DFIG低电压穿越动态特性及穿越策略的研究

摘要

双馈感应发电机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)以其灵活的控制特性和相对低廉的价格正在风力发电领域得到越来越广泛的应用。由于自身低电压穿越能力的不足，近些年来电网电压跌落导致的DFIG风电场脱网事故严重制约了DFIG风力发电机的大规模并网运行。对DFIG低电压穿越动态特性和穿越策略的研究可以为DFIG低电压穿越的实现提供理论参考和技术支持。
　　 首先，建立了DFIG风力发电系统各部分的数学模型，对最大风功率追踪原理和桨距角控制、网侧变频器控制以及转子侧变频器控制等控制原理进行研究。基于DFIG各部分数学模型在MATLAB/Simulink仿真平台下搭建了并网运行的DFIG仿真模型。
　　 其次，在电网简化的基础上，基于电路换路原理、图论理论和KVL、KCL等电路基本定律对电网短路故障下DFIG的电磁特性进行理论研究和推导，重点分析了短路发生瞬间和短路切除瞬间DFIG定子磁链和转子电流动态特性的差异。研究结果表明，短路切除瞬间DFIG的电磁动态过程并非短路发生瞬间DFIG的电磁动态过程的逆过程。理论推导的结果分别在“IEEE9节点标准测试系统”和“含SVC的DFIG风电场仿真系统”下得到了仿真验证。
　　 再次，对采用“恒电压”无功控制方式的DFIG的控制系统在低电压穿越过程中的动态特性进行研究。在对控制系统进行简化的基础上，对DFIG低电压穿越后机端高电压现象的成因进行分析，推导了电压恢复时机端电压暂态增量的数学表达式。研究结果表明，电压恢复时机端出现暂态高电压的主要原因是无功控制系统的延时，电压增量与电压跌落深度、跌落时间以及跌落前DFIG负载状况等密切相关。仿真结果验证了理论分析的正确性。
　　 最后，对基于Crowbar保护的DFIG低电压策略进行研究。从功率耗损的角度对Crowbar电阻阻值与定、转子暂态直流磁链的衰减关系进行推导分析;讨论了Crowbar电阻阻值对低电压穿越下DFIG电磁转矩的影响;提出了通过在Crowbar回路中串联附加电感的方法抑制电压跌落瞬间电磁转矩的震荡。研究表明，过大的Crowbar电阻阻值不利于定子暂态直流磁链的快速衰减;Crowbar电阻阻值存在一个“极限值”，在此“极限值”下DFIG获得最大电磁转矩。MATLAB中的仿真结果验证了理论推导的正确性和所提的附加串联电感Crowbar电路抑制电磁转矩震荡的有效性。研究结果为Crowbar电阻阻值的优化选择提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 课题研究动态

1．2．1 DFIG低电压穿越要求

1．2．2 DFIG低电压穿越动态特性的研究现状

1．2．3 LVRT实现方式的研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 DFIG数学模型

2．1 引言

2．2 DFIG风力发电系统各部分数学模型

2．2．1 拓扑电路和运行原理

2．2．2 风轮机模型和最大风功率追踪

2．2．3 发电机模型

2．3 DFIG控制系统的控制原理

2．3．1 RSC控制策略

2．3．2 GSC控制策略

2．4 本章小结

第3章 电网短路故障下DFIG的暂态特性

3．1 引言

3．2 电网短路故障下DFIG的电磁特性研究

3．2．1 短路故障下定子磁链对转子电流的影响

3．2．2 定子暂态直流磁链变化特性分析

3．2．3 仿真验证

3．3 电网短路故障下DFIG控制系统的动态特性研究

3．3．1 恒电压运行原理

3．3．2 低电压穿越后无功过补偿现象理论分析

3．3．3 改进的恒电压运行方式

3．3．4 仿真验证

3．3．5 结论

3．4 本章小结

第4章 基于Crowbar保护的DFIG低电压穿越策略研究

4．1 引言

4．2 Crowbar保护的基本原理

4．3 Crowbar电阻阻值对DFIG运行特性的影响

4．3．1 Crowbar电阻阻值与DFIG电磁特性的关系

4．3．2 Crowbar电阻阻值对电磁转矩和转子转速的影响

4．3．3 附加串联电感的Crowbar电路

4．3．4 结论

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢