无刷双馈风机系统惯性动力学特性分析及与电网低频耦合模型稳定性研究

Wind energy is a kind of high quality clean renewable energy, the wind power is the most mature way.The wind energy resources of Xinjiang are rich, good quality, and very suitable for large-scale development . This project on the background of xinjiang wind power industry development , considering the abundant wind resources environment of the area is relatively poor, the research adopt the brushless doubly-fed motor(BDFM) as wind generator power system, improve the motor running reliability, reduce the system maintenance cost. Because of double stator structure of BDFM, mechanical and electrical properties are different with doubly-fed motor, the first research is analysis of single and multiple machine motor inertia dynamics characteristic of system according to the mechanical and electrical properties of BDFM, then combining with active ower during the motor running, calculate the wind turbines system equivalent inertia, finally according to the calculation of the equivalent inertia, analysis the relationship of low-frequency coupling model damping characteristics with the wind turbines system , including the small disturbance stability, stable frequency and Angle, etc. Combined with superior resources in xinjiang, the project tries to study the electrical machinery, electrical properties and stability of grid coupling analysis of two aspects, explore large-scale grid wind power system stability analysis model of the problem, it have stronger regional promotion prospects.

风能是一种优质的清洁可再生能源，目前风能利用最成熟的方式是风力发电。新疆风能资源丰富，质量好，适合大规模开发利用。 本项目以新疆大风电产业发展为背景，考虑风能资源丰富地区的环境较恶劣，研究以无刷双馈电机作为风力发电机构成电力系统，提高电机运行可靠性，降低系统维护成本。由于无刷双馈电机采用双定子结构，机械和电气特性与有刷双馈电机有所区别，因此，研究首先根据无刷双馈电机的机械和电气特性，分析单机和多机系统的电机惯性动力学特性，结合电机运行时有功出力，计算风机系统等值惯量，依据计算的等值惯量，分析与电网阻尼特性之间的关系，进而研究风机系统与电网低频耦合模型的稳定性，包括小扰动稳定，频率以及功角稳定等。 此项研究结合新疆优势资源，力图从电机机械、电气特性和电网耦合稳定性分析两个层面，探索风电大规模并网时系统稳定性的分析模型问题，具有较强的区域推广前景。

项目研究是在国家大力发展新能源发电和新疆丰富风能的背景下展开的。工作按照拟定的年度研究计划和研究重点进行，针对无刷双馈电机物理模型与数学模型对应验证，惯性模型建模，电机惯性系统动力学分析，机组等值惯量与电网阻尼特性分析，无刷双馈电机单机独立运行以及并网后虚拟同步控制等方面展开分析和研究。具体为（1）研究绕线式无刷双馈电机单机的物理结构，从物理结构推导出电机惯性模型，并将单机与多机组联合建模分析，得到多机组惯性模型；同时对结构中未知的初相角做了分析和研究，得到电机转子惯量的大小为功率绕组和控制绕组惯量之和的结论，在此结论基础上，考虑电机本体惯量，结合接入系统的惯量，计算出电机等值惯量大小，在考虑电机出力大小和电网阻尼特性得到系统等值惯量，为分析系统惯量和频率稳定性奠定基础；（2）开展了无刷双馈电机单机运行系统的分析和研究，提出了基于控制绕组电流定向的无刷双馈电机单机运行时的矢量控制，并根据矢量控制电压外环的投影值不便计算的问题，提出了q轴电流自校正控制策略，通过控制绕组定向时q轴电流为零的特点，在系统运行时实时监测q轴电流值，反算出此时dq轴之间的角度，通过此角度就可以计算出d轴电压的投影值，提高d轴控制器的精度。同时根据无刷双馈电机电气和机械运动方程，结合控制方式，建立了无刷双馈电机连接电网时的小信号模型。根据小信号模型的分析方法，分析稳定性和稳定裕度；（3）根据对无刷双馈电机惯性和小信号建模，发现无刷双馈电机除了具有自己的特性外，在惯性和阻尼特征上具有双馈电机的特性，即惯性“隐藏”，因此，当无刷双馈电机作为风力发电机接入电网时，需要对其系统惯性和阻尼进行控制，以实现对电网的友好支撑，即无刷双馈电机的虚拟同步控制，并考虑电力电子器件与电力系统之间的时间尺度问题，提出了无刷双馈电机虚拟同步控制的多尺度模型，结合系统尺度特性，分析虚拟同步控制的稳定性等特性。. 本项目针对大规模风电并网后的惯量问题展开研究，对单机和等值惯量都做了较深如的分析，并根据电机特性，提出了无刷双馈电机的虚拟同步控制，对无刷双馈电机应用于风电和大规模风电并网稳定运行都具有较高的理论和实践意义。