基于双馈风电机组的短路电流计算方法

【摘要】：近年来风力发电在全球得到了迅速发展,风力发电在电力能源中所占比列越来越高,无论是并网规模还是单机容量都有很大提高。风电系统对于电网的影响已经不能忽略,风电场并网容量达到一定数值时,需要考虑风电机组对电网提供的短路电流。因此,研究风电场内风电机组的稳态运行特性、故障暂态特性以及短路电流的计算方法很有必要,在进行电网设备的选择、校验和继电保护的整定、配置时都需要考虑并网风电机组提供的短路电流。目前,由双馈感应发电机构成的变速恒频风力发电系统已成为全球风力发电的发展趋势。首先,介绍变速恒频风力发电系统的结构组成和运行原理,建立双馈风电机组不同物理构件的数学模型,推导不同坐标系下双馈发电机的稳态和暂态数学方程,并选取方便分析短路计算的多机等值简化方法。利用所得稳态数学方程,对双馈风电机组稳态运行时的转子侧和网侧控制部分进行研究,得到以双P1]i[M变换器为控制系统的双馈风电机组转子侧和网侧变换器的控制策略。同时,对双馈发电机转子侧、定子侧和直流侧的保护部分的工作原理和实现方法进行详细说明。利用所得暂态数学方程,在分析影响双馈风电机组暂态特性因素的基础上,研究双馈风电机组发生对称短路和不对称短路前后定、转子的磁链、电压和电流的电磁暂态机理,由定、转子磁链推导出双馈风电机组定子暂态短路电流的计算表达式,该表达式由定、转子磁链和其衰减系数共同组成。在分析故障瞬时定子初始磁链时,考虑定子电阻的影响；分析故障瞬时转子初始磁链时,利用推导所得转子磁链方程式求得。通过研究不同类型短路故障情况下定、转子磁链的暂态表达式,并考虑撬棒电路的影响,从而推导出双馈风电机组定子暂态短路电流的详细表达式,为风电系统内双馈风电机组的暂态性能评估提供计算依据。然后,利用国内常用的运算曲线法对本文所推导的双馈风电机组定子短路电流表达式进行化简,得到满足工程计算要求的短路电流计算方法。该方法将含风电机组的电力系统简化等值,使电力系统变换为仅由发电机支路和系统支路组成的二支路网络。分别对系统短路电流不同分量(工频周期分量、转子频率分量和直流分量)的计算进行说明,绘制不同短路故障类型的风电机组短路电流工频周期分量的运算曲线,并通过实际算例检验该运算曲线的有效性。最后,在电力系统仿真软件Dig SILENT/Power Factory中建立算例风电场模型,得到仿真结果的短路电流曲线,并在MATLAB中进行编程计算得到计算结果的短路电流曲线,将仿真结果与计算结果的短路电流最大值、最大值到达时刻进行对比并得到相对误差,验证在不同短路故障类型和故障位置的情况下本文提出的双馈风电机组短路电流计算方法的准确性。通过算例分析和验证,表明本文提出的定子短路电流表达式能够正确计算双馈风电机组提供的短路电流。 【关键词】：双馈感应发电机 风力发电 故障分析 短路计算 工程化计算
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要10-12
• Abstract12-14
• 第一章 绪论14-21
• 1.1 研究背景和意义14-17
• 1.1.1 国外风力发电概况14-15
• 1.1.2 国内风力发电概况15-16
• 1.1.3 课题研究意义16-17
• 1.2 研究现状17-19
• 1.2.1 风电机组建模和控制研究现状17-18
• 1.2.2 风电机组短路特性研究现状18-19
• 1.3 本文主要工作19-21
• 第二章 双馈风电机组数学建模21-45
• 2.1 变速恒频式风电系统21-22
• 2.2 风速数学模型22-24
• 2.3 风力机数学模型24-25
• 2.4 双馈感应发电机数学模型25-33
• 2.4.1 双馈发电机的运行特性25-26
• 2.4.2 三相静止坐标系(abc)下双馈发电机模型26-29
• 2.4.3 常用坐标变换方法29-31
• 2.4.4 两相旋转坐标系(dq)下双馈发电机模型31-32
• 2.4.5 利用空间矢量表示双馈发电机模型32-33
• 2.5 控制部分33-40
• 2.5.1 双馈风电机组运行范围33-35
• 2.5.2 双PWM变换器工作原理35-36
• 2.5.3 转子侧变换器控制策略36-37
• 2.5.4 网侧变换器控制策略37-40
• 2.6 保护部分40-42
• 2.6.1 转子侧撬棒保护电路40-41
• 2.6.2 定子侧保护电路41-42
• 2.6.3 直流侧保护电路42
• 2.7 双馈风电机组多机等值简化42-45
• 第三章 双馈风电机组短路故障分析45-59
• 3.1 考虑风电机组提供短路电流的条件45
• 3.2 影响风电机组故障暂态特性的因素45-49
• 3.3 双馈风电机组定子磁链故障暂态研究49-53
• 3.3.1 故障发生前定子磁链分析49-50
• 3.3.2 发生对称短路时定子磁链分析50
• 3.3.3 发生不对称短路时定子磁链分析50-53
• 3.4 双馈风电机组转子磁链故障暂态研究53-54
• 3.5 双馈风电机组故障暂态短路电流54-55
• 3.5.1 发生对称短路时定子短路电流54-55
• 3.5.2 发生不对称短路时定子短路电流55
• 3.6 双馈风电机组电压跌落的检测55-59
• 3.6.1 电压跌落的常见分类56
• 3.6.2 电压跌落的常规检测方法56-59
• 第四章 风电机组短路电流的工程化计算59-70
• 4.1 常用短路电流计算方法59-60
• 4.1.1 运算曲线法59
• 4.1.2 ANSI标准59-60
• 4.1.3 IEC标准60
• 4.2 含风电机组的电力系统等值简化60-61
• 4.3 短路电流工频周期分量的计算61-65
• 4.4 短路电流其他分量的计算65-66
• 4.4.1 发电机支路转子频率分量65-66
• 4.4.2 发电机支路直流分量66
• 4.4.3 系统支路直流分量66
• 4.5 双馈风电机组短路电流周期分量算例计算66-70
• 4.5.1 风电系统发生对称短路67-68
• 4.5.2 风电系统发生不对称短路68-70
• 第五章 仿真软件与算例分析70-78
• 5.1 仿真软件Dig SILENT70-71
• 5.1.1 仿真软件功能介绍70
• 5.1.2 仿真软件在风电场暂态仿真中的应用70-71
• 5.2 多机等值简化风电场模型71-72
• 5.3 双馈风电机组暂态仿真分析72-78
• 5.3.1 风电系统机端发生对称短路73-74
• 5.3.2 风电系统非机端发生对称短路74-75
• 5.3.3 风电系统机端发生不对称短路75-76
• 5.3.4 风电系统非机端发生不对称短路76-78
• 第六章 总结与展望78-79
• 附录79-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-90
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作90-91
• 附件91

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