智能电网环境下风电场黑启动技术研究

作     者：冯祎鑫 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤奕

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：风力发电 黑启动 虚拟惯量 频率稳定 路径寻优 

摘      要：黑启动是指整个电力系统因故障全停后,不依赖别的系统帮助,通过系统中具有自启动能力机组带动无自启动能力的机组,逐渐扩大系统供电范围,最终实现整个系统恢复的过程。传统黑启动电源通常选取抽水蓄能电站或燃气轮机等运行可靠性较高的电源,然而受水资源分布不均、燃气轮机运行维护要求较高等因素约束,电网中存在黑启动电源不足及分布不合理的实际问题。随着智能电网环境下运行控制技术的提升,采用大规模“系统友好型风电参与黑启动在理论研究和实际应用上均是一种有益的尝试。因此,为了有效地利用风电场的启动能力,其启动特性、控制策略和实现方法亟待深入研究。本文首先基于风电参与黑启动的场景,深入分析了风电场的自启动能力。探讨了关于风电参与黑启动的关键问题,包括了启动风电机组类型的选择、配套小容量支撑电源的选择、静止无功发生器启投时机的确定,详细分析了风电参与黑启动的过程。通过对永磁直驱风电机组的数学模型、控制策略和辅机构成情况的深入研究,初步确定配套支撑电源的容量,并建立了柴油发电机和静止无功发生器的模型。在PSCAD平台搭建相应系统模型,分析了不同情况下风力发电系统启动特性。其次,针对黑启动过程频率控制问题,提出适用于风电场黑启动的虚拟惯量频率协同控制策略。通过研究永磁直驱风电机组的虚拟惯量原理,基于风电场黑启动场景下对传统虚拟惯量策略进行了适应性分析。基于传统策略的不足提出了一种新的频率协同控制策略,通过加入改进桨距角响应控制、柔性切换控制可显著加强风电机组的频率控制能力,提升风电参与黑启动的系统频率稳定性。基于PSCAD仿真,对风电场黑启动的全动态过程进行了不同策略的对比分析,验证了所提策略的合理性和先进性。再者,针对实际工程应用,提出一种基于负荷控制的风电场黑启动方法及其平台设计。通过对风电场和火电厂分层负荷特性进行研究,构建其静态等值负荷模型和感应电动机模型。基于分层分区负荷控制原则的分析,提出了一种基于负荷分层分区控制的风电场黑启动方法,基于PSCAD仿真对比不同方案的控制效果,并与虚拟惯量协调控制策略进行对比。同时,提出了风电场黑启动平台设计方案,包括其系统框架设计和硬件设计。最后,针对高密度风电渗透率地区,基于动态分群对多风电场群启动路径进行寻优。通过合理利用超短期风功率预测信息对风电场进行动态分群,并基于不同分群结果对其进行量化。提出了综合考虑最大发电量、最短电气距离和最小辅机启动容量的优化模型,基于蚁群算法对风电场群启动路径进行寻优,通过MATLAB仿真,从实际工程应用需求出发对比验证了不同多目标求解方法的结果。