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基于分岔理论的双馈风电系统中的非线性动力学行为思考

日期:2024年05月17日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:60
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202405101238219018 论文字数:43633 所属栏目:电气工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇电气工程论文,文章首先对双馈风电机组的工作机理进行了阐述,并分别建立了本文研究所需的风力机的数学模型、双馈风机的数学模型、功率变换器的数学模型、同步发电机的数学模型、负荷模型和电力网络模型。

第一章 绪

1.1课题研究背景及意义

近几年,我国经济和社会发展迅速,人民的物质和精神生活水平不断提高,人均能源消费水平也不断提高;目前,人类正面对着两个严峻的挑战,发展可再生能源已经是全球共同的目标[1-2]。我国政府在第七十五届联合国大会上已经明确表示,我们将在未来的三十到四十年里,通过采取更加有利的措施和政策,争取在2030前使二氧化碳的排放量达到最高水平,并争取在2060年之前完成碳中和这一目标,而实现这一目标的重要举措之一毫无疑问是大规模的开发可再生的清洁能源[3]。当前可再生清洁能源包括风能、太阳能等、潮汐能、水能等[4]。其中,风力发电具有环保、可靠、资源丰富、易于获取的特点;成本低、分布广泛等优点使其发展的速率远高于其他可再生资源,因此受到了广泛的关注[5]。风电是当今全球规模最大、技术最成熟、最具商业前景的新型电力系统。但是,由于风电的随机性和时断性,必然会对风电产生一定的冲击[6]。

风力发电系统是一种具有非线性特性的复杂动态系统,大规模的风电并网会将电力电子器件、电机等元件引入到全国互联的大电力系统中,使其非线性特性表现的更加强烈,必然会对接入地区带来电能质量、电压稳定性、协调调度等众多问题。分岔理论作为一种研究非线性系统稳定性行之有效的方法,它不仅可以应用于连续和离散系统,而且还可以为各种系统的稳定性分析提供可靠的数学基础[7]。

双馈风电机组无功调节、变频调速等优点,是当前风电机组的理想选择。双馈式异步电动机是一类非线性动力部件,它的定、转子间的耦合性很高,其结构十分独特,在实际工作中,如果电机参数设计不当,系统可能会产生低频振荡、电压崩溃、分岔、混沌等一系列的非线性现象等。这种非线性的存在,将严重地影响到电网的安全和稳定。在双馈风电系统中,由于采用了大量的非线性开关转换器,若逆变器参数设计不当或控制回路的设计不正确,则会引起系统的非线性现象频繁发生,从而影响到整个电网的安全。双馈风电机组在并网后极有可能会吸收电网中的无功功率,从而使电力系统中的潮流分布发生改变,从而使系统电压下降,进而对系统的稳定运行产生不利影响[8-10]。

1.2课题国内外研究现状

1.2.1风电产业发展现状

21世纪以来,由于能源的严重短缺和环境的日趋恶化,世界各国政府、环境界和能源界都开始高度重视新能源的发展,风力发电是其中最受关注的行业。根据2022年世界风力发电报告统计[11], 2021年世界风力发电装机增加93.6GW,累计装机容量837GW,与2020年相比增长幅度仅落后1.8%,是世界风力发电行业的第二个好年份。尽管目前世界的经济因新冠病毒的爆发而处于低迷时期,但风力发电仍然保持稳定的发展势头,预计到2050年,世界范围内的二氧化碳排放量将达到净零水平。图1.1显示了2016-2021年度世界风电装机的累积和新装机规模的变化。

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2021年,中国、巴西、印度等发展中国家对风电行业的重视和大力支持以及亚洲、欧洲和北美洲一些发达国家风电市场渗透率的不断增加,都推动了世界风电产业的快速增长。2021年世界风力发电新增装机的主要市场份额如图1.2所示。在2021年,中国和美国这两个主要的经济大国将继续占据风能行业的最大份额,这两个国家的新增风电装机总量将达到全球的65%,而非洲、拉丁美洲、中东等国的风力发电行业正在蓬勃发展,但其发展速度与已有一定规模的电力系统相比较,其发展速度和运营稳定性都不高;

第二章 双馈风力发电系统的工作原理及模型

2.2 双馈风力发电系统的工作原理

DFIG风电系统主要由风机、变桨系统、双馈电机及变频系统构成,图2.1为系统的拓扑结构图。

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由图2.1可知,DFIG风力发电是由变流器将发电机的定子绕组与电力网络相联接,由变流器将其转子绕组与电力网络连接,并由变频调速装置进行调速;利用 IGBT的开关角度,可以使 IGBT的局部功率进行单向传输,并对其振幅和方向进行控制,保证了定子的恒频和恒压。因此,整个系统具有良好的调节性和动态稳定性。

双馈电机通常为非同步工作,其理论依据是感应电机定、转子绕组电流产生的转动磁场相对固定的,也就是定子磁场的转动速度等于转子实际的转动速度与转子励磁产生的转动磁场转动速度之和/差。

2.3 双馈风力发电系统的数学模型

2.3.2 双馈风力发电机的数学模型

2.3.2.1ABC坐标系下DFIG的数学模型

从电机方面的知识可以看出,DFIG的内部构造与三相绕线异步电动机相似,是一种高阶非线性耦合多变量的非线性系统。为方便建立数学模型,通常对DFIG作如下简化假设[46]:

① 不考虑空间谐振成分,三相定子线圈是完全对称的,并且在空气间隙周围形成了一个正弦形的磁场; ② 定、转子各相绕组匝数相等; ③ 忽略磁路饱和问题; ④ 假设电机的定转子表面光滑; ⑤ 设绕组电阻不随温度升高和频率改变而变化;

根据上述假设,可以简化出DFIG的示意图如图2.2所示。由图可知,电动机的定子绕组轴系由A、B和C轴组成,这三个轴在一定的位置上是固定的,彼此之间的距离为120度;转子绕组的轴系由a、b、c轴组成,互差也为120°,但与定子轴系的区别在于转子轴系是随着转子的旋转而转动,而转子轴系是不固定的。

第三章 双馈风力发电机非线性动力学行为研究 ................... 22

3.1 引言 ............................... 22

3.2 分岔理论基础 ...................... 22

第四章 SMVSC-H 桥逆变器的非线性行为研究 ..................... 33

4.1 引言 ...................................... 33

4.2 工作原理及离散迭代模型的建立 ............................... 33

第五章 含DFIG并网系统的电压稳定性研究 ............................ 58

5.1 引言 ................................... 58

5.2 电力系统的微分-代数方程 ....................... 58

第五章 含DFIG并网系统的电压稳定性研究

5.3含DFIG并网系统电压稳定性分析

5.3.1基于MATCONT系统电压稳定性仿真分析

电气工程论文参考

图5.2给出了系统负荷电压U随无功功率1Q变化而发生的分岔情况,其中H代表Hopf分岔点,LP代表静分岔点。从图5.2可以看出,在系统的平衡解流行曲线中,有2个Hopf分岔点和3个静分岔点,平衡解流行以LP1和LP3两个静分岔点为临界点可分为上下两个半支,由于上半支在电压偏移的允许范围内,所以为稳定的一支;而下半支超出电压偏移的允许范围,所以为不稳定的一支,因此将研究的重点放在上半支。然而该平衡解流行以无功功率1Q=7为分界线又可分为左右两个分支,这两个分支的运动趋势整体是一样的,但左边这个分支所对应系统的负荷节点电压U偏低,供电可靠性较差,也不满足系统的运行要求。综上所述,下文只对图中的右半支的上半支进行详细分析。

第六章 总结与展望

6.1总结

文章首先对双馈风电机组的工作机理进行了阐述,并分别建立了本文研究所需的风力机的数学模型、双馈风机的数学模型、功率变换器的数学模型、同步发电机的数学模型、负荷模型和电力网络模型。由于DFIG风电系统中存在双馈电机和逆变器等一些非线性器件,在一定的条件下,这些非线性动态特性将会对电网的电网电压稳定产生不利的作用,因此对磁链开环转差型间接矢量控制的双馈电机、SMVSC-H桥逆变器和含DFIG并网系统中存在的非线性现象进行了研究,并分别对SMVSC-H桥逆变器系统中存在的稳定工作范围较小的问题和双馈风机并网引起的电压波动问题,提出了相应的改进方法,并用数值仿真充分验证了改进方法的有效性。本文的主要结论是:

(1)首先将dq旋转坐标系下DFIG的定转子电压方程、磁链方程、转子运动方程联立,并采用磁链开环转差型间接矢量控制,构造一个四阶非线性微分方程组,此方程组能够准确的表示DFIG的非线性特性。然后用MATCONT仿真软件得到以转子运动时间常数倒数k为分岔参数的时域图和相图,揭示DFIG中的分岔现象。仿真结果表明,随分岔参数k的逐渐增大,DFIG会从稳定状态过渡到临界稳定状态最终到达不稳定状态。

(2)首先基于频闪映射法建立SMVSC-H桥逆变器的离散迭代模型。然后应用数值仿真方法研究比例系数1k和滑模控制系数2k变化时在不同采样位置的非线性行为,最后针对比例系数1k和滑模控制系数2k的稳定工作区域都很小的问题,提出改进的SMVSC方法,并将其与改进前系统的稳定工作区域进行比较。仿真结果表明,系统存在单稳定循环状态、多倍分岔状态和混沌状态,且改进的SMVSC方法可有效扩大系统参数的稳定工作区域。

参考文献(略)