基于PSCAD的双馈感应风力发电系统及其低电压穿越仿真研究

摘要

近年来我国风电事业发展迅速,风电装机容量和并网容量每年都大幅度地增长。随着风力发电在电力系统中所占比重的逐渐增大,对风电机组在电网故障条件下的不间断运行能力即低电压穿越能力的要求也越来越高。本文基于专业电力系统电磁暂态仿真软件 PSCAD,对双馈感应风力发电系统及其低电压穿越技术进行了研究。
　　首先分析了双馈感应风力发电机的运行原理,在建立双馈电机数学模型的基础上研究了双馈电机基于背靠背式双 PWM变换器的矢量控制策略,针对转子侧 PWM变换器和电网侧 PWM变换器的控制目标,分别设计了基于定子磁链定向的转子侧矢量控制系统和基于电网电压定向的电网侧矢量控制系统。特别的是,本文在所设计的转子侧 PWM变换器控制系统中引入了滞环电流控制技术,不仅简化了控制系统,还提高了系统的动态响应。
　　根据所设计的控制系统,在 PSCAD仿真平台上建立了完整的双馈感应风力发电系统的仿真模型,通过在风速阶跃变化和无功功率阶跃变化两种情况下的仿真,验证了仿真模型的有效性和准确性。
　　从理论上分析了在电网电压跌落故障下的双馈电机定子电流、转子电流、转子电压、直流母线电压的动态响应,为了对理论分析进行验证,利用所建立的系统仿真模型,仿真分析了双馈电机在两种典型的电网电压跌落方式下的动态响应,结果表明电网电压跌落故障会对双馈电机及变换器造成很大的安全威胁,且其危害程度会随着电压跌落程度的加深而增大,所以需要通过增加硬件 crowbar保护电路来提高系统的低电压穿越能力。
　　分析了所需加入的主动式 crowbar电路结构及工作原理,在双馈感应风力发电系统仿真模型转子侧加入 crowbar电路模型,通过仿真验证了crowbar电路的有效性。为了进一步优化 crowbar保护技术,本文并没有只是采用枚举法仿真分析多个不同crowbar阻值下系统的动态响应来选取最优 crowbar电阻值,而是先通过理论计算,在计及crowbar电路对定、转子时间常数影响的条件下,确定了crowbar电阻的取值范围,再在该范围内平均选取样值进行仿真分析,最终得出本文仿真模型中crowbar电路的最优电阻值,同时本文还分析了crowbar电路投切时间对保护效果的影响,使双馈感应风力发电系统的低电压穿越能力得到了进一步的提高。

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引 言

1 绪论

1.1 国内外研究现状

1.2 论文的主要研究内容

2 双馈感应风力发电机的基础理论及控制策略

2.1 双馈感应风力发电机的运行原理

2.2 双馈感应风力发电机的数学模型

2.3 基于背靠背式双 PWM 变换器的双馈电机的矢量控制

2.4 本章小结

3 基于 PSCAD 的双馈感应风力发电系统的仿真研究

3.1 双馈感应风力发电系统的仿真模型

3.2 双馈感应风力发电系统的仿真运行

3.3 本章小结

4 电压跌落时双馈感应风力发电系统的动态响应及 crowbar 保护控制

4.1 电压跌落时双馈感应风力发电系统的动态响应

4.2 电压跌落时双馈感应风力发电系统的 crowbar 保护控制

4.3 本章小结

5 crowbar 保护技术的优化仿真分析

5.1 crowbar 保护的影响因素

5.2 crowbar 电路的最优电阻

5.3 crowbar 电路投切时间对保护效果的影响

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录 A：双馈感应风力发电系统仿真模型

附录 B：我国风电并网低电压穿越规定

附录 C：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著