永磁直驱型风电系统低电压穿越技术研究

论文摘要

随着新能源的崛起,风电在电网中的比例不断增长,风电系统与电网之间的依赖及影响也越来越深。风电比例较高的电网中,若风电系统在电网电压跌落期间脱网将对电网造成不利影响,所以并网风电系统应具备故障运行能力,直到故障清除。本文围绕永磁直驱型风力发电系统低电压穿越问题展开研究,对主流低电压穿越技术进行了深入分析探讨,并通过仿真验证了主要理论研究成果的正确性。首先,对全球风电发展的背景与现状进行了总结与阐述,进而概括说明了电网电压跌落对并网风电这一风电主要应用途径产生的主要不良影响,并对国内外低电压穿越相关规定进行了分析,总结出量化要求。其次,研究了永磁直驱型风力发电系统主要组成部分,包括风力机、双PWM变流器及永磁发电机的数学模型及运行原理,其中机侧变流器采用转子磁场定向矢量控制,实现对永磁发电机的控制;网侧变换器采用基于电网电压定向矢量控制,实现网侧有功功率与无功功率的解耦控制,为研究低电压穿越技术搭建了仿真平台。接着,在电网电压三相对称跌落情况下,从两方面对永磁直驱型风力发电系统的跌落特性进行了研究,并运用仿真平台验证了结论的正确性。从变流器中间直流环节和网侧部分入手,推导出电网故障对直流母线及网侧变流器造成的过压过流危害;然后在不同跌落程度、不同持续时间的电网电压三相对称故障下,进行了仿真验证,并得出了跌落程度深浅、持续时间长短对直流母线及网变流器的影响程度,总结出实现低压穿越需要达到的控制目的。最后,对永磁直驱型风电系统的主流低电压穿越技术进行了研究,从工作原理、控制方法、功能及适用范围等方面进行了对比分析,总结了各自的优劣性,其中直流侧crowbar保护电路为优选方案,其能够解决电网故障导致过压过流危害;进而在不同跌落程度、不同持续时间的电网电压三相对称故障下,运用仿真验证了主要类型的直流侧crowbar保护电路的正确性和有效性,侧重从两方面进行对比分析:对直连耗能crowbar保护电路、buck耗能crowbar保护电路及储能crowbar保护电路进行了横向对比分析;对耗能crowbar保护电路基于不同控制实现方法进行了纵向对比分析;从控制效果,响应速度及实现功能比较优劣,并验证理论上的正确性,进而得出较优的方案,在跌落程度更深、持续时间较长的电网电压三相对称故障下进行了更进一步的仿真验证,提高了永磁直驱型风电系统的低电压穿越能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 风电发展背景及意义
• 1.1.1 新能源崛起
• 1.1.2 风电优势
• 1.2 世界风电发展现状
• 1.2.1 国外风电发展状况
• 1.2.2 国内风电发展状况
• 1.2.3 风电发展多元化
• 1.3 并网风电的低压穿越问题
• 1.3.1 电网电压跌落对风电系统的影响
• 1.3.2 低电压穿越相关标准
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 永磁直驱风电系统数学模型与仿真
• 2.1 风力机模型
• 2.1.1 风能资源的计算
• 2.1.2 风力机基本理论
• 2.1.3 风力机的基本运行特性分析
• 2.1.4 风力机建模与仿真
• 2.2 双PWM 变流器模型与控制策略
• 2.2.1 永磁同步电机的数学模型
• 2.2.2 基于转子磁场定向的矢量控制
• 2.3 网侧变换器控制策略
• 2.3.1 网侧变流器的数学模型
• 2.3.2 基于电网电压定向的矢量控制
• 2.4 本章小结
• 第3章 永磁直驱型风电系统跌落特性分析与仿真
• 3.1 电网电压跌落描述
• 3.2 风电系统的电压跌落响应特性分析
• 3.2.1 中间直流环节跌落特性分析
• 3.2.2 网侧变流器跌落特性分析
• 3.2.3 风电系统跌落特性仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 电网电压对称故障下低电压穿越技术研究
• 4.1 低电压穿越技术对比分析
• 4.1.1 基于直流侧保护电路的LVRT 方案
• 4.1.2 耗能Crowbar 保护电路的控制实现方法
• 4.2 基于网侧变流器的无功补偿方法
• 4.3 基于直流侧Crowbar 保护电路的LVRT 实现
• 4.3.1 基于不同控制实现方法的耗能Crowbar 保护
• 4.3.2 基于储能Crowbar 电路的LVRT 实现
• 4.4 其它LVRT 实现策略
• 4.4.1 变浆距控制
• 4.4.2 叶尖速比控制
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 详细摘要