双馈风电机组低电压穿越协调控制策略的研究

摘要

风能作为可再生能源的一种，由于其具有可开发容量大和清洁的优点，成为当今电力系统中增长速度最快的能源。风能在电网总容量中所占的比例越来越大，风电场对电网的影响变得不容忽视，为了保证电网的安全稳定运行，各国电网公司都提出了更高的风电场并网要求，其中包括低电压穿越(LVRT)能力、无功补偿能力以及功率输出控制能力。 本文以双馈风力发电机组(DFIG)为研究对象，利用DIgSILENT仿真平台研究优化其低电压穿越运行性能的方法。 首先研究了双馈风力发电机组的数学模型、工作原理和控制方法。其次，对DFIG在三相对称故障下的暂态响应做了详细的理论分析和仿真研究，根据磁链守恒的原理，分析了电压跌落期间DFIG的定转子磁链暂态特性，并在此基础上推导了双馈感应电机定转子电流、转子电压的数学表达式，定量分析了电压跌落程度、DFIG故障前出力的大小与故障瞬间转子电流最大值的关系。再次，研究了DFIG的转子侧Crowbar保护技术，给出了Crowbar阻值选择的理论依据，提出了两种Crowbar投切方案，并对不同Crowbar阻值和投切策略下DFIG低电压穿越性能进行了仿真对比，验证了阻值整定方法的正确性，得到了根据电压跌落程度制定Crowbar投切方案的依据。 最后在分析了DFIG在不同运行情况下的功率输出关系的基础上，研究了制定DFIG低电压穿越期间功率控制策略需要考虑的要素以及电网故障期间DFIG定子侧和网侧的功率输出极限，提出了一种基于电压分段的DFIG低电压穿越时的协调控制策略，通过仿真证明了所提控制策略与传统控制策略相比能优化风电机组故障期间的运行性能并能够在一定程度上提高所连电网的暂态电压稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外风电发展现状

1．2．1 国外风力发电发展现状

1．2．2 国内风力发电发展现状

1．3 风力发电技术概况

1．4 双馈风机低电压穿越技术的研究现状

1．5 本文的主要工作

第2章 双馈风力发电机组的模型

2．1 风力机组合模型

2．1．1 空气动力学模型

2．1．2 桨距角控制模型

2．1．3 轴系模型

2．2 双馈感应发电机的数学模型

2．2．1 DFIG在三相静止坐标系下的数学模型

2．2．2 DFIG在两相旋转坐标系下的数学模型

2．3 转子侧变频器的控制模型

2．4 网侧变频器的控制模型

2．5 本章小结

第3章 电网故障下DFIG的暂态响应和Crowbar保护技术

3．1 DFIG电网故障下的暂态分析

3．1．1 DFIG定转子磁链的暂态分析

3．1．2 DFIG定转子电流的暂态分析

3．1．3 DFIG转子电压的暂态分析

3．1．4 仿真分析

3．2 DFIG故障前的运行状态对转子电流最大值的影响

3．2．1 稳态转子电流与风机出力的关系

3．2．2 暂态转子电流与风机出力的关系

3．2．3 仿真分析

3．3 DFIG的Crowbar保护技术

3．3．1 Crowbar阻值的选择与仿真分析

3．3．2 Crowbar投切策略的选择与仿真分析

3．4 本章小结

第4章 DFIG低电压穿越的协调控制策略

4．1 DFIG的功率输出关系

4．2 DFIG功率输出限制

4．2．1 定子侧功率输出限制

4．2．2 网侧变频器功率输出限制

4．3 电压跌落期间DFIG功率协调控制需要考虑的因素

4．3．1 风电场无功输出要求

4．3．2 风电机组的机械扭转问题

4．3．3 直流侧电压升高问题

4．4 DFIG低电压穿越的协调控制策略

4．4．1 DFIG定子侧功率协调控制策略

4．4．2 DFIG网侧变频器功率协调控制策略

4．5 仿真分析

4．6 本章小结

第5章 DFIG协调控制策略在电网中的仿真验证

5．1 仿真软件DIgSILENT简介

5．2 仿真系统模型

5．3 协调功率控制策略的仿真验证

5．3．1 低风速情况下的仿真分析

5．3．2 高风速情况下的仿真分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参与的科研工作

致谢