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《华中科技大学》 2012年
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双馈型风力发电机在电网故障和不平衡条件下控制技术研究

胡胜  
【摘要】:双馈风力发电机的变流器容量仅为发电机转差率容量,与直驱型风电系统中的全功率变换器相比,具有体积小、重量轻和损耗低等优点,因此目前双馈感型风电机组在1WM以上的风电机组中占据着主导地位,是国际风电机组研制的主流技术。然而大规模风电的发展,要求并网运行的风电机组能够满足和适应电力系统运行的需要而具备低电压穿越能力和抵御电网电压不平衡影响的能力。本文围绕双馈感应发电机的低电压穿越技术和电网电压不平衡条件下的控制技术进行了较为深入的研究,主要内容如下: 电网故障时双馈感应发电机的电磁暂态特性对于分析其在故障期间的的行为和实现低电压穿越控制是非常重要的,目前对称故障下双馈电机转子侧短路的电磁暂态特性的研究比较清楚,但缺少不对称故障转子侧短路情况下的电磁暂态特性的理论分析。本文在对称故障研究的基础上,对其在不对称故障转子侧短路情况下的暂态特性进行了理论分析,首先建立了双馈感应发电机的数学模型,然后利用其空间矢量模型对相关参量的数学表达式进行了理论推导,仿真结果验证了理论分析的正确性。从磁链、电流、功率和转矩的数学表达式分析可知,定子磁链负序分量是引起故障期间定子电流不对称、转子电流畸变、功率和电磁转矩脉动的根本原因。 Crowbar保护方案中的Crowbar电阻的选取是实施有效保护的关键。目前其选取的范围是基于特定运行条件下和一系列近似处理之上通过数学推导给出的,因此存在误差,并且该取值范围的推导不是基于极端运行条件得出的,也没有综合考虑其对功率、电磁转矩的影响。针对上述不足,本文提出了一种Crowbar电阻选取的方法,首先考虑故障前的运行条件对转子电流的影响,通过仿真得出了确定Crowbar电阻值的极端运行条件,然后在该条件下,根据Crowbar电阻对转子电流大小的抑制和定子电流大小、功率和电磁转矩抑制的一致性,提出了在Crowbar投入时尽量抑制转子电流大小和兼顾考虑Crowbar电阻压降不能超出转子变换器的最大输出电压的原则确定Crowbar电阻取值的方法。仿真结果验证了采用该方法确定的Crowbar电阻实现故障穿越的有效性。研究表明,由该方法确定Crowbar电阻的取值所构成的保护方案,可以对定转子电流、功率、电磁转矩的振荡达到最大的抑制。 电网故障时定子磁链中的故障分量会在转子侧感应很高的过电压,为了防止转子侧过电流,则必须要求转子变换器输出很高的电压与之抗衡,但这会远远超出变换器的电压输出能力;而灭磁控制是通过控制转子电流来抵消定子磁链中故障分量对转子侧的作用的一种低电压穿越方案,但电压深度跌落时为了抵消定子磁链中故障分量的作用,会使灭磁电流超过了变换器通流极限致其损坏。本文针上述方案的不足,提出了转子侧变换器改进的故障穿越控制策略,利用转子变换器的输出电压裕量来构造虚拟阻抗来减小了故障时所需的灭磁电流的大小,在深度跌落时,也可以保证灭磁电流小于转子变换器的最大允许电流;网侧变换器的负载电流前馈的低电压穿越控制策略由于忽略了输入滤波器的损耗,故障时直流链电压的波动较大,为了减小直流电压的波动,本文提出了网侧变换器改进的故障穿越控制策略,考虑输入滤波器的损耗,前馈电流用变换器侧功率来计算。仿真结果验证了改进的机侧和网侧变换器实现低电压穿越的有效性。研究表明,与原控制策略相比,改进的机侧和网侧故障控制策略在电网电压出现严重故障时也能够有效的抑制转子变换器的过电流和直流链电压的过大波动,从而提高了风电机组实现低电压穿越的能力。 在不平衡控制中,正负序分量的分解实施控制的前提,可以使用低通滤波器或者陷波器完成,但滤波器分离的速度慢,有较大的延时,从而会影响系统的稳定性;再者要求以高的阶数来保证分离的精度,但是阶数越高,对系统的稳定性能影响越大,因此滤波器的使用增加了确定PI参数的难度。为了克服滤波器法存在的问题,本文采用了一种快速的正负序分量分解的方法,基于该方法提出了改进的机侧和网侧变换器的不平衡控制策略,仿真验证了该快速分解方法和不平衡控制策略的有效性,研究表明基于该算法的改进的机侧和网侧的不平衡控制策略能够有效实现设定的不平衡条件下各种控制目标,从而提高了机组抵御电网电压不平衡的能力。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM315

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