论文总字数：23238字

摘 要

风力发电作为绿色、可再生能源，近年来在我国发展迅速，发电总量占比也日益提高。传统的基于电力电子变流器控制的风力发电系统，通过并网逆变器向电网传输电能，由于缺少转动惯量，使得系统频率的调节非常困难。

双馈风力发电机作为目前使用最广泛的风力发电机，通过采用虚拟同步机（VSG）技术将风力发电系统的并网逆变器模拟成同步发电机，从而使得逆变器具有同步发电机的调频、调压、作用，在运行机制及外特性上与常规同步机相似，大大提高了风力发电系统并网运行的性能。

本论文研究虚拟同步机的工作原理和实现方法，并验证所提方案的有效性。对目前经典的双馈风力发电机动态、静态方程和数学模型进行了推导，给出了双馈风力发电机各个组成部分的结构和控制原理，叙述了双馈风力发电机工作原理，并分析了双馈风力发电机参与频率控制和自身输出功率控制的策略和原理。

通过对虚拟同步机实现原理的研究，提出了“附加频率-功率控制”方案，使得双馈风力发电机能够参与弱电网调频。最后，在matlab中搭建的仿真模型，通过仿真确认了所提方案的有效性。

关键词：双馈风力发电机，虚拟同步机，频率调节。

Research on Virtual Synchronous Generator Technology of Wind Power Generation System

Abstract

As a green and renewable energy source, wind power has developed rapidly in China in recent years, and the proportion of total power generation has also been increasing. The traditional wind power generation system based on power electronic converter control transfers power to the grid through a grid-connected inverter. Due to the lack of rotational inertia, the system frequency regulation is very difficult.

Doubly-fed induction generators are the most widely used wind turbines. They use a virtual synchronous generator (VSG) technology to simulate the grid-connected inverters of wind power generation systems as synchronous generators, thus making the inverters have synchronous generators. Frequency modulation, voltage regulation, and operation are similar to conventional synchronous generators in terms of operating mechanism and external characteristics, which greatly improves the performance of wind power generation systems in grid-connected operation.

In this thesis the working principle and implementation method of the virtual synchronous generator are studied and the validity of the proposed scheme is verified. The dynamic, static equations and models of the classical doubly-fed wind generator are deduced, and the operating principle of the doubly-fed wind generator is described. The components and control principle of the doubly-fed wind generator are given. The strategy and principle of frequency and power control for doubly-fed wind generators are analyzed.

By studying the realization principle of the virtual synchronous generator, an “additional frequency-power control” scheme is proposed, so that the doubly-fed wind generator can participate in the microgrid frequency modulation. Finally, according to the simulation model built in matlab, the effectiveness of the proposed scheme is confirmed.

KEYWORDS: Doubly-fed induction generator, virtual synchronous generator, frequency regulation

目 录

风力发电系统虚拟同步机技术研究 I

摘要 I

第一章 绪论 1

1.1 选题研究背景及意义 1

1.2 风力发电研究现状概述 2

1.3 双馈风力发电虚拟同步机技术概述 3

1.4 本文主要研究内容 4

第二章 风机分析基本理论与方法 5

2.1 引言 5

2.2 常见的风速模型 5

2.3 双馈风力发电机组基本结构与原理 7

2.3.1 双馈异步发电机组基本结构 7

2.3.2 双馈异步感应发电机工作原理 8

2.4 双馈异步风力发电机与永磁直驱风力发电机定性比较分析 10

2.4.1 结构差异 10

2.4.2 运行原理和性能对比 11

2.5 双馈异步发电机的数学模型 11

2.5.1 三相静止坐标abc系下DFIG数学模型 12

2.5.2 两相旋转坐标dq0系下DFIG数学模型 14

2.5.3 双馈异步感应发电机的等效电路 17

第三章 并网风电系统控制策略研究 19

3.1 引言 19

3.2 频率调节原理 19

3.2.1 电力系统频率波动分析 19

3.2.2 电力系统频率控制策略 20

3.3 风电穿透率对频率调节的影响 20

3.4 双馈风机频率响应 21

3.5 双馈风机调频基本思想概述 23

第四章 双馈风机调频策略研究 25

4.1 引言 25

4.2 虚拟同步机控制策略提出 25

4.3 双馈风电机组调频控制策略研究 25

4.3.1 功率曲线切换的惯性控制 25

4.3.2 变桨距频率控制 26

4.4 不保留功率备用调频策略 27

4.4.1 传统惯性控制原理 27

4.4.2 附加频率-功率控制环设计 28

第五章 虚拟同步机系统仿真与分析 30

5.1 双馈风力发电机虚拟同步机控制系统仿真模型 30

5.2 仿真结果分析 32

5.2.1 无调频控制策略时的仿真波形及其分析 32

5.2.2 附加频率-功率控制时的仿真波形及其分析 34

第六章 结论与展望 38

6.1 结论 38

6.2 展望 38

参考文献 39

致 谢 41

绪论

选题研究背景及意义

人类社会的快速发展，对自然能源的使用量与日俱增。煤、石油、天然气等在地球上的储量也是有限的，随着工业化的发展，这些不可再生能源被大量消耗，面临着消耗殆尽的危险。

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