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直驱式风力发电系统的低压穿越技术研究

张智越  
【摘要】:直驱式风力发电系统以其结构简单、能量转换利用率高、支持并网等优点在风力发电行业中得到广泛应用。然而,当电网因为故障而发生电压跌落时,风电机组需要继续并网不脱网运行,因此,在电网故障期间,研究如何实现将直流母线侧积攒的多余能量泄放出去对风力发电系统的安全运行具有重要意义。本文以直驱式风力发电机为研究对象,基于永磁同步风力发电系统的架构和数学模型,分别提出了电网对称故障跌落和不对称故障跌落下直驱式风力发电系统的低电压穿越技术,并通过仿真和实验对提出的低电压穿越技术进行了验证。首先针对风力发电机的基本特性和最大功率跟踪进行详细讨论,然后搭建直驱式永磁同步发电机的数学模型以及分析其空间矢量调制技术,得到机侧与网侧变流器的矢量控制策略,搭建双PWM变流器数学模型并分析其稳态控制策略。针对电网发生对称跌落故障时,为消除电网对称跌落故障所产生的影响,结合传统基于耗能Crowbar控制保护电路,提出改进型基于储能型Crowbar的低电压穿越技术。仿真结果表明,此方法能够安全稳定运行,可以有效降低系统网侧有功功率的输出,以防止过电压对直流母线侧的冲击。与传统的低压穿越控制策略相比,基于储能的Crowbar方法可以有效地补偿直流母线电压的欠压状态,从而显著提高系统的低电压穿越能力。针对电网发生不对称跌落故障时,采用传统策略则会导致直流母线侧电压以2倍工频振荡,分析了有功功率波动对发电机电磁转矩和直流母线电压的影响,提出了基于电网正负序电压分别定向矢量控制策略,仿真结果表明能够有效抑制直流侧的电压振荡,并结合卸荷Crowbar电路有效抑制直流侧的过电压,验证控制策略的有效性。最后,搭建了小型恒频变速风力发电实验平台并进行了实验验证,实验结果表明接入卸荷保护电路可以使直流母线侧电压具有更好的稳定性,证明了矢量控制策略以及低电压穿越控制策略的有效性。


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