基于串联型DVR的双馈风电机组低电压穿越研究

【摘要】：随着风电产业的蓬勃发展,利用风能资源发电在电力生产中所占的比例越来越大,大容量风电机组规模化并网对电网稳定性有着很大的冲击,电网对风电机组低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力提出了越来越严格的要求。作为目前风力发电主流机型双馈异步发电机(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)在承受电网故障时有一定缺陷,主要表现为定子直接并网,易受电网故障影响,而转子侧变频器容量相对较小,应对电网故障时对DFIG控制能力受限,所以要着力改善双馈风电机组低电压穿越能力。本文采用了一种有源实时补偿装置动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)辅助DFIG实现各种低电压穿越方案,在电网电压跌落时,DVR对DFIG端口电压进行完全补偿,使机端电压始终维持在正常水平,有效地抑制电磁暂态冲击,是一种理想的从根源解决电网故障方案。在理想电网条件下,介绍了双馈风电机组的基本工作原理和双馈电机数学模型,并根据变换器数学模型建立了传统基于PI控制器的转子侧变换器定子磁链定向,网侧变换器定子电压定向的矢量控制策略。分析了准比例谐振控制器(Proportional Resonant,PR)特性,并构建了基于准PR控制器的转子侧和网侧变换器的矢量控制系统,简化了电流环控制的复杂性。其次介绍了DVR系统的结构组成和数学模型;对逆变单元采用基于准PR控制器的复合控制策略,保证对电压补偿参考量的精确跟踪及跌落电压的完全补偿;对双向DC/DC变换器的控制维持直流电压稳定。文中的求导???dq电压检测法确保了DVR快速切入,新型谐振调节器的正负序分离方法能够实时判断电压跌落程度和平衡度。通过MATLAB/Simulink软件平台建立了并网2MW双馈式风电机组及串联型三单相DVR仿真模型。文中根据电网故障类型分别探讨了瞬态三相电压对称跌落、不平衡和严重不对称跌落对DFIG的影响,并对应的在DVR的串联补偿下DFIG不脱网运行特性进行了仿真分析。整个故障过程励磁电流仍可控,发电机组仍能平稳输出有功、无功功率;在故障初始及恢复时刻,各电磁量暂态分量得到了有效限制,满足国家并网准则,风电机组外围采用串联型DVR能够增强风电机组低电压穿越能力。最后验证了准PR控制器和DVR的配合实现指定谐波补偿功能,对减轻电网谐波污染和延长风电机组寿命具有重要意义。 【关键词】：双馈型风力发电机组 矢量控制 电网故障 准PR控制器 DVR 低电压穿越
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 课题研究的背景及意义8-9
• 1.2 电网典型故障类型9
• 1.3 风力发电机组低电压穿越的标准要求9-11
• 1.4 国内外DFIG低电压穿越研究现状11-14
• 1.4.1 改进DFIG控制策略11
• 1.4.2 转子侧硬件保护方案11-12
• 1.4.3 直流侧硬件保护方案12-13
• 1.4.4 串联网侧变换器方案13
• 1.4.5 动态电压恢复器方案13-14
• 1.5 本文研究内容14-15
• 第二章 理想电网条件下双馈式风电机组的运行与控制15-34
• 2.1 双馈式风电机组基本运行原理15-16
• 2.2 双馈式风力发电机数学模型16-20
• 2.2.1 三相静止坐标系数学模型16-18
• 2.2.2 两相同步旋转坐标系数学模型18-20
• 2.3 网侧PWM变换器的矢量控制20-27
• 2.3.1 网侧PWM变换器模型21-22
• 2.3.2 网侧变换器传统PI矢量控制22-23
• 2.3.3 比例谐振（PR）控制器及其特性23-26
• 2.3.4 网侧变换器改进的准PR矢量控制26-27
• 2.4 转子侧PWM变换器的矢量控制27-31
• 2.4.1 转子侧变换器传统PI矢量控制27-29
• 2.4.2 转子侧变换器改进的准PR矢量控制29-31
• 2.5 仿真与分析31-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 动态电压恢复器基本原理及运行控制策略34-45
• 3.1 DFIG-DVR拓扑结构34-35
• 3.2 DVR数学模型35
• 3.3 DVR运行控制35-43
• 3.3.1 DVR补偿策略36-37
• 3.3.2 DVR逆变单元控制策略37-42
• 3.3.3 DVR直流电压控制策略42-43
• 3.4 仿真与分析43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 电网电压特征量检测45-53
• 4.1 电压幅值和相角检测方法45-49
• 4.1.1 三相abc-dq的派克变换45-46
• 4.1.2 构造虚拟三相的dq检测法46
• 4.1.3 单相求导法的 αβ-dq变换46-49
• 4.2 基波电压正负序分离方法49-52
• 4.2.1 不对称电压的描述49-50
• 4.2.2 基于谐振控制器的正负序分离方法50-52
• 4.3 本章小结52-53
• 第五章 DVR提高双馈风电机组低电压穿越仿真分析53-68
• 5.1 三相电网电压对称跌落对DFIG风电系统运行的影响53-54
• 5.2 三相对称故障下低电压穿越仿真结果分析54-57
• 5.3 电网电压不平衡或不对称跌落对DFIG风电系统运行的影响57-65
• 5.3.1 三相电网电压不平衡对DFIG风电系统运行的影响57-59
• 5.3.2 三相电网电压不平衡故障穿越仿真结果分析59-62
• 5.3.3 严重瞬态不对称故障对DFIG风电系统运行的影响62-63
• 5.3.4 严重瞬态不对称故障穿越仿真结果分析63-65
• 5.4 电网电压谐波补偿仿真分析65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-72
• 致谢72-73
• 攻读学位期间发表的学术论文及研究成果73

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