2. 适于弱交流电网接入的全功率风机虚拟同步控制策略开题报告

全文总字数：7341字

1. 研究目的与意义（文献综述）

能源是经济和社会发展的重要物质基础。随着世界范围内的能源短缺，以及各国对环境保护的日益重视，开发和研究可再生能源来代替被过度开采和使用的非可再生能源，已是各国政府在资源利用方面共同的发展方向。可再生能源产业，如风力发电、光伏发电等技术的开发应用已成为各类能源中发展最为快速的热点领域。据全球风能理事会发布的 2016 年全球风电发展统计数据，2016 年全球风电新增容量超过 54.6gw，全球累计装机容量达到 486.7gw；而据德国太阳能协会的统计数据，2016 年全球光伏新增装机容量达 70gw，全球光伏累计装机容量超过 300gw[3]。我国是全球新能源规模最大、发展最快的国家，2016 年我国风电、光伏发电在新增装机及累计装机容量方面均为全球第一。

在输电方面，直流输电技术可实现交流电网之间的异步互联，大幅度提高远距离输电能力。我国南方电网目前已投运 8 回近 3000 万千瓦直流工程，国家电网目前也已投运 5 回近 3500 万千瓦直流工程。且随着柔性直流技术的成熟，预期将在海上风电并网、直流化电源及负荷、包括远距离输电和电网分区等方面获得更加广泛的应用。目前我国已建成包括南汇、厦门、舟山、南澳等多端柔性直流输电示范工程。因此，输电网络的电力电子化也将成为未来重要的发展趋势。电力电子变换技术在配电网和用户端最早带来深刻的变革。在配电系统方面，电力电子变换装备的广泛使用，缩短电网的响应时间并增强电网的调控能力，同时提高配电网供电电能质量。例如，配电网中关键的电力电子变换装备有串并联同步补偿器，统一潮流控制器，有源滤波器，固态开关等。在电力负荷侧，电力电子变换装备将交流电根据负荷需要变换为相应形式的电能，达到节能和提高用电质量的目的。例如，照明采用电力电子技术实现节能用电；电气化铁路中的电机驱动采用电力电子变换技术既提高机车性能又维持电网侧的电能质量；工业电力传动系统中广泛使用变频器，以实现电机节电运行。对中小容量风机、水泵、压缩机等采用低压变频调速技术，一般可节能 20%~50%；中大容量设备采用高压变频调速技术可节能 25%~40%，这对占我国总用电量 40%以上的电动机耗电而言，节能效果非常可观[4]。此外，一些对供电质量要求高的场合必须采用电力电子装置。例如，银行、医院、数据中心等采用不间断电源 ups，电动汽车以及储能装置中的充放电设备等。

综上所述，由我国新能源发电发展现状以及其未来规划可知，随着基于电力电子变换技术的新能源发电持续快速增长，新能源发电在供电电源中所占比例进一步提高，将使我国的电源结构发生重大变革，即发电装备的电力电子化程度日益加深俨然已成为必然的发展趋势。

2. 研究的基本内容与方案

风机并网运行的基本目标是将风力机捕获的风功率转化为满足电网要求的电功率注入到电网。因此，对于风机而言，风机输入机械功率到输出电功率的正常流动以及二者的平衡是风机并网所要解决的根本问题。功率的不平衡势必将导致风机装备内部机械旋转部件和直流母线电容两个主要的储能元件运行状态发生变化，即机械转速或者直流电压发生变化，持续的功率不平衡必然导致风机因失速或变换器直流电压保护而脱网，这也决定了在风机并网控制中机械转速和直流电压是两个必须控制的对象[1]。机械转速的变化需通过速度控制相应调节风机内电势的动态以调节输出电功率，实现功率的平衡和机械转速的稳定；直流电压的变化需通过直流电压控制相应调节风机内电势的动态以调节输出电功率，实现功率的平衡和直流电压的稳定。

当前主流机型是双馈和全功率型风力发电机组，其基本拓扑结构如图所示。图(a)为双馈风机基本拓扑结构，风力机将风能转化为机械功率，机械功率经过传动链推动发电机旋转产生电磁功率，一部分从电机定子直接输出到电网，另一部分则经过机侧变换器与网侧变换器与电网进行功率交换，其中，功率的分配由转差率所决定。[2]类似地，对于图(b)中全功率风机而言，风力机将捕获的风能转化为机械功率，机械功率经过传动链推动发电机旋转并产生电磁功率，电磁功率将经过机侧变换器与网侧变换器输出到电网。在风机系统中，机械旋转部件、直流母线电容是与有功功率直接相关的主要的两类储能元件，机械转速、直流电压分别表征风机机械旋转部件及直流母线电容对应的运行状态。

3. 研究计划与安排

第1-3周：文献阅读、文献综述、外文翻译及开题报告；

第4-5周：了解并网风机的基本控制结构，弱电网特性以及基本矢量控制在弱电网环境下的局限性；

第6-7周：利用matlab/simulink软件进行虚拟同步控制的并网全功率风机实现接入弱电网的仿真；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. zhang, lidong, lennart harnefors, and hans-peter nee. "power-synchronization control of grid-connected voltage-source converters." ieee transactions on power systems25.2 (2009): 809-820. [2]. driesen, j., and k. visscher. "virtual synchronous generators." 2008 ieee power and energy society general meeting-conversion and delivery of electrical energy in the 21st century. ieee, 2008. [3]. 王硕 双馈风机虚拟同步并网控制基础理论与关键技术研究[d] 华中科技大学 2017 [4]. prabha kundur 电力系统稳定和控制[b] 中国电力出版社 2001 [5]. liu, jia, yushi miura, and toshifumi ise. "comparison of dynamic characteristics between virtual synchronous generator and droop control in inverter-based distributed generators." ieee transactions on power electronics 31.5 (2015): 3600-3611.

[6]. wang, shuo, jiabing hu, and xiaoming yuan. "virtual synchronous control for grid-connected dfig-based wind turbines." ieee journal of emerging and selected topics in power electronics 3.4 (2015): 932-944.

[7]. shao, haoshu, et al. "equivalent modeling and comprehensive evaluation of inertia emulation control strategy for dfig wind turbine generator." ieee access 7 (2019): 64798-64811.