直驱永磁风电机组故障穿越及控制策略研究

摘要

从我国目前的风电现状看，风电消纳问题是需要解决的重要课题。然而，欲提高电网接纳风电的能力，一方面要建设坚强的电网依此提高电网的综合调控能力，另一方面需要提高风电场/风电机组自身的调节能力依此适应电网安全稳定运行需求。风电本身的调节能力基本上等同于风电场最为核心的电气设备-风电机组的电网适应性。一般而言，风电机组组本身的电网适应性包括有功调节与对电网频率的支撑、无功调节与对电网电压的支撑、针对电网故障的抵御能力与对电网故障恢复的支撑、注入电网的电能品质与终端客户要求的符合度等。其中，风电机组针对电网故障的抵御能力与对电网故障恢复的支撑作用同电网的暂态/动态稳定性紧密关联，被公认为是最具挑战性的一项重要技术课题。
　　本文首先在研究国内外风电并网技术规范的基础上，结合多年的研发与工程技术经验，归结出了D-PMSG机组故障穿越需要解决的技术问题和将要面临的技术挑战。与此同时，对D-PMSG机组故障穿越特性有影响的关键问题:D-PMSG机组在电网侧故障条件下的暂态特性、变流器拓扑结构、D-PMSG机组故障穿越特性硬件解决方案等问题进行了研究，结出了D-PMSG机组故障穿越解决方案的基本思路。然后，在分析与构造D-PMSG机组数学模型的基础上，利用PSCAD仿真平台搭建了实际产品的仿真计算模型，并进行了仿真计算。根据归结出的重点技术问题，本文重点研究了D-PMSG机组故障穿越解决方案及有关控制算法，给出了能够全面实现D-PMSG机组故障穿越特性的优化控制方法，并通过仿真与现场实测等手段验证了方法的有效性和正确性。所提出的基于MPPT算法、IRC算法和PC算法的风电机组单机有功优化控制方法和风电场一次调频方案可有效提高D-PMSG机组参与电力系统一次调频的能力，在一定程度上可缓解风电的消纳问题。给出的关于D-PMSG机组电压穿越全方位解决方案和有关算法可有效提高D-PMSG机组的电压故障穿越性能，能够使D-PMSG机组满足国内外先进的风电并网技术规范技术要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景、目的及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究目的及意义

1．2 直驱永磁风电机组故障穿越技术国内外研究现状

1．2．1 电压穿越研究现状

1．2．2 频率穿越方法研究现状

1．3 论文的主要研究内容与章节安排

1．3．1 论文的主要研究内容

1．3．2 论文的章节安排

第2章 直驱永磁风电机组及故障穿越一般问题

2．1 引言

2．2 直驱永磁风电机组基本构成及其发电原理

2．3 直驱永磁风电机组主回路拓扑结构

2．4 各类电网故障下的直驱永磁风电机组暂态响应

2．4．1 电压跌落条件下的D-PMSG机组暂态响应

2．4．3 电网频率扰动条件下的D-PMSG机组暂态响应

2．5 直驱永磁风电机组故障穿越解决方案基本思路

2．5．1 直驱风电机组电压穿越解决方案基本思路

2．5．2 直驱风电机组频率穿越解决方案基本思路

2．6 直驱永磁风电机组故障穿越解决方案研究

2．6．1 直驱风电机组电压穿越解决方案

2．6．2 直驱风电机组频率穿越解决方案

2．7 本章小结

第3章 直驱永磁风电机组及其控制系统建模

3．1 引言

3．2 风速模型

3．3 风轮机空气动力学模型

3．4 传动系模型

3．5 永磁同步发电机模型

3．6 全功率变流器建模

3．6．1 电网侧逆变器建模

3．6．2 电机侧整流器建模

3．6．3 直流回路建模

3．6．4 变流器基本控制器构造

3．7 本章小结

第4章 直驱永磁风电机组频率穿越及控制方法

4．1 引言

4．2 频率穿越可控区域理论分析

4．2．1 最大风能捕获控制策略

4．2．2 变桨控制器

4．2．3 惯性控制基本理论

4．3 直驱永磁机组频率穿越控制新方法

4．4 机组单机仿真分析

4．5 工程测试与应用

4．6 本章小结

第5章 直驱永磁风电机组电压穿越及控制方法

5．1 引言

5．2 变流器可控区域理论分析

5．2．1 逆变器电流可控区域分析

5．2．2 卸荷电阻约束条件

5．2．3 直流侧电压可控区域

5．2．4 直流回路与逆变回路硬件评估

5．3 直流电压控制器设计

5．4 电流控制器设计

5．5 锁相环优化

5．6 电网侧电压故障时的保护与限幅

5．7 多机并联系统存在的问题与算法优化

5．8 故障穿越控制指标设计

5．9 机组单机仿真研究

5．10 工程测试与与应用

5．11 本章小结

6．1 研究结论

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介