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海上风力发电接入孤立电网的仿真研究

作　者: 施刚
导　师: 蔡旭
学　校: 上海交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 海上风力发电孤立电网互补发电多重化并联变流器穿透功率极限 PSCAD/EMTDC
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着环境保护和能源需求的日益突出,风力发电己经成为最具有商业化发展的新兴产业,有可能成为未来最重要的替代能源。风力发电技术越来越成为各国学者研究的热点,海上风力发电又以其自身的特点将成为未来风电发展的重点。为了探索国内风力发电由陆上向海上拓展的可行性,同时尝试大比重风电与小型弱电网的并网技术,中国海洋石油总公司建设了我国第一座海上风力发电站,本文对其并入油田平台这一孤立电网的可行性进行前期仿真验证工作。直驱永磁型风力发电由于其不需要齿轮箱,维护量小,更适合于海上风力发电的需要。本文分析了一种考虑到现有开关器件功率水平,符合MW级直驱永磁型风力发电要求的变流电路,即多重化并联结构。本文对其主要电路即多重化并联升压斩波器及SPWM逆变器的输入输出特性与单重时进行了比较分析,并通过PSCAD/EMTDC建模及仿真,验证了该多重化电路结构在提高系统容量的同时,有效地抑制了谐波的输出,从而提高了电能质量,满足对孤立网络的并网要求。在孤立电网中,例如风—柴油互补发电系统、海上油田平台电网,相对高的风电穿透功率能够在很大程度上降低燃料消耗以节约运行成本,然而,风力发电机输出的随机功率扰动会给系统带来电压和频率的变化,对系统稳定性也会造成相当大的影响。本文基于PSCAD/EMTDC建立了柴油原动机、励磁系统、调速系统模型,对永磁同步风力发电机与柴油发电机联合供电的风—柴油互补发电系统进行了仿真和分析,以表明基于多极永磁同步风力发电机的风—柴油互补发电系统可以仅仅依靠柴油发电机的调节,使系统实现较高的风电穿透功率和良好的动态性能。本文还介绍了另一种常见的孤立电网,即风—燃气互补发电系统,理论分析了风—燃气互补发电对孤立电网电压稳定性和频率稳定性的影响。结合中国海洋石油总公司设计建造的国内第一座海上风电站仿真研究项目,在PSCAD/EMTDC平台上搭建了该风电站的动态模型。仿真结果表明该风—燃气互补发电系统能很好地维持出力恒定,解决风能波动给孤立电网带来的稳定性问题,并得出了该孤立电网的风电穿透功率极限。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-19
  1.1 国内外海上风力发电的发展现状、趋势与关键技术  11-16
    1.1.1 国外海上风力发电的发展现状  11-12
    1.1.2 国内海上风力发电的发展现状  12-13
    1.1.3 海上风力发电的发展趋势  13
    1.1.4 海上风力发电的关键技术  13-16
  1.2 孤立电网的特点  16
  1.3 课题研究的意义  16-17
  1.4 本文研究的主要内容  17-19
第二章直驱永磁同步风力发电机组的建模与仿真研究  19-51
  2.1 引言  19-20
  2.2 风的建模  20-26
    2.2.1 风的数学模型  20-22
    2.2.2 基于PSCAD 风模型的建立  22-26
  2.3 风力机的建模  26-31
    2.3.1 风力机的数学模型  26-28
    2.3.2 基于PSCAD 风力机模型的建立  28-31
  2.4 永磁同步风力发电机主电路的建模  31-46
    2.4.1 六相永磁同步发电机模型  33-36
    2.4.2 三重化并联升压斩波器模型  36-40
    2.4.3 二重化并联网侧逆变器模型及其谐波分析  40-46
  2.5 直驱永磁同步风力发电机组的仿真分析  46-50
  2.6 本章小结  50-51
第三章风—柴油互补孤立电网的建模与仿真研究  51-81
  3.1 引言  51-52
  3.2 风—柴油互补发电系统的介绍  52-53
  3.3 柴油发电机的建模  53-65
    3.3.1 调速系统模型  53-59
    3.3.2 励磁系统模型  59-63
    3.3.3 同步发电机模型  63-64
    3.3.4 风力及柴油发电机互补系统模型  64-65
  3.4 风—柴油互补孤立电网的仿真分析  65-79
    3.4.1 柴油发电机单机带额定负载运行  65-67
    3.4.2 柴油发电机单机带变化负载运行  67-69
    3.4.3 柴油发电机-风机恒风速、额定负载运行  69-71
    3.4.4 柴油发电机-风机恒风速、变化负载运行  71-73
    3.4.5 柴油发电机-风机变化风速、额定负载运行  73-75
    3.4.6 柴油发电机-风机变化风速、变化负载运行  75-77
    3.4.7 柴油发电机-风机逐增风速、额定负载运行  77-79
  3.5 本章小结  79-81
第四章海上风电接入石油平台的建模与仿真研究  81-102
  4.1 引言  81-82
  4.2 海上石油平台电网的介绍  82-84
  4.3 燃气轮机发电机的建模  84-88
    4.3.1 燃气轮机发电机的组成与工作原理  84-85
    4.3.2 燃气轮机模型  85-87
    4.3.3 同步发电机及其励磁系统模型  87-88
  4.4 SZ36-1 石油平台电网的建模  88-92
    4.4.1 WHP 子平台模型  88-89
    4.4.2 SZ36-1 平台模型  89-90
    4.4.3 SZ36-1 平台发电系统模型  90-91
    4.4.4 整个平台模型  91-92
  4.5 孤立电网的稳定性分析  92-93
  4.6 海上风电接入孤立电网的仿真分析  93-101
    4.6.1 动态稳定性仿真  93-96
    4.6.2 暂态稳定性仿真  96-101
  4.7 本章小结  101-102
第五章总结与展望  102-104
参考文献  104-107
致谢  107-108
攻读学位期间发表的学术论文目录  108

海上风力发电接入孤立电网的仿真研究

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