双馈风电系统重复性低电压穿越运行研究

摘要

随着风电并网容量在全球范围内的持续增长，风电渗透率的持续上升，风电机组对电网的影响也越来越显著。因此，世界各国对风电并网的并网标准也愈加严格。目前，多国的风电并网标准中均要求风电机组具有在电网故障下的不间断运行能力，也被称为低电压穿越能力。既是风电机组在电网电压短暂跌落时必须保持同电网的连接，并且提供相应的无功电流来支撑电网。在风电渗透率全球领先的丹麦，并网标准还要求风电机组具有重复性低电压穿越能力，既要求风电机组在短时间内发生多次电网故障的情况下仍然保持同电网的连接。这一要求对风电机组的并网适应性提出了新的挑战。
　　双馈型风力发电系统采用定子直接连接电网，转子通过部分功率变流器连接电网的拓扑结构，可以实现变速恒频运行，在风速变化的情况下实现最大风能跟踪。而相比于同样具有这一能力的全功率变换器型风力发电系统，双馈风电系统具有变流器上的成本优势。因此，目前双馈型风电系统占据了风电市场的50％以上，是最常见的风电系统结构。然而，由于其定子连接到电网，电网故障产生的电压跌落会直接影响电机，在电机中产生自然磁链，进而在转子侧感应出过高的感应电动势，引起转子变流器过电流，使得低电压穿越失败，甚至危害到系统的安全。因此，双馈风电系统的低电压穿越一直是近几年学术界和工业界研究的热点和难点。而针对双馈系统重复性低电压穿越的深入研究，现有文献中还较少见到。本文针对双馈风力发电系统的重复性低电压穿越，做了以下工作:
　　针对双馈风电系统在重复性对称电网故障下的响应进行了定量分析。基于目前较为常见的采用转子侧CROWBAR的低电压穿越方案，建立起了从首次电网故障发生到第二次电网故障恢复这一过程各个阶段中双馈电机的定子磁链，转子电流，定子电流，电磁转矩脉动的数学模型。基于这一模型，分析了首次电压跌落深度，首次电网故障角度，两次电压跌落间隔时间等参数对第二次电压跌落时各关键电量的影响。通过该模型，可以预测在重复性跌落下双馈系统各个部分的电流，电压，转矩应力，找出实现重复性低电压穿越的难点与挑战，是进行后续工作的基础。
　　基于双馈风电系统在重复性对称电网故障下响应的数学模型，分析了现有常见的针对单次电网故障的低电压穿越控制策略应对于重复性电网故障时的问题。提出了一套针对重复性对称电网故障的穿越策略。该穿越策略在电压跌落时仍然采用接入CROWBAR的控制方法保护转子变流器，在电压回升时利用转子变流器控制双馈电机，产生两个频率分量的转子电流。其中转速频率的转子电流分量始终同定子磁链的直流分量反向，从而达到加速定子磁链直流分量衰减的控制目标，避免下一次电压跌落到来时，前一次电压回升产生的定子自然磁链的影响。转差频率的转子电流分量抑制前一个转子电流分量产生的电磁转矩脉动，可以提高机械系统，尤其是齿轮箱的可靠性。双馈风力发电系统采用该穿越策略后，可以成功的穿越重复性电网故障，同时不引入额外的电磁转矩脉动。
　　分析了双馈风电系统在重复性非对称电网故障下的响应。建立了非对称重复性电网故障下双馈电机的数学模型，分析了在非对称电网故障下，首次电网故障的类型，深度，电网角度和两次电网故障间隔对第二次电网低电压穿越能力的影响，讨论了非对称重复性低电压穿越的要点和难点，并且和重复性对称低电压穿越进行了对比，研究了双馈风电系统在重复性非对称电网故障下的穿越策略。
　　介绍了实验室重复性电网故障的模拟方法。分析了重复性电网故障模拟的需求，通过搭建一套电网模拟器来模拟多种复杂的电网电压跌落。分析了电网模拟器的硬件拓扑和控制策略，实现了不同深度，类型，故障角度，持续时间的重复性电网故障模拟，实现对本文上述理论的实验验证。同时，分析了电网电压跌落与回升速度对双馈电机在电压跌落下的数学模型的影响，提出了考虑到电压跌落与回升速度的修正数学模型，完善了双馈电机在重复性电网故障下的数学模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 风力发电发展概述

1．1．1 风力发电的发展历程及现状

1．1．2 风力发电未来的机遇与挑战

1．2 风电系统低电压穿越电网标准概述

1．2．1 风电系统需要承受的电压跌落范围和类型

1．2．2 低电压下需要提供的无功，有功电流支撑

1．2．3 电压回升后的有功功率恢复

1．2．4 重复性低电压穿越标准

1．3 双馈风力发电系统简介

1．3．1 常见的风力发电系统结构简介

1．3．2 双馈风力发电系统结构与静态特性

1．3．3 双馈风电系统的数学模型

1．3．4 双馈风电系统的控制简介

1．4 双馈风力发电系统的低电压穿越技术

1．4．1 电网故障分析

1．4．2 双馈电机在电压跌落下的建模

1．4．3 双馈风电系统的低电压穿越策略

1．4．4 电网故障的实验室模拟

1．5 本文的研究意义及内容

1．5．1 本文的研究意义

1．5．2 本文的研究内容

第2章 双馈风电系统在重复性对称电网故障下的响应分析

2．1 重复性对称电网故障

2．2 重复性对称电网故障下双馈系统的响应分析

2．2．1 首次电压跌落，CROWBAR使能后(t0至t1)

2．2．2 首次故障CROWBAR切除到电网电压恢复(t1至t2)

2．2．3 首次故障电网电压恢复到第二次故障发生(t2至t3)

2．2．4 第二次电网故障，CROWBAR使能(t3至t4)

2．2．5 第二次电网故障，CROWBAR切除到电压恢复(t4至t5)

2．2．6 两次以上的重复性故障

2．3 对模型中各故障参数的分析

2．3．1 首次故障跌落深度P1的影响

2．3．2 首次故障电网故障角度θ的影响

2．3．3 两次电网故障间隔时间Tre的影响

2．3．4 故障前双馈电机运行状态的影响

2．4 仿真验证

2．4．1 不同首次电网故障跌落深度情况下

2．4．2 不同首次电网故障角度情况下

2．4．3 不同两次故障间隔时间情况下

2．4．4 不同故障前双馈电机运行状态情况下

2．5 实验验证

2．5．1 不同首次电网故障跌落深度情况下

2．5．2 不同首次电网故障角度情况下

2．5．3 不同两次故障间隔时间情况下

2．5．4 不同故障前双馈电机运行状态情况下

2．6 本章小结

第3章 双馈风电系统应对重复性对称电网故障的穿越策略

3．1 重复性对称电网故障带来的挑战

3．1．1 第一种穿越策略

3．1．2 第二种穿越策略

3．2 电网电压回升时的改进灭磁控制策略

3．2．1 改进灭磁控制策略的基本原理

3．2．2 改进灭磁控制策略的具体实现

3．3 采用改进灭磁控制的双馈风电系统重复性电网低电压穿越策略

3．3．1 穿越策略的总体介绍

3．3．2 穿越策略的穿越能力评估

3．4 仿真验证

3．4．1 三种穿越策略比较

3．4．2 本文研究的穿越策略在不同运行状态下表现

3．4．3 考虑实际风轮机状态下的仿真

3．5 实验验证

3．5．1 三种穿越策略比较

3．5．2 本文研究的穿越策略在不同运行状态下的实验结果

3．6 本章小结

第4章 双馈风电系统在重复性非对称电网故障下的运行分析

4．1 双馈风电系统在重复性非对称电网下的响应模型

4．1．1 采用CROWBAR的双馈风电系统非对称电网低电压穿越策略

4．1．2 双馈风电系统在重复性非对称电网故障下的响应模型

4．1．3 对响应模型的分析与比较

4．2 双馈风电系统应对重复性非对称电网低电压穿越策略的研究

4．3 仿真验证

4．4 实验验证

4．5 本章小结

第5章 重复性电网故障的实验室模拟方法研究

5．1 重复性电网故障实验室模拟的目标

5．2 重复性电网故障实验室模拟方法的实现

5．2．1 电网故障模拟装置的结构

5．2．2 电网故障模拟装置的控制

5．2．3 重复性电网故障模拟的实现

5．3 电压跌落与回升速度对双馈风电系统响应的影响分析

5．3．1 电压跌落速度的影响

5．3．2 电压回升速度的影响

5．3．3 考虑电压跌落、回升速度影响的修正模型

5．4 实验验证

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

附录

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间成果

致谢