大型双馈风电机组故障穿越关键技术研究

【摘要】：大规模风电接入电网给电网安全运行和管理带来了较大的挑战。为此，新的电网规范要求风电机组应保证具备故障穿越（Fault ride through, FRT）能力。因此，研究风力发电故障穿越的问题具有重要的理论和实际意义，关系着风力发电进一步发展，是风力发电大规模并网运行的关键技术之一。在众多的风力发电拓扑结构中，由于双馈风电机组具有的诸多优点和良好的运行性能，其一直占据着世界风电市场的主要份额，是国际风力发电机组研制的主流技术之一。然而，和其他结构的机组相比，双馈感应电机（Doubly fed induction generator, DFIG）风电系统的故障穿越能力最具挑战性。主要是双馈感应电机定子绕组直接接入电网而导致的对电网故障尤其是电压故障特别敏感和有限的变换器容量造成的。因此，改善双馈风电机组故障期间的瞬态行为以满足现代电网所提的故障穿越要求正在成为广泛关注的焦点，具有重要的理论和实际意义。 当双馈风电机组遭受对称电压跌落时，为满足双馈机组故障穿越要求需要解决的两个主要问题是双馈电机转子过电流和变换器直流母线过电压。而这直接威胁着变换器的安全和双馈机组的不间断并网运行。而当电网电压发生不对称跌落故障时，除了故障严重时出现过电流外，更多关注的是双馈电机输出有功无功以及电磁转矩中的二倍频振动问题和直流侧纹波问题。因此，本文针对上述热点问题进行了全面、深入、系统地研究，主要完成的工作和取得的成果为： 1）基于空间矢量的表征，完成了双馈感应电机在两相αβ自然坐标系和dq同步旋转坐标系下的数学建模，及其转子侧和网侧变换器及其控制策略在同步坐标系下的建模。在电力系统专用仿真软件PSCAD/EMTDC的环境中，搭建了完整的更精确的双馈风力发电机组仿真平台，用于仿真验证所提故障穿越方案的有效性和可行性。 2）利用定子（静止）坐标系下双馈异步电机的空间矢量数学模型，在不同程度和不同类型的电压跌落故障（不对称故障主要包括单相对地和两相短路故障）情况下，对双馈感应电机的瞬态行为（定子磁链瞬态、转子开路电压瞬态和转子电流瞬态）进行了具有一般意义的理论分析。尤其是对转子故障电流进行了更为详细的研究，考虑了不同频率电压分量在转子回路中造成的阻抗的差别以及转子侧变换器输出电压对转子故障电流的影响，推导出了转子故障电流在对称、不对称电压故障条件下的精确表达式，并通过仿真验证了该表达式的正确性，并讨论了影响转子故障电流表达式准确性的因素。通过这些简单明了地分析，揭示了制约双馈感应风力发电机故障穿越运行的机理，为双馈机组寻求合适的故障穿越方案奠定了理论基础。 3）从控制策略的角度出发，基于转子侧变换器传统矢量控制技术，研究了不同电压前馈补偿项对双馈风电机组故障穿越能力的影响，并简化了前馈补偿项中瞬态磁链的评估方法，解决了考虑定子瞬态特性后需评估定子电阻的问题，而定子电阻的评估通常是很困难的。考虑到双馈异步电机具有的非线性特性，线性的控制策略在电压跌落时系统性能恶化的问题，研究了典型非线性控制策略——滞环控制器在改善双馈机组故障穿越性能方面的效果。事实上，从能量平衡的角度出发，故障期间双馈电机定转子过电流产生的原因是故障期间出现的能量不平衡造成的。因此，为了缓减故障期间能量的不平衡，从而提高双馈机组的故障穿越能力，研究了减载增速的双馈机组故障穿越方案。仿真验证了上述策略在改善双馈机组故障穿越能力方面具有的各自的特点和优势，这些策略均能够不同程度的提高双馈机组的穿越能力。最后，分析了变换器对双馈机组穿越能力的影响。 4）研究了crowbar电路保护技术、主要包括不同旁路电阻对系统的影响评估以及阻值的优化，比较了crowbar电路不同控制策略对双馈机组故障穿越的影响以及crowbar电路保护技术存在的问题。针对双馈机组故障期间在crowbar电路保护下存在的过速问题，研究了基于紧急变桨和crowbar保护协调的故障穿越方案。为了彻底解决crowbar电路存在的电机失控问题，研究了包括转子串电阻保护和定子串电阻保护的保护技术。其中，评估了两种串联保护不同限流电阻对系统的影响，并比较了二者的优缺点。最后，提出了基于转子串电阻保护的联合双馈机组故障穿越解决方案，并通过仿真验证了该方案的有效性和可行性。 5）研究了双馈风电机组基于动态电压恢复器的故障穿越方案。首先分析了动态电压恢复器应用中涉及的一般问题，其中包括拓扑结构、基本原理、补偿策略等。并针对动态电压恢复器在双馈机组中应用的特殊性，选择了合适的拓扑结构和补偿策略、分析了主回路的主要参数的确定方法，最后，通过仿真验证了在动态电压恢复器的保护下双馈机组成功穿越全电压故障（包括低压、零压、高压、单相对地以及两相对地故障）及其改善双馈机组瞬态性能的能力。 【关键词】：风力发电 双馈风力发电机组 对称不对称电压故障 瞬态响应 故障穿越 crowbar保护 转子侧变换器控制 动态电压恢复器
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 目录11-16
• 第1章 绪论16-43
• 1.1 课题研究背景16-21
• 1.1.1 能源危机问题16
• 1.1.2 生态环境问题16-17
• 1.1.3 风能开发及其利用17
• 1.1.4 全球风能资源及风电发展17-19
• 1.1.5 我国风能资源及风电发展19-21
• 1.2 风力发电技术发展现状21-25
• 1.2.1 主流风力发电系统拓扑21-24
• 1.2.1.1 全功率变换器风力发电系统22
• 1.2.1.2 双馈电机风力发电系统22-24
• 1.2.2 双馈感应电机风力发电系统经典控制技术24-25
• 1.3 国内外风电并网技术规范25-27
• 1.3.1 风电机组故障穿越要求26
• 1.3.2 我国风场低电压穿越规定26-27
• 1.4 双馈感应风力发电系统故障穿越技术现状27-41
• 1.4.1 基于控制算法的故障穿越方案28-32
• 1.4.2 基于附加硬件电路的故障穿越方案32-40
• 1.4.2.1 转子侧故障穿越方案32-35
• 1.4.2.2 定子/网侧故障穿越方案35-39
• 1.4.2.3 直流侧故障穿越方案39-40
• 1.4.3 结合或协调的故障穿越方案40-41
• 1.5 本文研究主要内容41-43
• 第2章 双馈感应电机风力发电系统动态模型43-61
• 2.1 引言43
• 2.2 风、风轮及其桨距角控制模型43-45
• 2.2.1 风速模型43
• 2.2.2 风轮模型43-44
• 2.2.3 桨距角控制模型44-45
• 2.3 驱动链模型45-46
• 2.4 双馈感应电机数学模型与分析46-59
• 2.4.1 空间矢量概念46-47
• 2.4.2 三相自然坐标系下的双馈电机数学模型空间矢量表征47-49
• 2.4.3 同步旋转坐标系下双馈感应电机基于空间矢量的数学模型49-51
• 2.4.4 网侧滤波器和直流侧模型51-52
• 2.4.5 转子侧变换器矢量控制52-57
• 2.4.5.1 转子电流控制53-55
• 2.4.5.2 定子有功无功控制55-57
• 2.4.6 网侧变换器矢量控制57-59
• 2.4.6.1 网侧变换器电流控制58-59
• 2.4.6.2 直流侧母线电压控制59
• 2.5 双馈风电机组仿真平台59-60
• 2.6 小结60-61
• 第3章 双馈风电机组电压故障时瞬态响应分析61-92
• 3.1 引言61-62
• 3.2 电压跌落表征62-64
• 3.2.1 对称电压跌落62-63
• 3.2.2 不对称电压跌落63-64
• 3.2.2.1 单相对地电压跌落63-64
• 3.2.2.2 两相相间电压故障64
• 3.3 双馈感应电机电磁暂态特性分析64-91
• 3.3.1 双馈电机瞬态分析一般问题65-67
• 3.3.1.1 双馈电机转子动态模型65-66
• 3.3.1.2 双馈电机故障前稳态行为66-67
• 3.3.2 双馈电机故障期间暂态分析67-86
• 3.3.2.1 对称电压跌落期间电机瞬态行为67-76
• 3.3.2.2 不对称电压跌落期间电机瞬态行为76-86
• 3.3.3 仿真验证86-91
• 3.3.3.1 转子故障电流瞬态特性仿真验证86-90
• 3.3.3.2 精确性讨论90-91
• 3.4 小结91-92
• 第4章 双馈机组故障穿越控制技术研究与评估92-120
• 4.1 引言92
• 4.2 转子侧变换器控制技术的改进92-116
• 4.2.1 前馈电压补偿项对机组故障穿越能力影响的评估92-102
• 4.2.1.1 通用的转子电流控制方程93-98
• 4.2.1.2 仿真验证和分析98-102
• 4.2.2 基于滞环 PWM 控制的故障穿越控制策略102-108
• 4.2.2.1 转子电流滞环比较器103-104
• 4.2.2.2 转子侧变换器输出电压104-106
• 4.2.2.3 仿真验证和分析106-108
• 4.2.3 基于减负荷的故障穿越方案108-116
• 4.2.3.1 电网电压故障期间机组功率流动109-110
• 4.2.3.2 增速和变桨减载控制的基本原理110-111
• 4.2.3.3 双馈机组减载能力分析111-112
• 4.2.3.4 定子电流实时跟踪的减载故障穿越方案112-114
• 4.2.3.5 仿真验证和分析114-116
• 4.3 双馈机组所用变换器对机组穿越能力影响分析116-118
• 4.4 小结118-120
• 第5章 基于附加硬件电路的故障穿越技术研究与评估120-136
• 5.1 引言120
• 5.2 Crowbar 保护电路技术研究120-128
• 5.2.1 Crowbar 保护电路的结构和模型120-121
• 5.2.2 Crowbar 电路旁路电阻阻值范围的确定121-122
• 5.2.3 不同旁路电阻阻值对机组的影响评估122-125
• 5.2.4 Crowbar 电路的控制125-126
• 5.2.5 紧急变桨和 crowbar 保护协调的故障穿越方案126-128
• 5.3 串联电阻电路的故障穿越方案128-134
• 5.3.1 转子串电阻保护对机组瞬态特性影响评估130-131
• 5.3.2 定子串电阻电路对机组瞬态特性的影响评估131-134
• 5.4 应用讨论134
• 5.5 总结134-136
• 第6章 基于转子串电阻的联合故障穿越解决方案136-150
• 6.1 引言136
• 6.2 基于转子串电阻的联合故障穿越方案研究136-149
• 6.2.1 转子串电阻阻值的确定137-138
• 6.2.2 直流侧卸荷电路电阻的确定138-139
• 6.2.3 保护开关控制策略139
• 6.2.4 转子串电阻保护下双馈电机无功控制139-142
• 6.2.4.1 双馈电机无功功率边界分析139-141
• 6.2.4.2 转子侧变换器无功控制策略设计141-142
• 6.2.5 仿真验证142-149
• 6.2.5.1 基于转子串电阻联合故障穿越方案验证142-144
• 6.2.5.2 无无功电流注入时转子串电阻和 crowbar 保护的性能及比较144-145
• 6.2.5.3 有无功电流注入时转子串电阻和 crowbar 保护的性能及比较145-149
• 6.3 小结149-150
• 第7章 动态电压恢复器在故障穿越中的应用研究150-172
• 7.1 引言150
• 7.2 动态电压恢复器应用的一般问题分析150-152
• 7.2.1 工作原理150-151
• 7.2.2 基本组成及其功能151
• 7.2.3 补偿策略151-152
• 7.3 基于动态电压恢复器的双馈机组故障穿越方案152-155
• 7.3.1 拓扑结构选择152
• 7.3.2 输出滤波器数学模型152-153
• 7.3.3 主电路主要参数的确定153-155
• 7.3.3.1 动态电压恢复器额定功率153-154
• 7.3.3.2 直流母线电压和电容容量154
• 7.3.3.3 输出滤波器参数154-155
• 7.4 动态电压恢复器的电压矢量控制155-171
• 7.4.1 DVR 的传统电压矢量控制156-164
• 7.4.1.1 跌落电压补偿156
• 7.4.1.2 电压控制器156-157
• 7.4.1.3 仿真评估和分析157-164
• 7.4.2 静止坐标系下 DVR 的电压控制164-171
• 7.4.2.1 静止坐标系下电压跌落补偿164-165
• 7.4.2.2 基于 PR 控制器的 DVR 电压控制165-166
• 7.4.2.3 仿真结果与分析166-171
• 7.4.3 应用讨论171
• 7.5 小结171-172
• 第8章 结论与展望172-175
• 8.1 研究工作总结172-174
• 8.2 创新点总结174
• 8.3 未来工作展望174-175
• 参考文献175-190
• 附录190-191
• 攻读博士学位期间参与的科研项目191-192
• 攻读博士学位期间取得的科研成果192-193
• 致谢193

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