直驱式风电变流器低电压穿越控制技术研究

摘要

近年来世界范围内风力发电发展迅速，风电装机容量和在电网中的穿透功率不断上升。当风电在电网中所占的比例较高时，在电网故障期间，如果风电机组仍按照传统控制方法脱离电网运行，会对电网造成不利的影响。因此世界各国纷纷制定了新的风电并网规则，对风力发电系统的低电压穿越技术作了明确的规定，要求风电机组在电网故障期间，在一定的电压跌落深度，一定的时间内风电机组能够保持并网运行，并且能够向电网提供无功功率，支持电网电压恢复，直到电网故障的清除，也就是风电机组能够“穿越”电网故障时期。另一方面，近年来风力发电市场中，直驱式永磁同步风力发电系统由于结构简单、转换效率高，维护成本低、可靠性高等优点而得到了迅速的发展，市场占有率不断提高。因此本文针对直驱式风电机组变流器的低电压穿越技术进行研究，具有一定的现实意义与前瞻性。
　　 本文第一章介绍了课题的研究背景，介绍了直驱式风力发电系统的分类和各自特点，以及相关低电压穿越技术的研究现状。
　　 接下来，在第二章中讨论了直驱式风电机组变流器的数学模型，主要包括：网侧PWM逆变器、机侧PWM整流器和Boost电路的建模，还讨论了风力机的建模和风能最大功率追踪算法。所有涉及的数学模型均在Matlab/Simulink仿真环境下验证通过。本章对风电机组变流器仿真模型的建立为研究直驱型风力发电系统低电压穿越技术提供了良好的基础。
　　 第三章首先分析了电网三相对称故障下，直驱式风力发电机组的动态响应特性，揭示了此时风电机组所面临的主要问题是直流支撑电容过电压和网侧变流器过电流，而对机侧发电机的影响相对较小。接下来介绍了提高直驱式风电机组低电压运行能力的主要措施，包括增加直流侧耗能型Crowbar电路、网侧变流器在故障期间采取有效的无功控制策略等，最后通过仿真实验对上述方法进行了验证。
　　 当前在风力发电领域，人们主要研究的还是电网对称故障下风力发电机组的低电压穿越技术，对电网电压不平衡时变流器的控制策略研究较少。本文第四章重点分析了电网不平衡下直驱式风电机组变流器所存在的问题，通过仿真验证了基于电网正负序电压分别定向的双电流内环控制和基于预测电流的控制策略的有效性，对各自算法的复杂度进行了论证，为实现风电机组在电网电压不平衡情况下的安全运行提供必要的理论指导。