2 风力机的不同运行工作区及运行曲线 40
2.4 风力机的典型控制 41
2.4.1 转速控制 42
2.4.2 桨距角控制 43
2.4.3 轴系振荡的阻尼控制 43
2.5 风电机组的快速频率响应控制 44
2.5.1 风电机组的惯性响应控制 44
2.5.2 风电机组的一次调频控制 46
2.6 小结 52
参考文献 53
第3章 电网对称条件下风力发电机及其变换器的矢量控制 55
3.1 引言 55
3.2 风力发电机的数学模型 55
3.2.1 三相静止坐标系中异步发电机的数学模型 55
3.2.2 任意速旋转坐标系中异步发电机的数学模型 60
3.2.3 三相静止坐标系中永磁同步发电机的数学模型 63
3.2.4 转子坐标系中永磁同步发电机的数学模型 64
3.3 机侧变换器及其矢量控制 65
3.3.1 双馈异步发电机的矢量控制 65
3.3.2 鼠笼式异步发电机的矢量控制 70
3.3.3 永磁同步发电机的矢量控制 72
3.4 网侧变换器及其矢量控制 73
3.4.1 网侧变换器的数学模型与稳态特性 74
3.4.2 基于电网电压定向的网侧变换器矢量控制策略 80
3.5 小结 82
参考文献 83
第4章 电网不对称条件下风力发电机及其变换器的矢量控制 85
4.1 引言 85
4.2 电网不对称条件下双馈发电机及变换器的动态模型 85
4.2.1 不对称三相电磁量的瞬时对称分量及其表达形式 86
4.2.2 电网不对称条件下网侧、机侧变换器的数学模型 88
4.3 电网不对称条件下的控制目标设计 98
4.3.1 电网不对称条件下双馈型风机机侧变换器的控制目标 98
4.3.2 电网不对称条件下网侧变换器的控制目标 101
4.4 基于正/反转同步速旋转坐标系中双dq、PI电流调节器的矢量控制 104
4.4.1 网侧变换器双dq、PI电流调节器的控制设计 104
4.4.2 双馈型风机机侧变换器双dq、PI电流调节器的控制设计 108
4.5 基于正转同步速旋转坐标系中比例积分谐振电流调节器的矢量控制 110
4.5.1 网侧变换器PI-R电流调节器的控制设计 110
4.5.2 机侧变换器PI-R电流调节器的控制设计 112
4.6 机侧变换器输出电压约束对不对称控制的影响及对策 114
4.7 电网不对称条件下矢量控制基准检测技术 118
4.7.1 理想电网条件下的锁相环原理 118
4.7.2 电网不对称条件下的锁相环技术 119
4.7.3 正、负序双dq型锁相环技术 121
4.7.4 基于正、负序分解原理的锁相环技术 124
4.7.5 基于广义积分器原理的锁相环技术 126
4.8 小结 127
参考文献 128
第5章 电网对称/不对称短路故障下风电机组穿越运行 131
5.1 引言 131
5.2 并网导则中的故障穿越要求 131
5.3 电网电压跌落下双馈发电机的特性分析 134
5.3.1 正常工况下双馈发电机转子感应电动势特性 134
5.3.2 三相电压对称跌落下双馈发电机转子感应电动势特性 135
5.3.3 三相电压不对称跌落下双馈发电机转子感应电动势特性 138
5.4 故障穿越软件控制算法 141
5.4.1 动态定子磁链全前馈策略 142
5.4.2 去磁电流优化控制 146
5.5 故障穿越硬件解决方案 148
5.5.1 Crowbar技术 148
5.5.2 制动斩波器 150
5.5.3 机械制动与紧急变桨 151
5.6 全功率型风机的故障穿越方案 152
5.7 故障穿越软件硬件解决方案的序贯配合 152
5.8 小结 155
参考文献 156
下篇含高比例风电电力系统动态分析
第6章 含高比例风电电力系统的电磁尺度小信号频域建模及分析 161
6.1 引言 161
6.2 含高比例风电电力系统的电磁尺度小信号频域建模 161
6.2.1 装备的频域阻抗模型 161
6.2.2 系统的频域阻抗网络模型 168
6.2.3 阻抗网络的传递函数矩阵 169
6.3 基于频域模式法的系统动态稳定性分析方法 171
6.3.1 系统振荡模式的求取 171
6.3.2 节点和回路对振荡模式的参与因子计算 174
6.3.3 参与振荡的装备定位及其灵敏度分析 178
6.4 案例：沽源风电场稳定性分析 179
6.4.1 沽源风电场电磁尺度小信号频域模型 179
6.4.2 沽源风电场动态稳定性分析 180
6.4.3 基于电磁暂态仿真的分析结果验证 182
6.5 小结 184
参考文献 185
第7章 不对称故障穿越期间风电机组及网络的电磁时间尺度小信号动态建模与分析 187
7.1 引言 187
7.2 不对称故障穿越期间风电机组频域小信号建模 187
7.2.1 风电机组建模考虑的简化条件 188
7.2.2 风电机组输入输出原始关系 191
7.2.3 风电机组频域小信号模型 200
7.3 计及电流动态的不对称故障网络频域小信号模型 206
7.3.1 静止坐标系中不对称故障网络的外端口输入-输出关系 207
7.3.2 正、反转同步速旋转坐标系中不对称故障网络的频域小信号模型 211
7.4 不对称故障穿越期间风电机组并网系统的小信号稳定性分析 215
7.4.1 并网系统小信号稳定性问题 215
7.4.2 并网系统序间耦合等效折算 217
7.4.3 并网系统序间相互作用量化方法 223
7.4.4 并网系统小信号稳定性分析 226
7.5 小结 237
参考文献 238
第8章 风电机组的机电暂态特性建模及其并网电力系统暂态稳定性分析 240
8.1 引言 240
8.2 风电机组的机电尺度暂态模型及暂态特性分析 240
8.2.1“激励-响应”关系建模思路 241
8.2.2 机电尺度模型考虑的控制策略及简化条件 242
8.2.3 基于“激励-响应”关系的机电尺度暂态模型 244
8.2.4 机电暂态特性分析 250
8.3 单风电机组-无穷大系统的机电暂态行为分析 253
8.3.1 单风电机组-无穷大系统的功率传输特性 255
8.3.2 单风电机组-无穷大系统机电暂态稳定机理 256
8.3.3 单风电机组-无穷大系统机电相位暂态稳定性分析 261
8.3.4 无功支路控制对单风电机组-无穷大系统暂态稳定性的影响 268
8.4 风电机组-同步机两机系统的机电暂态稳定性 273
8.4.1 两机系统功率传输特性 274
8.4.2 两机系统机电暂态稳定机理 277
8.4.3 两机系统机电暂态行为分析 279
8.4.4 两机系统暂态稳定性的影响因素及影响规律 283
8.5 小结 285
参考文献 286
第9章 风电机组快速频率响应特性及其对电力系统频率动态的影响 287
9.1 引言 287
9.2 含高比例风电的电力系统频率动态问题 288
9.2.1 同步机主导的电力系统频率动态 288
9.2.2 高比例并网风电对电力系统频率动态过程的影响 289
9.3 含快速频率响应控制的风电机组机电运动方程建模 290
9.3.1 内电势运动方程 290
9.3.2 风电机组运动方程模型 291
9.4 风电机组的惯量响应特性 299
9.4.1 风电机组惯量的特点 299
9.4.2 不同工作区参数对风电机组惯量特性的影响 300
9.5 风电机组快速频率响应控制对电力系统频率动态的影响分析 303
9.5.1 含双馈型风机的电力系统频率动态分析方法 303
9.5.2 风电机组工作区与控制器参数对电力系统频率动态的影响分析 306
9.6 风电机组快速频率响应控制带来的其他影响 310
9.6.1 风电机组快速频率响应控制对电力系统低频振荡的影响 311
9.6.2 风电机组快速频率响应控制对风电机组传动链扭振的影响 314
9.7 小结 321
参考文献 322
附录1 矢量和复传递函数的坐标系变换关系 323
附录2 复传递函数与实传递函数矩阵描述的变换关系 324
附录3 双馈型风机并网系统仿真参数 326
附录4 典型发电机组及系统仿真参数 327