毕业设计(论文)题目

分布式风电场低电压穿越故障建模与仿真

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研究目的和意义：

1.研究目的

随着新能源的广泛应用，分布式风电场在电力系统中的占比日益增加。然而，电网故障引发的低电压情况，对分布式风电场的稳定运行构成严峻挑战。低电压穿越（LVRT）能力成为衡量分布式风电场性能的关键指标。本研究旨在深入探究分布式风电场低电压穿越故障的建模与仿真方法。通过查阅大量相关文献，掌握新能源分布式风电场低电压穿越故障的工程背景，明确国家标准和行业标准对低电压穿越性能的要求。运用电力系统仿真软件 Matlab，构建能够精准模拟真实分布式风电场低电压穿越故障的仿真模型。借助该模型，针对不同故障类型，分析 LVRT 特性，找出影响其特性的关键系统变量。最终提出切实可行的提升 LVRT 性能的控制策略或措施，为分布式风电场在复杂电网环境下的稳定运行提供理论支持与技术指导。

2.研究意义

从理论层面看，本研究有助于丰富和完善分布式风电场低电压穿越故障领域的理论体系。目前，虽然已有不少关于风电场低电压穿越的研究，但针对分布式风电场在复杂故障情况下的建模与仿真研究仍有待深入。通过本研究，能够进一步揭示分布式风电场在低电压穿越过程中的动态特性，为后续相关研究提供参考和借鉴。从实践角度而言，本研究具有重要的现实意义。随着分布式风电场的大规模接入，其低电压穿越性能直接影响电网的稳定运行。准确建模与仿真分布式风电场低电压穿越故障，能够提前预测和评估风电场在故障情况下的响应，有助于电网调度部门制定合理的运行策略。同时，提出的提升 LVRT 性能的控制策略或措施，可应用于实际工程，提高分布式风电场的可靠性和稳定性，保障电力系统的安全运行，促进新能源的可持续发展。

相关国内外研究现状（文献综述）：

1.国内研究现状

（1）低电压穿越技术基础研究

在国内，众多学者围绕风力发电系统的低电压穿越技术展开了全面且深入的研究。孙超俊（2022）[3]聚焦双馈风力发电系统，对其低电压穿越技术进行了系统研究，深入剖析了双馈风力发电系统在低电压穿越过程中面临的诸多问题，如电压跌落时转子侧过电流、直流母线过电压等，并提出了相应的解决策略，为后续研究提供了重要的理论基础。张博宸（2021）[5]针对直驱永磁风力发电并网建模与低电压穿越控制方法展开研究，通过建立精确的直驱永磁风力发电系统模型，分析了不同控制策略对低电压穿越性能的影响，为直驱永磁风力发电系统的低电压穿越控制提供了新的思路。

（2）低电压穿越建模与仿真方法

在建模与仿真方面，国内学者取得了丰富成果。吴志鹏等（2022）[2]基于低电压穿越功率特性，提出了双馈风电场多机等值方法，该方法能够有效简化双馈风电场的建模过程，同时保证模型的准确性，为大规模双馈风电场的低电压穿越研究提供了便利。唐文秀和李长宇（2021）[4]开展了三相风力发电机低电压穿越控制方法仿真研究，通过仿真验证了所提控制方法在提高低电压穿越性能方面的有效性，为三相风力发电机的低电压穿越控制提供了实践参考。李友涛（2023）[10]对双馈风力发电机组参数辨识及低压穿越仿真进行了研究，通过准确辨识机组参数，提高了低压穿越仿真的精度，为深入研究双馈风力发电机组的低电压穿越特性提供了有力支持。

（3）低电压穿越特性分析与控制策略优化

对于低电压穿越特性分析以及控制策略优化，国内也有诸多研究成果。赖启平等（2022）[7]基于微分神经网络对风电机群低电压穿越特性进行建模，通过引入微分神经网络，能够更准确地捕捉风电机群在低电压穿越过程中的动态特性，为分析风电机群的低电压穿越特性提供了新的工具。刘引弟（2022）[9]开展了双馈风机综合保护的低电压穿越仿真研究，通过综合考虑多种保护措施，提出了优化后的低电压穿越控制策略，有效提高了双馈风机的低电压穿越能力。程杉等（2025）[11]基于雪消融算法提出光伏并网逆变器低电压穿越模型多阶段参数辨识方法，虽然研究对象为光伏并网逆变器，但其多阶段参数辨识方法为分布式风电场低电压穿越模型的参数辨识提供了有益借鉴。庄良文等（2022）[12]研究了光伏逆变器高、低电压穿越控制参数辨识方法，同样为风电场低电压穿越控制参数的优化提供了思路。

（4）低电压穿越对电网影响及短路电流计算

在低电压穿越对电网的影响以及短路电流计算方面，国内学者也进行了相关研究。姜涛等（2025）[1]研究了风电低电压穿越和脱网并存下电网暂态频率轨迹在线预测，分析了风电场低电压穿越和脱网对电网暂态频率的影响，为电网调度部门在风电场低电压穿越和脱网情况下的频率控制提供了参考。张小奇等（2025）[13]基于半实物仿真提出双馈风机低电压穿越短路电流计算方法，该方法能够更准确地计算双馈风机在低电压穿越过程中的短路电流，为电网的继电保护设计提供了重要依据。

2.国外研究现状

（1）低电压穿越对低惯性系统影响

国外学者在低电压穿越对系统的影响方面开展了大量研究。Qazi H W 等（2022）[14]研究了风场低电压穿越行为对低惯性系统的影响，指出风场的低电压穿越能力对低惯性系统的频率稳定和电压稳定具有重要影响。随着风电在电力系统中的占比不断增加，电力系统的惯性逐渐降低，风场的低电压穿越性能成为影响系统稳定性的关键因素之一。该研究为深入理解低电压穿越与系统稳定性之间的关系提供了重要参考。

（2）海上风电场低电压穿越策略

在海上风电场低电压穿越策略方面，国外也有相关研究成果。Wang Y 等（2024）[15]提出了适用于海上风电场的模块化多电平换流器（MMC）串联与二极管整流器（DR）的低电压穿越策略，该策略能够有效提高海上风电场在低电压情况下的运行可靠性，为海上风电场的大规模开发提供了技术支持。

（3）柔性直流输电集成风电场低电压穿越建模与控制

对于柔性直流输电集成风电场的低电压穿越问题，国外学者进行了深入研究。Chen J 等（2025）[16]开展了柔性直流输电集成风电场的交流 - 直流电压控制耦合建模以及自适应低电压穿越方法研究，通过建立精确的交流 - 直流电压控制耦合模型，提出了自适应低电压穿越方法，能够有效提高柔性直流输电集成风电场在低电压穿越过程中的稳定性和可靠性。

3.研究现状总结

综合国内外研究现状来看，在低电压穿越技术基础研究方面，国内外学者均取得了显著成果，深入剖析了不同类型风力发电系统的低电压穿越原理和面临的问题。在建模与仿真方法上，国内外都不断探索新的方法以提高模型的准确性和仿真效率。对于低电压穿越特性分析与控制策略优化，国内外研究都致力于提出更有效的控制策略来提升低电压穿越性能。在低电压穿越对电网影响及短路电流计算方面，国内外研究为电网的安全稳定运行提供了重要支持。

然而，目前的研究仍存在一些不足之处。例如，在分布式风电场低电压穿越故障的建模与仿真方面，虽然已有多种建模方法，但对于复杂故障情况下的建模精度和仿真效率仍有待提高；在控制策略优化方面，虽然提出了多种控制策略，但如何综合考虑多种因素，实现控制策略的最优选择仍需进一步研究。因此，本研究将在前人研究的基础上，针对分布式风电场低电压穿越故障建模与仿真展开深入研究，旨在提高建模精度和仿真效率，提出更有效的控制策略，为分布式风电场的稳定运行提供保障。

研究主要内容及方法：

1.研究方法

（1）理论分析法：深入剖析分布式风电场低电压穿越故障的物理机制与电气特性，从理论上推导相关数学模型，为后续研究提供坚实的理论基础。

（2）建模与仿真法：基于理论分析结果，运用专业仿真软件构建分布式风电场低电压穿越故障的详细模型，通过仿真实验模拟不同故障场景，获取关键数据。

（3）对比分析法：对不同建模方法、控制策略下的仿真结果进行对比分析，评估其优劣，从而筛选出最适合分布式风电场低电压穿越故障的建模与控制方案。

（4）案例研究法：选取实际分布式风电场案例，将研究成果应用于案例中，验证研究成果在实际工程中的可行性和有效性。

2.研究内容

（1）分布式风电场低电压穿越故障机理深入研究

详细研究分布式风电场中各类风力发电机组（如双馈、直驱等）在低电压穿越故障发生时的电气特性变化，包括电压、电流、功率等参数的动态响应过程。分析不同类型机组在故障期间的电磁暂态特性，明确故障对机组电气性能的影响机制。故障传播机制研究：探究低电压穿越故障在分布式风电场内部的传播路径和传播规律。考虑风电场内机组之间的电气连接、拓扑结构以及控制策略的相互作用，分析故障如何从一个机组扩散到整个风电场，以及不同因素对故障传播的影响程度。

（2）分布式风电场低电压穿越故障建模方法优化

对国内外现有的分布式风电场低电压穿越故障建模方法进行全面梳理和评估，分析各种方法的优缺点和适用范围。重点关注基于等值电路、状态空间、智能算法等不同原理的建模方法，总结其在建模精度、计算效率、复杂度等方面的特点。结合分布式风电场的实际运行特点和低电压穿越故障的特殊要求，提出一种新型的故障建模方法。该方法应综合考虑风电场的动态特性、不确定性因素以及故障的复杂性，能够更准确地模拟低电压穿越故障的发生、发展和恢复过程。通过与现有建模方法的对比分析，验证新型建模方法的优越性。针对所提出的建模方法，研究模型参数的优化方法。通过理论分析和实验数据，确定模型中关键参数的取值范围和优化目标。采用智能优化算法（如遗传算法、粒子群算法等）对模型参数进行优化，提高模型的准确性和适应性。

（3）分布式风电场低电压穿越故障仿真技术研究

选择合适的专业仿真软件（如 MATLAB/Simulink、PSCAD 等），搭建分布式风电场低电压穿越故障仿真平台。在仿真平台中集成所提出的建模方法和控制策略，实现故障场景的模拟和仿真分析。设计多种不同类型的低电压穿越故障场景，包括单相接地故障、两相短路故障、三相短路故障等，以及不同故障持续时间、故障严重程度等情况。考虑风电场在不同运行工况（如不同风速、不同负荷水平）下的故障响应，全面评估风电场的低电压穿越能力。对仿真结果进行详细分析，提取关键指标（如电压跌落深度、恢复时间、机组出力变化等），评估分布式风电场在低电压穿越故障下的性能表现。分析不同故障场景和控制策略对风电场性能的影响，为控制策略的优化提供依据。

（4）分布式风电场低电压穿越控制策略优化

对国内外现有的分布式风电场低电压穿越控制策略进行系统分析，包括转子侧控制、网侧控制、桨距角控制等方面。总结各种控制策略的原理、实现方法和优缺点，明确现有控制策略在应对复杂故障场景时存在的不足。结合新型建模方法和仿真结果，提出一种适用于分布式风电场低电压穿越的新型控制策略。该控制策略应综合考虑机组的动态特性、故障的严重程度以及电网的要求，能够实现对机组出力、电压、频率等参数的有效控制，提高风电场的低电压穿越能力和稳定性。通过仿真实验和案例分析，对新型控制策略的性能进行评估。与现有控制策略进行对比，分析新型控制策略在提高低电压穿越能力、减少故障损失、加快恢复速度等方面的优势。同时，考虑控制策略的复杂度和实现成本，评估其在实际工程中的可行性和经济性。

3.参考文献

[1] 姜涛,吕亚洲,刘福锁,等.风电低电压穿越和脱网并存下电网暂态频率轨迹在线预测[J].电力系统自动化, 2025(5).

[2] 吴志鹏,裴建华,李银红.基于低电压穿越功率特性的双馈风电场多机等值方法[J].电力系统自动化, 2022, 46(19):95-103.

[3] 孙超俊.双馈风力发电系统低电压穿越技术研究[D].重庆理工大学,2022.

[4] 唐文秀,李长宇.三相风力发电机低电压穿越控制方法仿真[J].计算机仿真, 2021.DOI:10.3969/j.issn.1006-9348.2021.01.016.

[5] 张博宸.直驱永磁风力发电并网建模与低电压穿越控制方法研究[D].长沙理工大学,2021.

[6] 吴小可,郭敬梅,曾有芝,等.PSCAD与PowerFactory相互校验的风机低电压穿越模型[J].佳木斯大学学报（自然科学版）, 2024, 42(3):31-35.

[7] 赖启平,肖谭南,李东晟,等.基于微分神经网络的风电机群低电压穿越特性建模[J].系统仿真学报, 2022, 34(12):11.DOI:10.16182/j.issn1004731x.joss.22-FZ0928.

[8] 赖启平,沈沉,杨艳晨,等.风电机组反复低电压穿越切换系统建模及电压振荡机理分析[J].电力系统自动化, 2025, 49(7):46-56.

[9] 刘引弟.双馈风机综合保护的低电压穿越仿真研究[J].价值工程, 2022, 41(23):3.DOI:10.3969/j.issn.1006-4311.2022.23.030.

[10] 李友涛.双馈风力发电机组参数辨识及低压穿越仿真研究[D].昆明理工大学,2023.

[11] 程杉,蔡子威,张旭军,等.基于雪消融算法的光伏并网逆变器低电压穿越模型多阶段参数辨识方法[J].电力系统保护与控制, 2025, 53(5):47-58.

[12] 庄良文,张彦兵,陈光华,等.光伏逆变器高,低电压穿越控制参数辨识方法[J].广西电力, 2022, 45(4):8-16.DOI:10.3969/j.issn.1671-8380.2022.04.002.

[13] 张小奇,葛鹏江,吕金历,等.基于半实物仿真的双馈风机低电压穿越短路电流计算方法[J].电网与清洁能源, 2025(10).

[14]  Qazi H W , Wall P , Escudero M V ,et al.Impacts of Fault Ride Through Behavior of Wind Farms on a Low Inertia System[J].Power Systems, IEEE Trans. on (T-PWRS), 2022, 37(4):9.DOI:10.1109/TPWRS.2020.3003470.

[15]  Wang Y , Wang Z , Xu C ,et al.Fault Ride-Through Strategy of MMC in Series with DR for Offshore Wind Farms[J].2024 7th International Conference on Renewable Energy and Power Engineering (REPE), 2024:241-245.DOI:10.1109/repe62578.2024.10809866.

[16]  Chen J , Ouyang J , Huang F ,et al.Modelling of AC-DC Voltage Control Coupling and Adaptive Fault Ride-Through Method for VSC-HVDC Integrated Wind Farms[J].Sustainable Energy, IEEE Transactions on, 2025, 16(4):2533-2546.DOI:10.1109/TSTE.2025.3557443.

指导教师意见：

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