双馈异步风力发电机故障穿越方案设计及应用

摘要

近年来，风力发电技术发生了日新月异的变化，其在电网中的比重也越来越大，因此，电力系统对并网风电场的要求也愈加严格，其中较为严格的是风电机组的故障穿越能力(Fault Ride Through，FRT)。双馈异步风力发电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)因具有良好的控制性能和功率可解耦控制成为目前的重要研究对象。因此，本文对DFIG的故障穿越能力展开较为详细的研究。 本文首先研究DFIG的运行理论和数学模型，在了解其基本运行原理的基础上对其内部控制策略进行更深一步的探讨，分析了网侧变频器(Grid Side Converter，GSC)和转子侧变频器(Rotor Side Converter，RSC)的传统矢量控制策略和功率调节特性，为后续研究如何提高机组的FRT能力奠定基础。 随后，针对电网发生电压跌落的情况，为提高双馈机组的低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，本文提出一种LVRT控制策略。RSC控制策略为：当电网电压发生轻微跌落时，RSC 采用灭磁控制；当电网电压发生严重跌落时，投入主动式 Crowbar 保护变频器安全。GSC 则采用无功控制模式，发出无功功率支撑并网点电压。最后，将所提控制策略应用于“内蒙古·正镶白旗·北方龙源哲里根图风电场”，对其中 LVRT 能力不足的机组进行改造，并对改造后的风电机组进行现场测试，验证所提控制策略的有效性。 电压跌落期间，LVRT能力不足的风电机组会发生脱网事故，故障清除后由于无功补偿装置响应速度慢使得过剩的无功注入电网，电压抬升，从而导致风电机组又发生高电压脱网事故。为了解决这一问题，本文分析了电压骤升的原因以及电网电压升高时双馈机组的暂态过程，提出一种能够实现高电压穿越(High Voltage Ride Through ，HVRT)的控制策略。但由于现场条件限制，本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件验证了所提控制策略的可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 风力发电机研究现状

1.2.2 双馈风机LVRT技术研究现状

1.2.3 双馈风机HVRT技术研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 双馈风机运行及控制理论

2.1 引言

2.2 双馈风机的系统结构

2.3 双馈风机的数学模型

2.3.1 三相静止坐标系下DFIG的数学模型

2.3.2 三种坐标系中DFIG的数学模型及转换关系

2.4 电压不对称条件下双馈风机的数学模型

2.5 双馈风机的控制方式

2.5.1 RSC传统矢量控制策略

2.5.2 GSC传统矢量控制策略

2.6 本章小结

第3章 风电场低电压穿越技术改造方案

3.1 引言

3.2 DFIG改进控制策略

3.2.1 灭磁控制策略

3.2.2 GSC改进矢量控制策略

3.3 增加Crowbar硬件设备

3.3.1 被动式Crowbar保护电路及工作原理

3.3.2 主动式Crowbar保护电路及工作原理

3.3.3 Crowbar保护电路投切策略

3.4 DFIG低电压穿越改造测试及分析

3.4.1 风机参数

3.4.2 试验结果分析

3.5 本章小结

第4章 风电场高电压穿越技术方案

4.1 引言

4.2 高电压穿越技术标准

4.2.1 风电场并网点电压骤升原因

4.2.2 国外高电压穿越标准

4.3 双馈风机高电压穿越暂态过程分析

4.3.1 定子磁链分析

4.3.2 直流母线电压分析

4.4 双馈风力发电机HVRT解决措施

4.4.1 转子变换器改进矢量控制策略

4.4.2 直流母线电压控制

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢