基于双馈感应发电机的风电系统故障穿越能力研究

【摘要】：随着风电装机容量的不断增加，风电系统与电网之间的相互影响也越来越大，其中风电系统的故障穿越能力成为影响电网安全稳定运行的重要因素之一。本文重点研究了双馈风电系统的故障穿越能力，包括低电压穿越能力（LVRT）和高电压穿越能力（HVRT）。低电压穿越能力方面主要从风电系统实现不间断运行和提供无功支持两个角度进行研究，高电压穿越能力方面主要从电网电压升高后风机的暂态过程及应对措施角度进行研究。 分析了双馈感应发电机（DFIG）的基本原理，建立了DFIG三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型，并分析了转子侧变流器定子磁链定向控制策略；建立了DFIG网侧变流器的数学模型并分析了网侧变流器电网电压定向控制策略；建立了DFIG直流母线的数学模型。 电网电压跌落时双馈风电系统需要保持并网运行，为此，首先分析了电压跌落时风机的暂态过程，然后对常规Crowbar保护电路进行了仿真分析，结果表明Crowbar投入后风机将异步运行并吸收大量无功功率，尤其是故障恢复期间，DFIG异步运行不利于系统的迅速恢复，而且Crowbar不能直接有效地抑制直流侧过电压。针对常规Crowbar保护电路的不足，提出组合保护方案（CPS）及相应的控制策略。仿真分析表明，电网电压跌落时，CPS能够有效的降低DFIG转子侧过电流及抑制直流侧过电压，实现了DFIG的不间断运行，同时相比常规Crowbar保护电路，CPS减少了故障恢复期间风机吸收的无功功率，更利于系统恢复。CPS提高了双馈风电系统的低电压穿越能力。 电网电压跌落时双馈风电系统需要向电网提供无功功率，本文在分析风机网侧变流器无功特性和STATCOM基本原理的基础上，提出一种无功支持策略，即电压跌落期间网侧变流器和STATCOM共同向电网提供无功功率，支持电网恢复。仿真研究表明，风电系统采用该无功支持策略后，故障期间风电场并网点电压有所提升，改善了风电系统的暂态电压稳定性；同时故障期间风电场输出了更多的有功功率，减小了有功输出降低引起的系统潮流变化。该无功支持策略在发挥风电机组无功支持作用的同时又借助了STATCOM的力量，提高了风电系统的低电压穿越能力。 风电机组的高电压穿越能力同样影响着系统的安全稳定运行。分析了风电场电压升高的原因和世界主要国家的高电压穿越标准，然后对电压升高后风机的暂态过程和应对措施进行了理论和仿真分析，其结果是：电网电压升高后定子磁链会产生强制分量和随时间衰减的直流分量，同时引起风机转子侧过电流以及直流侧过电压，危及到转子侧变流器和直流侧电容的安全；电压升高时风机有功输出只是发生小幅度的波动，不同于电压跌落时明显降低的情况，风机仍然可以提供相对稳定的有功输出；仿真研究表明组合保护方案（CPS）可以提高双馈风机的高电压穿越能力。 【关键词】：双馈风电系统 低电压穿越 组合保护方案 无功支持 高电压穿越
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 课题研究的背景及意义12-14
• 1.1.1 课题研究背景12-13
• 1.1.2 课题研究意义13-14
• 1.2 风力发电的现状与前景14-16
• 1.2.1 世界风力发电的现状与前景14-15
• 1.2.2 我国风力发电的现状与前景15-16
• 1.3 课题研究现状16-17
• 1.3.1 低电压穿越的研究现状16-17
• 1.3.2 高电压穿越的研究现状17
• 1.4 本文研究的主要内容17-19
• 第2章 双馈风电机组的基本原理和数学模型19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 风力机的数学模型19
• 2.3 双馈感应发电机的基本原理19-21
• 2.3.1 双馈感应发电机基本结构19-20
• 2.3.2 双馈感应发电机的运行原理20-21
• 2.4 双馈风机的数学模型及控制策略21-29
• 2.4.1 三相静止坐标系下双馈风机的数学模型21-23
• 2.4.2 两相同步旋转坐标系下双馈风机的数学模型23-24
• 2.4.3 转子侧变流器的控制策略24-26
• 2.4.4 网侧变流器的数学模型及控制策略26-28
• 2.4.5 直流母线的数学模型28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 电网电压跌落时双馈风机自我保护的实现30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 电网电压跌落时双馈风机暂态过程分析30-32
• 3.2.1 定子磁链分析30-32
• 3.2.2 转子侧电流分析32
• 3.2.3 转子侧电压分析32
• 3.3 常规 Crowbar 保护电路的仿真及分析32-35
• 3.3.1 常规 Crowbar 保护电路的控制策略32-33
• 3.3.2 仿真分析33-35
• 3.4 组合保护方案及其仿真分析35-41
• 3.4.1 组合保护方案的结构及其控制策略36-37
• 3.4.2 电阻取值的参考范围37-38
• 3.4.3 仿真分析38-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 电网电压跌落时双馈风电系统无功支持策略42-51
• 4.1 引言42
• 4.2 网侧变流器无功特性分析及其无功支持策略42-44
• 4.2.1 电网电压跌落时网侧变流器无功特性分析42-43
• 4.2.2 网侧变流器的无功支持策略43-44
• 4.3 STATCOM 的工作原理和控制策略44-47
• 4.3.1 STATCOM 应用于风电场的必要性44-45
• 4.3.2 STATCOM 的工作原理45-46
• 4.3.3 STATCOM 的数学模型和控制策略46-47
• 4.4 电网电压跌落期间风电系统的无功支持策略47-48
• 4.5 仿真分析48-50
• 4.6 本章小结50-51
• 第5章 双馈风电机组高电压穿越能力分析51-61
• 5.1 引言51
• 5.2 风电场电压升高原因及高电压穿越标准分析51-54
• 5.2.1 高电压导致风电机组脱网实例分析51-52
• 5.2.2 风电场电压升高原因分析52-53
• 5.2.3 高电压穿越标准分析53-54
• 5.3 电网电压升高时双馈风机暂态过程分析54-56
• 5.3.1 定子磁链分析54-55
• 5.3.2 直流侧电压分析55-56
• 5.4 仿真分析56-58
• 5.5 电网电压升高时双馈风机的自我保护58-60
• 5.5.1 风机自我保护的实现58
• 5.5.2 仿真分析58-60
• 5.6 本章小结60-61
• 第6章 结论与展望61-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果66-67
• 致谢67

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