双馈风机低电压穿越励磁控制技术研究

摘要

随着自然环境的不断恶化和不可再生能源的过度消耗，人类面临着环境污染和能源危机等重大难题，清洁与可再生能源的发展因此备受瞩目。风能作为应用最广的可再生能源之一，受到了越来越广泛的关注。近年来，风力发电在电力能源中所占的比重越来越大，对于电网的影响也日益显现。为此，各国都制定了相应的并网准则，其中一个就是低电压穿越要求(LVRT)，即在电网电压发生一定的跌落故障下，保持风机不脱网运行，并为电网提供一定的无功支撑。双馈感应发电机(DFIG)所需的变流器容量小，可实现有功、无功独立调节，是风力发电的主流机型。然而，由于双馈风机定子与电网直接相连，易受电网电压波动的影响，其在严重故障下的LVRT性能很不理想。
　　现有的LVRT方案主要分为轻微故障下改进变流器控制策略和严重故障下增加硬件两种方式。增加硬件主要是在转子侧投入Crowbar电阻泄能，并封锁变流器。Crowbar的投入会导致转矩脉动并吸收无功，并且不合适的切除时刻会导致更严重的暂态过程。而改进励磁控制策略无需增加额外的硬件，在故障期间可以对暂态过程进行一定的控制，减小电磁振荡和转矩脉动。现有的改进励磁控制策略一般需要磁链的准确观测和相序的快速分离，不易实现，并且存在较大的转矩脉动。
　　本文从故障下的暂态过程入手，分析了过压、过流的机理，并从转子侧端口等效阻抗的角度，根据端口的电压电流特性将转子侧变流器(RSC)等效成一个阻抗。本文分析了现有的低电压穿越控制策略在电气特性方面的统一性，并从简单的物理原理解释了其作用机理，从而归纳出了评判某种控制策略可行性的一个标准。根据对转子电流需求的深入分析和楞次定律的理解，提出了一种反向电流跟踪控制策略，并给出了合理的参数选取原则。该策略具有明确的物理意义，控制结构简单，而且理论上能消除转矩脉动。
　　反向电流跟踪控制策略的效果在MATLAB/Simulink(许可证号:11111-11111-02011-44270)中进行了仿真验证。最后本文设计搭建了一套10kW双馈风力发电系统，并配备了一台电网电压跌落故障发生器，通过电网故障实验验证了本文所提出的低电压穿越控制策略的有效性。该策略具有以下特点：
　　1.结构简单,原理清晰；
　　2.控制策略易于切换；
　　3.有效抑制转矩脉动。
　　在深度故障下，保持不脱网运行和向电网发出无功是相矛盾的。因此需要考虑何时改变控制目标，在度过了最严重的暂态过程之后为电网提供无功支撑。

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1 绪 论

1.1 风力发电概况

1.2 双馈风机低电压穿越技术研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 DFIG的暂态过程及端口等效阻抗分析

2.1 引言

2.2 双馈感应电机数学模型

2.3 暂态分析方法

2.4 端口等效阻抗分析

2.5 本章总结

3 反向电流跟踪控制策略

3.1 LVRT转子电流需求分析

3.2 反向电流跟踪控制策略

3.3 反向电流跟踪控制策略仿真分析

3.4 故障及恢复时刻的影响

3.5 本章小结

4 实验验证

4.1 实验平台简介

4.2 故障跌落发生装置

4.3 低电压穿越实验

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 本文展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间研究成果