电网故障下双馈感应发电机暂态特性解析与短路计算模型

摘要

近年来，随着并网风电场数量的逐年增加，电网故障后风电场对电网的影响也愈发明显。目前双馈感应发电机(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)作为风电场的主要机型由于低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)的需要，一般采用在转子侧附加撬棒保护(Crowbar)的方式抑制转子过电流从而保护转子变换器。当电网发生故障时，由于DFIG定子的直接并网，会使DFIG定子电压出现骤降，引发DFIG电机的电磁暂态响应。而DFIG转子侧变流器和Crowbar保护的动作则会使DFIG的暂态响应变得复杂而多变，对电网的影响也有待进一步研究分析。本文对DFIG的暂态响应和短路电流计算等问题进行了详细而深入的研究与分析，主要的工作与成果为：
　　求解了DFIG的暂态解析通用模型，研究了Crowbar对DFIG暂态特性的影响并得到了DFIG暂态解析修正模型。运用空间矢量法表示了电网故障和DFIG数学模型，求解DFIG状态方程得到了DFIG暂态解析通用模型。通过求解特征方程的特征根，提出了反映DFIG定转子耦合程度的修正系数?。研究了Crowbar电阻对修正系数和DFIG暂态特性的影响，指出Crowbar电阻会增大转子对定子侧的耦合，在延缓直流分量的衰减同时还附加了低频振荡分量；而定子对转子侧的耦合受到的影响较小，Crowbar电阻对转子侧的影响可以认为只改变了转子侧的等效电路。
　　研究了转子侧过电压导致的箝位效应，分析了箝位效应对DFIG暂态特性的影响。通过对箝位效应的机理分析化简了转子侧等效电路，借助仿真的方式研究了箝位效应的稳态响应并求得了转子侧变换器的等效电阻。在DFIG暂态过程中运用了箝位效应稳态响应的等效模型并考虑箝位响应的持续时间，给出了考虑Crowbar保护和箝位效应的转子侧综合等效电阻，得到了计及箝位效应的DFIG暂态修正模型。
　　提出了求解短路计算模型的新方法，研究了适用于DFIG短路计算的序分量模型。求解了DFIG的暂态等值电路，分析了电网故障后DFIG暂态电势呈螺旋状迅速衰减的变化特性。通过深入研究短路计算模型的本质，提出了基于外特性求解短路计算模型的新方法。根据转差的大小分别求解了DFIG短路计算的序分量模型，得到了转差较大时，DFIG可以等效为综合阻抗，而转差较小时则会对电网贡献短路电流的研究结论。
　　本文对以上研究成果都利用Matlab/Simulink搭建仿真模型进行了计算与验证。仿真结果表明了本文对电网故障下DFIG暂态特性分析的正确性，和所得DFIG暂态解析修正模型和短路计算序分量模型的准确性。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 双馈感应发电机故障特性研究现状

1.3 现有研究的特点和问题

1.4 本文的章节安排

2 电网故障下双馈感应发电机暂态解析修正模型

2.1 引言

2.2 电网故障的空间矢量表示

2.3 双馈感应发电机数学模型

2.4 双馈感应发电机暂态解析模型

2.5 仿真验证

2.6 本章小结

3 计及箝位效应的双馈感应发电机暂态特性分析

3.1 引言

3.2 箝位效应机理分析

3.3 箝位效应稳态响应模型

3.4 计及箝位效应的暂态响应分析

3.5 仿真验证

3.6本章小结

4 双馈感应发电机短路计算模型

4.1 引言

4.2 双馈感应发电机暂态电势解析

4.3 双馈感应发电机短路计算原理

4.4 双馈感应发电机序分量模型

4.5 仿真验证

4.6本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录

附录2 攻读硕士学位期间参与的科研项目