基于九开关变换器的双馈风力发电系统低电压穿越技术研究

摘要

双馈风力发电系统因其制造技术成熟，制造成本低等优点，目前已得到广泛应用。该系统中的双馈感应电机定子直接与电网相连接，转子通过背靠背变换器与电网相连接，系统通过对背靠背变换器的控制实现变速恒频发电。在正常运行工况，背靠背变换器仅需处理转差功率，因此额定容量仅为系统额定容量的20%~30%，变换器额定容量小是双馈风力发电系统的优势之一。然而，现代电网规范要求在电网电压发生跌落时，风力发电系统必须保持不脱网运行，且为电网电压提供无功支撑，即实现低电压穿越，这对背靠背变换器的设计提出了新的挑战。一方面，电网电压的跌落将在双馈电机转子端口感应出较高的反电动势，为了避免转子侧变换器过压或过流损坏，需增加撬棒保护电路或电力电子变换装置来吸收浪涌能量，或是选择容量更大的背靠背变换器并配合控制策略抑制过压或过流，以实现不脱网运行；另一方面，网侧变换器需要更大的电流容量才能维持直流母线电压稳定并送出所需无功功率。上述辅助装置和额外功率容量在系统正常工况下得不到充分的使用，造成了容量的浪费，亦增加了系统的成本、体积以及复杂程度。
　　为了减小双馈系统所需要的功率器件数目，有学者提出采用九开关变换器代替传统的背靠背变换器的思路。但现有文献仅给出了九开关双馈风电系统的稳态控制方案，并未评估计及低电压穿越功能的九开关双馈风电系统应如何设计。为此，本文以九开关双馈系统低电压穿越功能的实现为方向展开研究，先系统地给出了九开关系统额定容量的设计方法，再提出了一系列仅采用额定容量实现低电压穿越的方法，最后对九开关双馈风电系统与背靠背双馈风电系统进行了性能比较。本文的创新之处在于：
　　1、电压电流容量的定量设计
　　九开关变换器特殊的分时调制原理，使得其功率器件容量的设计不同于传统的背靠背变换器。目前尚没有文献给出双馈风电系统中九开关变换器容量的设计方法。本文基于分时调制原理，揭示了九开关变换系统中器件电压与电流容量与电网侧及电机侧运行条件的关系，给出了九开关变换器在电网正常工况下额定容量的设计方法。
　　2、电压与电流容量的动态分配
　　依照九开关变换器的分时特性提出一种动态的直流母线电压分配思路。在电网电压跌落时将直流母线电压在网侧与转子侧进行重新分配，从而实现过电流抑制；提出一种动态的电流分配思路，在电网电压跌落时将器件电流中的网侧与转子侧比重进行重新分配，从而实现过电压抑制并实现对电网的无功补偿。这两种动态分配思路使得九开关双馈风电系统在不添加额外电路或容量的前提下，即可实现低电压穿越。
　　3、九开关双馈风电系统的优化设计
　　针对九开关变换器所需直流母线电压较高的问题，提出在转子侧与九开关变换器之间串入小容量变压器的方案，以改变双馈电机的等效变比，使得九开关变换器可工作于综合性能的优化区域；提出“控制最简型”与“性能最优型”的低电压穿越方案，其中，“控制最简型”方案仅采用一套控制实现了系统在电网电压正常与跌落工况下的安全运行，省去了电网电压跌落时刻的检测环节，且避免了控制策略的来回切换；“性能最优型”方案则通过动态电压与电流分配策略的有机结合，使得九开关系统的额定容量得以最大化利用，以满足现代电网技术规范的各项要求。
　　4、九开关系统的优势与应用建议
　　对比分析了九开关双馈风电系统与三种典型背靠背双馈风电系统，指出九开关系统在电流总容量、伏安总容量、以及容量利用率上具有优势；对比分析了双馈电机变比对九开关系统与背靠背系统设计的影响，指出九开关系统适宜与变比处于0.84~1.18范围内的双馈电机配合使用，通过配合上文的优化设计方法，九开关双馈风电系统将具备较好的综合性能，且具备较高的低电压穿越能力及无功补偿能力。

目录

声明

1 绪论

1.1 风力发电概述

1.2 双馈风电机组的低电压穿越技术

1.3 九开关变换器及其应用

1.4 本文研究内容

2 基于九开关变换器的双馈风电系统概述

2.1 九开关变换器双馈风力发电系统

2.2 九开关系统器件容量的分析

2.3 九开关双馈系统的设计

2.4 本章小结

3 基于直流电压动态分配的低电压穿越策略

3.1 直流电压动态分配原理

3.2 直流电压动态分配方案的设计

3.3 直流电压动态分配的实现

3.4 仿真与实验验证

3.5 本章小结

4 基于端口电流动态分配的低电压穿越策略

4.1 端口电流动态分配的原理

4.2 端口电流动态分配方案的设计

4.3 端口电流动态分配的实现

4.4 仿真与实验验证

4.5 本章小结

5 九开关双馈风电系统的优化设计

5.1 九开关双馈风电系统的优化设计思路

5.2 控制过程最简型低电压穿越方案

5.3 控制性能最优型低电压穿越策略

5.4 不对称跌落工况下九开关系统的低电压穿越

5.5 本章小结

6 九开关系统与背靠背系统的对比分析

6.1 对比原则及依此设计的九开关与背靠背系统

6.2 九开关系统与背靠背系统的对比分析

6.3 九开关系统与背靠背系统的对比仿真

6.4 本章小结

7 全文总结及展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

附录1 4kW双馈机组参数

附录2 2MW双馈机组参数

附录3 攻读博士学位期间发表的论文与专利