电网电压跌落下双馈风电机组运行控制与保护研究

论文摘要

随着风电在电网中比例快速提高，具有随机性和间歇性特点的风电并网将给系统的无功电压稳定运行带来较大影响。2011年以来，中国西北、华北等大规模风电基地发生了多起风电机组连锁脱网事故。初步分析表明这几起大面积风电脱网事故与风电机组的低电压穿越能力、高电压穿越能力以及无功电压控制等密切相关。当前双馈风电机组（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）已成为世界上风电装机的主流机型，也是在系统故障时发生连锁脱网最多的机组类型。为研究机组连锁脱网原因和提出相应措施，本文研究了电网电压跌落下DFIG运行控制与保护技术，主要研究内容包括：分析表明了在电网不对称电压跌落下提高DFIG控制能力是应对脱网的技术关键。提出了用于快速分离正负序分量的瞬时对称分量计算法，并将其扩展到分离转子中非工频的正负序分量。仿真对比表明大幅提高了不对称电压跌落下的控制响应速度。提出将DFIG电网电压跌落下的控制过程分为四个阶段，并给出了机/网侧变流器不同阶段相应的控制目标和控制策略。提出了以转子功率变化量为网侧控制前馈项的控制策略，实现了机网侧联合统一控制，仿真结果表明显著改善了电压深度跌落下DFIG的控制性能。研究了电网电压恢复过程中DFIG连锁脱网重要原因。深入分析了电压跌落和恢复过程中的机端电压相角跳变机理及其对矢量定向控制的影响。提出了机端电压相角补偿控制原理，改进了现有的DFIG电压跌落下控制策略：正常运行及Crowbar退出阶段，采用定子磁链定向控制；在Crowbar投入阶段，封闭转子侧变流器的脉冲，网侧变流器保持正常工作；在电网电压恢复阶段采用相角补偿控制。仿真和动模试验结果表明电压恢复阶段，改进的控制策略能够有效抑制转子过电流，从而降低机组脱网的风险。撬棒（Crowbar）保护是DFIG实现低电压穿越的主要方式。为研究集成Crowbar保护的DFIG交互影响及其连锁脱网原因，分析了对称电压跌落下定转子电流的计算方法，给出了投入Crowbar后定转子电流峰值估算式以及Crowbar电阻取值方法。分析了Crowbar保护风电场无功功率特性和低电压穿越特性。仿真研究表明风电机组和风电场之间存在较强暂态耦合，Crowbar保护对系统动态特性具有重要影响，Crowbar保护电阻取值和投切控制需要综合考虑机组电气应力约束和系统无功支撑的需求。针对基于SCR的三相交流结构和基于IGBT的三相整流结构的Crowbar保护方案，进行了风电场现场测试，数据表明Crowbar保护投入后应在故障清除后12周期内切出，避免在故障恢复期间，因风电机组异步运行从系统吸收大量无功，对系统恢复产生不利影响；有源Crowbar保护具有较好的可控性，可以达到更加优异的系统特性，并保有足够的可靠裕度，能有效增强风电场对电网故障的应对能力。基于实际风电外送电网拓扑和参数建模，仿真重演了某实际风电场的风电机组连锁脱网事故的暂态过程。基于仿真结果分析了该暂态过程中风电机组和无功补偿装置的动态无功响应能力，并提出了综合考虑以上动态无功响应能力的大规模风电场全过程无功电压紧急控制策略：在电压跌落期间风电机组网侧变流器基于电压变化量提供实时动态无功支撑缓解电压跌落；在故障切除之前主动切除部分无功补偿装置来抑制暂态过电压；在故障恢复阶段根据电压判据重新投入无功补偿装置为系统提供无功调节能力，并通过仿真验证了所提策略的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.1.1 风力发电技术发展简要回顾
• 1.1.2 我国风力发电规模化并网面临的挑战
• 1.2 双馈风电机组控制技术研究现状
• 1.2.1 电网正常下双馈风电变流器控制策略研究现状
• 1.2.2 电网电压非正常情况下双馈风机运行与控制研究现状
• 1.2.3 电网电压跌落下双馈风机保护研究现状
• 1.3 风电场低电压穿越特性分析研究现状
• 1.3.1 风电场低电压穿越能力相关规定
• 1.3.2 大规模双馈风电场的无功特性与控制研究现状
• 1.3.3 电压跌落下风电场与电网交互影响研究现状
• 1.4 本文的主要贡献和研究内容
• 第2章 不对称电压跌落下DFIG统一控制技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 快速正负序分量分离方法的改进
• 2.2.1 传统正负序分量分离方法
• 2.2.2 扩展瞬时对称分量法（EISC）
• 2.3 电网电压跌落下双馈风机的数学模型
• 2.3.1 电压跌落下双馈感应电机的数学模型
• 2.3.2 电压跌落下网侧变流器的数学模型
• 2.4 电压不对称跌落下双馈风机多目标控制
• 2.4.1 电压不对称跌落下双馈风机多目标控制策略
• 2.4.2 电压不对称跌落下双馈风机多目标切换控制
• 2.4.3 电压不对称跌落下机侧变流器多目标切换控制仿真
• 2.4.4 电压不对称跌落下网侧变流器多目标切换控制仿真
• 2.5 电压跌落下双馈风机统一控制技术
• 2.5.1 机网侧变流器联合多目标控制策略
• 2.5.2 机网侧变流器联合多目标控制仿真
• 2.6 小结
• 第3章 基于相角补偿的机侧变流器控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 机端电压相角跳变分析
• 3.2.1 机端电压相角跳变的机理
• 3.2.2 机端电压相角跳变的影响
• 3.2.3 机端电压相角跳变仿真分析
• 3.3 基于相角补偿的机侧变流器控制策略
• 3.3.1 机端电压相角补偿算法
• 3.3.2 控制策略仿真验证
• 3.4 机侧变流器控制策略的动态模拟研究
• 3.4.1 电网电压跌落动态模拟试验方案
• 3.4.2 电网电压跌落动态模拟试验平台研制
• 3.4.3 电网电压跌落动态模拟试验
• 3.5 小结
• 第4章 集成Crowbar的DFIG保护技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 Crowbar阻值对系统动态特性的影响
• 4.2.1 定子电流特性分析
• 4.2.2 转子电流特性分析
• 4.2.3 无功功率特性分析
• 4.2.4 Crowbar阻值的选取
• 4.3 LVRT动态特性分析
• 4.3.1 算例系统
• 4.3.2 不同故障条件下的LVRT分析
• 4.3.3 投切时间对风电场LVRT的影响
• 4.3.4 对相邻风电场影响
• 4.4 Crowbar保护设计及低电压穿越控制策略
• 4.4.1 Crowbar保护设计
• 4.4.2 Crowbar低电压穿越控制策略
• 4.5 风电场现场试验
• 4.5.1 LVRT测试
• 4.5.2 对称LVRT测试
• 4.6 小结
• 第5章 集群风电场的无功电压紧急控制策略研究
• 5.1 引言
• 5.2 大规模风电机组连锁脱网事故分析
• 5.2.1 电网结构
• 5.2.2 稳态运行工况
• 5.2.3 风电机组连锁脱网事故暂态过程重演
• 5.2.4 连锁脱网事故仿真结论
• 5.3 电网故障期间SVC和风电机组无功输出能力分析
• 5.3.1 SVC无功输出能力分析
• 5.3.2 风电机组无功输出能力分析
• 5.4 无功电压紧急控制
• 5.4.1 控制策略思想
• 5.4.2 无功电压紧急控制策略
• 5.5 算例分析
• 5.5.1 仿真结果
• 5.5.2 紧急控制策略下无功补偿装置的响应特性
• 5.5.3 紧急控制策略下网侧变流器的响应特性
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历