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摘 要

随着风力发电厂的装机容量不断增加，电力系统的份额也随之增加。由于风能的特性，由于交流电网的弱化，风力发电系统的接入点在系统的安全性和稳定性方面存在很大困难。如何提高系统对弱电网中小干扰的稳定性以及提高风电系统的稳定性，是该研究课题中的重要课题。

本文首先分析了虚拟同步机的控制策略，并通过引入有功功率调节功能，转换器可以模拟同步发电机的运行特性，并提高并网电流的动态响应速度。在分析了变频器输出的外部特性之后，在弱电网中很可能会干扰系统的工频，并提出了VSG的虚拟频率惯量自适应方法。通过在系统扰动期间通过频率变化进行实时可调的风扇功率，可通过增加有功功率而使负载频率突然降低来实现增加频率的效果。基于虚拟同步控制策略，实现了电网侧变流器的有功功率控制，提高了并网变流器的稳定性，完成了全功率风机的虚拟同步控制仿真。

关键词：永磁直驱式同步风机；虚拟同步发电机；并网变流器；虚拟惯量控制

Abstract

As the installed capacity of wind power plants continues to increase, the share of power systems also increases. Due to the characteristics of wind energy and the weakening of the AC power grid, the access points of wind power generation systems have great difficulties in terms of system safety and stability. How to improve the adaptability of the system to small interference in weak power grids and improve the stability of wind power systems is an important topic in this research project.

This article first analyzes the control strategy of the virtual synchronous machine, and by introducing the active power adjustment function, the converter can simulate the operating characteristics of the synchronous generator and improve the dynamic response speed of the grid-connected current. After analyzing the external characteristics of the inverter output, it is likely to interfere with the power frequency of the system in the weak power grid, and a virtual frequency inertia adaptive method of VSG is proposed. By performing fan power adjustable in real time through frequency changes during system disturbances, the effect of increasing the frequency can be achieved by increasing the active power and causing the load frequency to suddenly decrease. Based on the virtual synchronous control strategy, the active power control of the grid-side converter is realized, the stability of the grid-connected converter is improved, and the virtual synchronous control simulation of the full-power wind turbine is completed.

Keywords: Permanent Magnet Direct Drive Synchronous Fan; Virtual Synchronous Generator; Grid-Connected Converter; Virtual Inertia Control

目 录

第 1 章 绪论 1

1.1 风力发电的现状和发展 1

1.2 弱电网接入的问题 2

1.3 本文主要研究内容 2

第 2 章 全功率风机的控制原理 3

2.1 风电机组类型和结构 3

2.1.2 风力机的基本原理 4

2.1.3 全功率风机的工作原理 6

2.2 全功率风机并网变流器的矢量控制 6

2.2.1 风力发电机的处理 6

2.2.2 变流器矢量电流控制数学模型 7

第 3 章 虚拟同步发电机的原理 9

3.1 同步发电机 9

3.1.1 同步发电机结构 9

3.1.2 同步发电机特性 9

3.2 虚拟同步发电机同步并网控制 10

3.2.1 永磁直驱式同步发电机并网控制原理 10

3.2.2 虚拟同步发电机同步并网控制原理 11

第 4 章 全功率风机的虚拟同步控制策略仿真及分析 13

4.1 弱交流电网接入虚拟同步控制策略 13

4.2 并网变流器的虚拟同步控制仿真 14

4.3 矢量控制和虚拟同步控制效果比较 15

第 5 章 结论 18

参考文献 19

致谢 20

绪论

风力发电的现状和发展

随着人们对能源意识的增强，世界的能源结构正在发生巨大变化。经过近30年的快速发展，风电行业的现状和发展趋势可总结如下^[1]：

1、新型高效，高可靠性的风力涡轮机不断推出，最新技术含量也在不断增加。通过使用先进的设备，中小型风力发电机的利用率已达到95％以上，甚至98％。单位效率的提高可使每千瓦的功率增加约10％至30％；

2、风力涡轮机的单位容量逐渐增加，并且风力涡轮机的尺寸和输出功率也迅速增加。随着风电场建设的增加，风力涡轮机制造业从小型工厂发展成为大型跨国公司；

3、风力发电成本和价格逐渐降低。在世界范围内，在风力发电行业的发展中，已经着重注意降低风力发电成本和电价。新的高效大型设备的开发已成功完成，工业化，大规模和商业化生产逐步得到改善和扩展，为降低风电和电价提供了可能^[2]；

4.从陆地到海洋发展风电场。海上风电场具有许多优势，例如快速稳定的气流，不影响自然景观，居民区产生的噪声，低噪声干扰，便捷的海上运输和风力涡轮机的安装。

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