双馈型风电机组低电压穿越能力的研究

【摘要】：随着风电事业的蓬勃发展，风能在电力系统中的比例逐年增加，大规模的风电并网会对电网的稳定性产生冲击，电力部门对风电机组的低电压穿越（LowVoltage Ride Through，LVRT）能力提出了更高的要求。因此，对风电机组的低电压运行能力研究具有十分重要的现实意义。本文利用MATLAB/SIMUlink仿真平台，针对双馈式风电机组(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)的低电压运行能力展开研究工作。 研究的主要内容为应用MATLAB/SIMUlink仿真工具进行并网双馈风电机组的低电压穿越能力分析。主要工作及结论集中在如下三个方面： （1）首先从公式上推导了Crowbar阻值的选取范围，并结合仿真算例探讨了Crowbar阻值对DFIG低电压穿越性能的影响，在此基础上选取了合理的Crowbar阻值；然后，对Crowbar电路的投切控制策略作了详细的探讨，分别对故障撤除前，故障撤除时和故障撤除后这三种切除Crowbar方案借用仿真手段进行了深入研究。分析表明故障撤除前切除Crowbar的方案对DFIG风电系统穿越运行和恢复情况相对较好，在此基础上选取以时间作为投切判据量的Crowbar控制策略；最后，提出了基于滞环控制的直流侧卸荷电路控制策略。 （2）建立了并网仿真系统，针对影响DFIG低电压穿越能力的因素展开讨论，分析了网侧变频器最大限值电流及其无功补偿时刻对DFIG稳定性的影响。得到了合理的限流值能稳定直流侧母线电压，而及时控制网侧变频器进行无功补偿则能减少DFIG系统暂态振荡的结论。在此基础上，提出了两种具体的低电压穿越方案。当电网电压跌落85%时，对比转子侧Crowbar电路、Crowbar电路与直流侧卸荷电路相结合两种低电压实现方案，得到后者通过提高Crowbar阻值能够吸收多余的能量，在抑制定、转子侧的暂态浪涌电流和稳定直流母线电压方面较前者更有效等结论。 （3）在含DFIG的风电场中同时投入Crowbar电路和STATCOM动态无功补偿装置，STATCOM装置用以补偿Crowbar动作后双馈电机异步运行时对电网的无功需求，弥补了Crowbar电路动作时无法满足系统无功功率需求这一缺陷。通过仿真探讨了不同程度电压跌落下加入STATCOM后DFIG的动态响应，着重分析了电压跌落85%的情况。可以得出如下结论：电网电压严重跌落时，STATCOM装置配合网侧变频器共同对电网的无功补偿效果明显，满足E.ON标准中对风机无功功率的补偿要求，实现了风电场的LVRT；电压跌落发生时刻对DFIG系统造成的冲击要大于电压恢复时刻；和单独投入Crowbar电路相比，加入STATCOM装置不会对DFIG各分量产生冲击。电网电压轻度跌落时，DFIG风电场可以通过自身抵御故障的能力实现低电压穿越，外加Crowbar电路和STATCOM装置抑制效果不明显。因此，小电压跌落下风机不宜加Crowbar电路；电压跌落发生时刻对DFIG系统造成的冲击要小于电压恢复时刻。 【关键词】：风力发电 低电压穿越 Crowbar电路 直流卸荷电路 STATCOM 直流母线电压 最大限值电流 无功补偿
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 选题背景与研究意义11-12
• 1.2 双馈风电机组低电压穿越技术的必要性12-14
• 1.3 现有的低电压穿越技术14-18
• 1.3.1 转子侧方法15
• 1.3.2 定子侧方法15-16
• 1.3.3 直流母线方法16
• 1.3.4 改进控制策略16-18
• 1.4 本文的主要研究内容18-20
• 第2章 双馈风机的基本理论和数学模型20-32
• 2.1 双馈风机的系统结构和运行原理20-21
• 2.2 风力机数学模型21-23
• 2.3 DFIG数学模型23-29
• 2.3.1 三相静止坐标系下DFIG的数学模型23-25
• 2.3.2 任意速旋转坐标系下DFIG的数学模型25-27
• 2.3.3 两相旋转坐标系下DFIG的数学模型27-29
• 2.4 变频器数学模型29-31
• 2.4.1 机侧变频器数学模型29
• 2.4.2 网侧变频器数学模型29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 DFIG的低电压保护电路及控制策略32-44
• 3.1 Crowbar电路及控制策略32-38
• 3.1.1 被动式Crowbar电路32
• 3.1.2 主动式Crowbar电路32-33
• 3.1.3 Crowbar阻值的选取33-35
• 3.1.4 Crowbar的投切时间35-38
• 3.2 直流侧卸荷电路及控制策略38
• 3.3 基于定子电压定向矢量控制的网侧变频器38-40
• 3.4 基于定子磁链定向矢量控制的机侧变频器40-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第4章 双馈风机的低电压穿越并网分析44-54
• 4.1 电网电压三相电压跌落发生器的模拟45
• 4.2 影响DFIG系统的低电压穿越因素分析45-48
• 4.2.1 网侧变频器限值电流对直流侧母线电压的影响46-47
• 4.2.2 网侧变频器不同无功补偿时刻对DFIG系统的影响47-48
• 4.3 大电压跌落下无保护措施的DFIG响应特性48-49
• 4.4 大电压跌落情况下DFIG低电压穿越方案仿真分析49-52
• 4.4.1 转子侧Crowbar电路LVRT方案50-51
• 4.4.2 转子侧Crowbar电路与直流卸荷电路LVRT方案51-52
• 4.5 本章小结52-54
• 第5章 STATCOM装置对DFIG风电场的低电压穿越分析54-61
• 5.1 STATCOM数学模型55-56
• 5.2 STATCOM装置工作原理56
• 5.3 STATCOM装置的低电压穿越应用56-60
• 5.4 本章小结60-61
• 结论61-63
• 主要工作61-62
• 今后进一步研究工作展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录68-69
• 附录B 攻读学位期间参与的科研项目69

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