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《浙江大学》 2009年
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双馈异步风力发电机系统电网故障穿越(不间断)运行研究

胡家兵  
【摘要】: 随着风电机组装机容量的日益扩大和并网规范要求的不断提高,促使目前国际风电技术的主要研发动向是从正常电网条件下风电机组的变速恒频运行转向电网故障下的穿越运行,其中最为瞩目的研究内容是:适应电网故障下运行的基于双馈异步发电机(DFIG)风电机组的控制模型和控制策略;电网故障对DFIG风电机组影响和保护对策;电网故障下DFIG风电机组的不间断运行控制策略。更为重要的是目前的故障运行研究已从对称故障向不对称故障范畴延伸,这正是风电领域需要努力工作、做出创新贡献且具有挑战性的新研究方向。 本文以与大电网或与分布式输电系统相联的DFIG风力发电机系统(简称DFIG风电机组)在外部电网对称、不对称故障下的不间断运行(穿越运行)与控制为主题,从理论分析、运行仿真和实验验证三个方面全方位地进行了全面、深入、细致的研究,获得了一些同步甚至超前于国际风电技术先进水平的重要结论与自主创新研究成果。 1.建立了三相定子静止坐标系、两相静止坐标系和两相任意速旋转坐标系中表达的DFIG励磁用网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器的精确数学模型。在此基础上,构建了两相同步速旋转坐标系中包括电网状态、DFIG发电机及网侧、转子侧PWM变换器在内的完整风力发电机系统模型,分析了该系统的瞬时有功、无功功率成分。随后,针对网侧PWM变换器引入了基于电网电压定向的直流环节电压、电流双闭环矢量控制策略,针对转子侧PWM变换器建立了两相同步速旋转坐标系中计及定子电压变化、励磁电流过渡过程的DFIG精确控制模型,进一步又提出了分别基于定子电压定向、定子磁链定向的两种改进矢量控制方案,奠定了DFIG风电机组运行分析和电网电压骤降(跌落)故障下实施有效控制的理论基础。仿真分析验证了所建立的DFIG本体精确模型和改进的两种DFIG风电机组矢量控制策略在较小值电网电压骤降故障下实施控制的有效性。 2.重点研究了不平衡电网电压条件下DFIG风电机组的运行性能评估、动态建模与增强不间断运行能力的控制对策设计,包括:评估了电网电压不平衡时所包含的负序电压对DFIG励磁用网侧、转子侧变换器运行影响;采用对称分量法建立了不平衡电网电压条件下包括DFIG发电机、网侧、转子侧变换器在内的完整风力发电机系统正、负序dq轴模型;针对DFIG网侧、转子侧变换器分别提出了不平衡电网电压条件下的增强运行能力控制对策及相应的有功、无功功率与正、负序电流指令算法。 3.基于不平衡电网电压条件下包括网侧、转子侧变换器在内的正、负序分量形式DFIG风力发电机组完整数学模型,提出、讨论、验证、评估了适合于不平衡电网电压条件下DFIG风力发电机励磁用网侧、转子侧变换器的四种不同正、负序电流控制方案,即正、反转同步速旋转坐标系中的双d-q、PI控制、正、反转同步速旋转坐标系中的主、辅电流控制、两相静止坐标系中及正转同步速旋转坐标系中的比例-谐振(PR)控制和比例-积分-谐振(PI-R)控制方案,以此实现了所提出的电网电压不平衡条件下网侧、转子侧变换器增强运行能力控制的各个目标。翔实的仿真和严格的实验验证了各种电流控制方案在不平衡电网电压条件下的优良控制性能。 4.研究了严重对称电压骤降(跌落)时DFIG风电机组的控制策略和保护方案,优化了转子crowbar的投/切时刻,分析了转子crowbar所用串联耗能电阻大小对交流电网恢复的影响,并在此基础上提出了一种采用串联电阻的crowbar和改进网侧变换器控制的低电压穿越运行方案;基于不对称电网故障时DFIG风电机组运行特性,分析了大值不对称故障下励磁变频器中网侧、转子侧变换器容量对两者协同控制的影响,据此提出了一种计及有限励磁变频器容量的改进DFIG不对称电网故障穿越运行控制新策略,仿真结果验证了其有效性。 5.为了验证电网电压不平衡条件下DFIG风电机组增强运行能力控制策略的有效性和实用性,获得有实用价值的创新性关键风电技术成果,设计和研制了一台基于双PWM变换器(网侧和转子侧PWM变换器)的变速恒频双馈风力发电机组实验样机系统,对电网电压不平衡条件下DFIG风电机组网侧、转子侧变换器不同增强控制目标、不同正、负序电流控制方案、网侧、转子侧变换器协同控制策略等分别在几种典型运行工况情况下进行了系统深入的实验研究,获得了相对完整的实验成果,对本论文提出的对称、不对称故障下交流励磁DFIG发电机系统基础理论和关键技术从实践角度进行了有效地验证和进一步创新,实现了理论联系实际的全面研究。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:B
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM315

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【引证文献】
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2 王建良;不平衡电压下双馈风电系统谐振控制技术研究[D];北京交通大学;2017年
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7 刘巨;利用储能提升含风电并网电力系统稳定性的研究[D];华中科技大学;2016年
8 姜飞;新型电能质量调节与故障限流复合系统关键技术研究[D];湖南大学;2016年
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4 周维;永磁直驱风力发电系统在非理想电网条件下的故障诊断和控制策略研究[D];新疆大学;2018年
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7 李龙奇;非理想电网下基于无锁相环的双馈风电机组直接功率控制研究[D];浙江大学;2018年
8 徐其丹;低压穿越对双馈风力发电机早期故障的影响分析[D];新疆大学;2017年
9 苏炳华;基于小波包的风力发电机组齿轮箱故障诊断研究[D];新疆大学;2017年
10 赵昂;低电压穿越工况下的电机内部电磁场和温度场分析[D];新疆大学;2017年
【参考文献】
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1 赵仁德;变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究[D];浙江大学;2005年
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【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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7 朱翀;直驱式永磁风力发电系统变流器容错运行综合优化设计[D];浙江大学;2016年
8 程鹏;双馈风电机组直接谐振与无锁相环运行控制研究[D];浙江大学;2016年
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 程鹏;双馈风电机组直接谐振与无锁相环运行控制研究[D];浙江大学;2016年
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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9 赵仁德,贺益康,黄科元,卞松江;变速恒频风力发电机用交流励磁电源的研究[J];电工技术学报;2004年06期
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3 贺惟明;双馈发电机的功率控制及其电网故障情况下的研究[D];太原理工大学;2017年
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5 王海龙;配电网故障时空特性分析及诊断判据[D];山东大学;2014年
6 霍福广;电网故障分析系统的研究[D];华北电力大学;2013年
7 韩毅;基于企业资源计划与业务流程再造的电网故障智能化处理问题研究[D];浙江工业大学;2014年
8 侯仁政;基于气象因素的电网故障原因推理研究[D];浙江大学;2017年
9 余昌鸿;电网故障分析与定位管理系统的设计与实现[D];西安电子科技大学;2016年
10 王胜;配电网故障快速定位及快速抢修处理策略研究[D];华北电力大学(北京);2016年
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