双馈感应风力发电系统低电压穿越技术的研究与仿真

论文摘要

随着风电机组单机容量的增加和风电场规模的不断扩大,一旦电网发生故障将迫使风电机组因自身保护而大面积脱网,严重影响电力系统的运行稳定性。在电网电压跌落情况下,基于双馈感应发电机的风电机组会导致转子侧过流,同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器的直流侧电压升高。过流会损坏发电机励磁变流器,而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。为了保护连接发电机转子的励磁变流器,必须研究过压、过流保护措施,以提高双馈感应风电机组的低电压穿越能力。按照E.on公司制定的并网风力发电机组不脱网运行范围对并网双馈感应风力发电机在电网电压小幅下降和严重跌落期间的低电压穿越技术进行了研究。分析了交流励磁风力发电机的工作原理和特点以及双馈感应风力发电机的等值电路和运行结构。建立了当前采用的双馈感应风力发电系统的MATLAB仿真模型,仿真研究了电网电压跌落至60%和15%额定电压的情况下,双馈感应风力发电系统不脱网运行对发电机和变频器设备的冲击。仿真结果表明:所采用的双馈感应电机控制系统在电网电压跌至60%和15%额定电压期间,电机转子电流和转子变频器直流侧电容器两端的电压均超过电机以及变频器中开关元件的运行极限,不能实现低电压穿越运行。针对现有双馈电机控制系统数学模型和控制方案的不足,对双馈电机转子侧变换器控制系统进行了设计:选用考虑电网电压波动建立的双馈感应电机控制系统数学模型,利用定子电压定向的矢量控制方法,采用跟踪风机侧最大风能捕捉系统输出的发电机最佳转速并且单位功率因数向电网传送功率的控制策略。并建立了所设计控制系统的MATLAB仿真模型。仿真结果表明:在电网电压跌至60%额定电压以上时,采用所设计的控制系统,不用增加额外的硬件设备就可以实现低电压穿越运行。在机端三相对地短路故障下,根据对双馈感应电机电磁暂态过程的分析,得出了故障时增大定、转子的电阻和漏感可以有效抑制转子侧过电流和变流器直流电容两端过电压的结论。据此,制定了在电网电压大幅下降期间双馈感应电机的控制策略,并在MAT LAB里对其进行了仿真验证。结果表明:采用该控制策略在电网电压下降至15%额定电压以上时,可以控制故障变频器直流电压和发电机转子电流在设备运行允许范围内,实现不脱网运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 转子短路保护技术概述
• 1.2.2 引入新型拓扑结构
• 1.2.3 采用新的励磁控制策略
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 双馈感应风力发电系统原理与模型
• 2.1 引言
• 2.2 交流励磁风力发电机工作原理和特点
• 2.3 双馈感应发电机等效电路和功率流程
• 2.3.1 双馈感应发电机的等值电路
• 2.3.2 双馈感应发电机运行结构以及功率分布
• 2.4 电网稳态时双馈感应发电机模型及控制系统
• 2.4.1 变速恒频发电的控制策略
• 2.4.2 同步旋转坐标下双馈异步电机的数学模型
• 2.4.3 发电机转子侧变换器控制系统数学模型及控制策略
• 2.5 发电机转子侧矢量控制系统仿真分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 适用于电网电压小幅下降的双馈电机励磁控制系统
• 3.1 引言
• 3.2 风电机组不脱网运行规则
• 3.3 考虑电网波动的双馈电机控制模型
• 3.4 双馈感应电机转子变换器控制
• 3.4.1 基于定子电压定向的双馈电机励磁矢量控制
• 3.4.2 励磁电流控制
• 3.4.3 转速控制
• 3.4.4 无功功率的控制
• 3.5 双馈电机励磁侧控制结构及仿真
• 3.5.1 双馈电机转子励磁控制系统结构
• 3.5.2 仿真及结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 电网电压大幅度跌落双馈感应发电机的控制
• 4.1 引言
• 4.2 电网电压大幅下降时双馈感应发电机电磁暂态分析
• 4.3 电网电压大幅下降时双馈感应发电机控制策略
• 4.4 仿真及结果分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢