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双馈异步风力发电系统穿越电网故障运行研究

张禄  
【摘要】:近年来,国内外风力发电产业迅猛发展,大规模风电接入带来了电网稳定性和电力调度困难等问题,因此各国风电接入标准要求风电场及其风电机组具备更强的抵御电网故障的能力。双馈异步发电机(DFIG)的定子在并网运行中与电网直接相连,电网故障容易对DFIG的运行特性产生影响,甚至造成机组故障脱网,因此值得对双馈风电机组“穿越”电网故障的相关技术问题进行深入研究。 本文针对接入到大电网的双馈风力发电系统“穿越”电网故障的相关技术问题开展研究,工作重点在于电网故障下的DFIG特性和双馈变流器控制。通过理论分析、控制方法提出、仿真研究和实验验证,力求全面、准确、深入的完成课题研究工作,取得一些兼具科研学术和工程应用价值的成果。 1.为了满足电网故障下对双馈风力发电系统的研究,建立了在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相同步旋转系下的DFIG暂态数学模型。分别采用ABC划分方案和对称分量法,揭示了实际电力系统中电压跌落故障类型的变化规律和机组并网端电压的跌落特点。综合考虑电网电压跌落和恢复两个过程,对电网不对称跌落下的DFIG电磁响应过渡过程进行了定性描述和定量分析,重点对定子暂态磁链引起的转子电压响应进行了理论计算和仿真研究,提出了根据正序和负序电网电压分别求解定子磁链和转子电压动态响应的方法,采用矢量轨迹图直观地描述了这一动态响应过程。研究发现定子磁链暂态分量和转子过压是影响DFIG系统控制性能的主要因素,这为控制软件改进和硬件保护设计提供了理论依据。 2.基于定子磁链或定子电压定向的矢量控制,通过在转子控制中添加转子反电动势前馈补偿项,能够增强电机侧变流器(RSC)在电网电压小幅跌落下的连续运行能力。针对电网电压对称跌落,提出了一种基于比例积分谐振(PI-R)调节器的磁链有源衰减RSC改进控制算法。通过控制转子电流加快定子暂态磁链衰减并消除磁链振荡,从而降低转子过压和过流,使跌落发生后的DFIG尽快进入稳态控制,获得更加平稳的定子无功补偿电流和电磁转矩。应用PI-R调节器不但提高了RSC对转子暂态过压的抗扰性,而且保证了磁链有源衰减算法中对暂态转子电流的控制精度。基于转子控制系统的频域特性分析,给出了PI-R调节器参数的设计原则。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和改进算法的有效性。此外,对低电压穿越(LVRT)期间RSC的电压和电流输出能力进行分析,揭示了在严重电网故障下依靠变流器控制的局限性、以及双馈系统采用一定的硬件保护措施实现LVRT的必要性。 3.对电网电压不对称跌落故障下的DFIG系统控制进行了深入研究。建立了不平衡电网电压下的DFIG系统数学模型。在不平衡电网电压下,分别采用基于正、负序双同步旋转坐标系(双SRF)下的双PI电流环矢量控制、和基于正序SRF下的PI-R电流矢量控制,实现了RSC与电网侧变流器(GSC)的协同控制目标。针对电网电压不对称跌落故障,提出了基于PI-R调节器的磁链有源衰减RSC改进控制算法,实现了不平衡电网电压下的稳态控制和不对称跌落下的暂态性能改进,有效消除了定子磁链振荡和电磁转矩脉动,减小转子过压和定、转子过流。通过仿真验证了改进控制算法的有效性。此外,对不对称跌落下RSC的电压和电流输出能力进行了分析。 4.针对MW级双馈风力发电系统的LVRT控制技术进行研究。在综合考虑硬件保护措施和RSC改进控制算法及其输出容量限制的基础上,提出了双馈风电系统LVRT控制和实现方案,适用于电网电压不同深度的对称和不对称跌落故障。给出了硬件保护装置转子侧主动式crowbar和dc-chopper电阻值的选取原则。对双馈机组无功补偿控制进行研究和改进,通过GSC的实时无功补偿以及合理设计dc-chopper电阻,改善了DFIG机组的无功控制性能,通过仿真验证了方案的可行性。基于电网电压跌落和恢复下的DFIG电磁暂态响应分析,提出了定子非同步并网模拟电网电压跌落和恢复的测试方案,能够实现对MW级双馈变流器LVRT控制性能的初步测试,通过1.5MW双馈系统仿真和实验验证了测试方案可行性。最后,完成了1.5MW双馈变流器的风电场LVRT测试实验,初步验证了双馈系统软、硬件LVRT控制策略的可行性。


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