电网故障时双馈型风力发电机电磁暂态分析及其低电压穿越方案研究

摘要

随着风电机组装机容量的不断增加,使得风电的电网穿透率不断提升。与此同时,电力部门对风机的运行要求也日趋苛刻,使得具备良好的低电压穿越能力已经成为风电场及其风电机组的必备性能。双馈型风电机组具有成本低、控制灵活的优点,因此被广泛应用于兆瓦级大功率风力发电机中,成为了目前主导机型。本文以双馈型风电机组在电网故障下的电磁暂态特性及其低电压穿越方案为研究对象,其中故障下的电磁暂态过程是双馈型风力发电机低电压穿越问题的关键所在,对其准确分析是探究和提高风电机组低电压穿越性能的基础和依据。Crowbar保护电路作为实现双馈风电机组低电压穿越的常用方案同样值得研究和改进。　　本文的主要研究内容可概括为:　　第一,简要叙述了双馈型风力发电机组的运行原理,并在不同参考坐标系下建立了网侧变流器和机侧变流器的数学模型。在建立的数学模型基础上,对机侧和网侧变流器的控制策略进行了分析和仿真研究。　　第二,通过对称分量法分析了电网电压不同故障类型的特点,在此基础上研究了对称和不对称电网电压故障下双馈电机的电磁暂态特性,包括电机的定子磁链暂态特性,转子开路电压暂态特性以及转子短路电流的暂态特性。分析所得结果对评估暂态过程中双馈电机的转子过流和过压具有指导意义。　　第三,重点研究了基于Crowbar保护的电网故障下双馈电机暂态特性。不同于传统基于磁链分析的方法,本文将电网故障后双馈电机的暂态过程分为转子侧电压故障分量作用与定子侧电压故障分量作用的叠加,然后通过解析运算的方式对故障时电机的电磁暂态过程进行了详细的推导和深入分析,并借助叠加原理和拉普拉斯变换方法推导出了电机定、转子磁链和电流的解析表达式,在此基础上讨论了电磁暂态过程中的重要特征。最后,通过仿真验证了推导的正确性以及解析表达式的准确度。所得解析表达式不仅能够为相关LVRT策略的提出提供理论依据,而且能够为大型风电场,尤其是考虑电力系统稳定性的仿真建模提供理论参考。　　第四,以双馈型风力发电系统的实验室模拟平台为基础,先对基于暂态磁链补偿控制的低电压穿越策略进行了实验研究,然后提出了一种新型Crowbar拓扑结构,该结构以半控型器件实现了常规全控型器件才能完成的主动Crowbar电路功能。最后,通过实验验证了该新型Crowbar电路在对称和不对称故障下均具有可行性。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 低电压穿越技术研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 双馈风电机组变流器的建模与控制

2.1 网侧变流器的建模与控制

2.2 机侧变流器的建模与控制

第三章 电网故障下双馈电机电磁暂态特性分析

3.1 电网电压故障类型

3.2 电网电压故障下双馈电机电磁暂态特性

第四章 基于Crowbar保护的电网故障下双馈电机暂态特性分析

4.1 双馈电机暂态过程中的故障分量

4.2 电压故障分量作用下的零状态响应

4.3 电压故障分量作用下的电磁暂态特性

4.4 电网电压故障下双馈电机的仿真验证

第五章 双馈电机低电压穿越控制策略实验研究

5.1 双馈电机实验室模拟平台概述

5.2 基于暂态磁链补偿的LVRT控制策略研究

5.3 基于Crowbar电路的LVRT控制策略研究

5.3.1 新型Crowbar电路的提出与分析

第六章 总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况