电网故障下风电场公共连接点电压稳定性研究

摘要

风能是大自然给予人类的一种可再生能源，而风电作为最具规模化开发和商业化发展前景的新型清洁能源，引起世界范围内的广泛关注和重视。风力发电技术随着世界风电事业的蓬勃发展取得了长足的进步，大规模风电在中国的迅速发展给电力系统安全运行带来了新的挑战和研究课题。2011年是风电事故频发的一年，京津唐电网、甘肃酒泉风电基地等由于短路故障，发生了几次大规模风电机组集中脱网，导致电力系统电压、频率大幅度波动，直接威胁到电力系统的安全稳定运行，暴露出主网接纳这种新型能源的脆弱性，引起了国内外的高度关注。
　　 事故分析结果表明电网故障下风电机组不具备低电压穿越能力，动态无功补偿设备存在缺陷、风电场35kV公共连接点处电压稳定性脆弱。为解决以上问题，本文主要对双馈风力发电机组和直驱永磁同步发电机组构成的两种不同风电场在公共连接点处的电压稳定性进行研究，保证其具有低电压穿越能力，进而维持系统稳定运行。文章首先提出一种改进的检测系统，即锁相环与pqr变换检测方法相结合。由于在不对称故障下，锁相环受负序分量的影响，锁相环要取得较好的稳态精度，其环路滤波器的截止频率必须较低，影响了其动态响应速度，而通过pqr数学变换、数学运算可以迅速获得参考电压的幅值和相位跳变角度，与利用锁相环技术获得网侧电压在故障前的相位结合，代替传统方法中的锁相环环节，避免由其产生的误差，提高检测精度;为提高双馈风电场发生不对称故障下的低电压穿越能力，在发电机出口690V处串联采用改进补偿策略的动态电压恢复器DVR，辅助双馈式风电场实现低电压穿越，仿真结果验证了该控制策略的有效性;为保证直驱永磁同步发电系统的风电场35kV线路发生不对称故障时稳定运行，利用单相电压延迟60°来构造三相对称电压，消除负序分量造成的直流母线2倍频振荡的影响。通过电压矢量控制，结合能量泄放回路解决直流侧的功率拥堵，提高机侧并网的适应性。同时在网侧增加硬件回路，采用改进的最小能量补偿算法的动态电压恢复器DVR，采取零有功补偿，并将无功功率引入算法中，为系统提供无功功率支持，恢复网侧电压，提高网侧自身的稳定性，增强了其低电压穿越的能力，保证了系统的稳定运行。最后以河西电网的实时数据进行仿真，结果验证了该方法的正确性。

目录

声明

摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 风能开发与风力发电的历史、现状与趋势

1．1．1 风能的特点与风能资源利用

1．1．2 国内外风电发展现状与发展趋势

1．2 课题研究意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容及章节安排

第2章 电网故障概述

2．1 短路类型、产生的原因及其危害

2．2 短路故障对河西电网产生的影响

2．3 本章小结

第3章 风电场的分类和建模分析

3．1 双馈风力发电机

3．2 直驱永磁同步发电机

3．3 风电场典型等值方法和模型

3．4 本章小结

第4章 公共连接点电压的检测方法

4．1 公共连接点电压基本变换检测法

4．1．1 dq变换检测法

4．1．2 αβ变换检测法

4．1．3 p-q-r变换检测法

4．2 公共连接点电压不平衡条件下检测技术

4．2．1 基于三相正负序解耦—对称分量法

4．2．2 单相电压延迟—构造平衡电压法

4．3 本章小结

第5章 基于动态电压恢复器的双馈风电场低电压穿越能力研究

5．1 DVR原理

5．1．1 传统DVR介绍

5．1．2 同相位补偿法介绍

5．2 改进的检测系统与控制策略

5．2．1 主电路介绍

5．2．2 改进的检测系统

5．2．3 改进的控制策略

5．3 仿真分析

5．4 本章小结

第6章 直驱永磁风力发电系统在不对称电网故障下的电压稳定控制

6．1 网侧逆变器设计

6．1．1 单相电压延迟60°构造三相平衡电压

6．1．2 电压矢量控制

6．1．3 直流侧增加能量泄放回路

6．2 基于改进最小能量法的DVR补偿策略

6．2．1 改进的最小能量法原理

6．2．2 DVR补偿范围的确定

6．2．3 补偿策略分析

6．2．4 改进的最小能量补偿策略

6．2．5 同相位补偿策略

6．3 仿真分析

6．4 本章小结

结论和展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录