双馈风力发电机组高电压穿越特性的建模与仿真分析

摘要

随着世界各国对环境保护及能源危机的日益重视，风电得到了大力支持并已成为继火电、水电之后的第三大能源。风电渗透率的不断提高，使得并网的风力发电机组/风电场对电网运行稳定性有着越来越显著的影响。当电网发生电压波动时，风力发电机组/风电场不脱网运行对电网故障的恢复起到积极作用。研究并提高风力发电机组高电压穿越特性不仅具有重要的理论价值还同时具备现场指导意义。
　　作为当前主流机型之一，双馈风机由于采用交流电流励磁，可实现变速恒频运行。尽管双馈风机的小容量变换器是其经济性优于其它机型的主要结构特点，但也是其在电网波动时控制力不高的根本原因。因此，本文针对双馈风力发电机组来研究风力发电机组的高电压穿越特性。首先，归纳了国外高电压穿越特性的相关标准并总结了双馈风力发电机组现有的高电压穿越技术；其次，阐述了电网正常运行时双馈风力发电机组的基本运行原理，在三相静止坐标系和两相广义旋转坐标系下分别建立了双馈风力发电机组的数学模型，并推导得出了采用d轴定向电网电压矢量的两侧变换器的控制策略；最后，在此基础上，对双馈风力发电机组在电网电压骤升期间表现出的暂态特性进行了严格的理论分析，并推导出双馈风机定、转子磁链，转子感应电压以及转子暂态电流的表达式，为寻找高电压穿越特性的改进方法奠定了理论基础。
　　在电力系统仿真软件PSCAD中建立了一台额定功率为2MW的双馈风机的电磁暂态仿真模型，并在模型中实现了对电网高电压发生模块和多种高电压穿越保护电路模块的设计。本文提出的改善高电压穿越特性的改进方法以抑制转子暂态电流为主要目的并从增加硬件设备和改进控制策略两方面入手。通过PSCAD仿真，验证了所提出的几种改善高电压穿越特性改进方法的有效性；经过仿真数据对比，分析了所提改进方法的利弊。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 风电系统高电压穿越技术

1.3 论文主要工作

第2章 双馈风力发电机组的运行原理及控制策略

2.1 双馈风力发电机的数学模型

2.2 双馈风力发电机组的控制策略

2.3 本章小结

第3章 电网电压骤升时双馈风力发电机组暂态分析

3.1 电网电压骤升对双馈风机暂态影响分析

3.2 双馈风机的转子暂态电流实用计算

3.3 本章小结

第4章 基于机电暂态仿真的双馈风力发电机组建模

4.1 电力系统仿真软件PSCAD简介

4.2 双馈风力发电机组基础仿真模型搭建

4.3 本章小结

第5章 双馈风力发电机组高电压穿越策略分析与仿真

5.1 定子侧串联动态电阻

5.2 转子侧串联动态阻抗

5.3 直流侧投入chopper电路

5.4 控制策略的改进

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文成果总结

6.2 研究方向展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢