前端调速式风电机组低电压穿越控制研究

【摘要】：国内外目前对双馈和直驱式风电系统低电压穿越的研究较多，但是对前端调速式风电系统低电压穿越特性的研究还不是很多。前端调速式风电机组因其具有一系列的优点，具有极大的发展潜力，是未来风电机组技术发展的新方向。因此，分析和研究前端调速式风电机组的低电压穿越特性和动态无功支持能力是亟须解决的热点问题。 本文以前端调速式风电机组为研究对象，对前端调速式风电机组的低电压穿越控制策略以及不同故障不同电压跌落情况下机组的LVRT(Low Voltage Ride Through,低电压穿越)特性进行了研究，并通过仿真验证了控制策略的有效性。 首先分析了前端调速式风电机组的运行理论，主要从四个方面来阐述，前端调速式风电机组基本原理、前端调速式风电机组数学模型、前端调速式风电机组效率及系统级建模方法。阐述了机组结构，分析了导叶调节机构调节原理，重点研究了前端调速式风电机组运行原理；在此基础上，针对研究问题建立了前端调速式风电机组主要组成部件的数学模型，推导了机组效率，讨论了系统级建模的方法。 其次针对不同类型的电压跌落故障，采用了快速准确的低电压检测方法。对低电压持续时间的检测采用了基于自适应阈值信息熵的低电压持续时间检测和基于自适应阈值分形测度的低电压持续时间检测，并分别对这几种检测方法进行了仿真。 然后针对前端调速式风电机组的特点，确定了机组的控制结构，在此基础上重点研究了前端调速式风电机组的低电压穿越控制，对故障期间如何发挥前端调速式风电机组的动态无功支持能力进行了探讨。前端调速式风电机组实现低电压穿越要从三个子系统出发，即针对变桨系统的变桨控制、液力变矩器的导叶控制及无刷电励磁同步发电机的励磁控制，这是解决前端调速式风电机组LVRT的三个方面。以上三方面都可以减小功率的不平度，变桨控制和导叶控制是减小原动机的输入机械功率，而无刷励磁控制则是增加发电机的电磁功率。针对不同的方面分别提出了基于灰色预测模型的具有LVRT功能的变桨控制、基于多种群遗传算法的液力速度控制系统的变论域模糊控制和基于灰色模型的无刷励磁系统的预测模糊PID控制。针对变桨和液力变矩都采用变论域模糊控制，利用多种群遗传算法优化伸缩因子的参数；对无刷励磁控制采用预测模糊PID控制，利用ICA(Imperialist Competitive Algorithm,帝国竞争算法)优化量化比例因子。对三个不同方面的具体控制策略和控制器的设计进行了详尽的阐述。电网故障下，前端调速式风电控制系统由正常运行状态控制模式切换为故障状态控制模式，风电系统主控以电压作为触发条件进行相应的操作。在此基础上提出了电网故障下前端调速式风电机组LVRT的协同控制策略，搭建了系统级仿真模型并对不同故障不同电压跌落情况下LVRT运行特性进行了仿真分析。仿真结果表明，所采用的控制策略可以较好地完成各个系统的控制目标，前端调速式风电机组可以适应不同故障不同电压跌落情况，具有良好的低电压穿越特性，满足风电场接入电力系统技术规定。仿真结果验证了上述控制策略的有效性。 最后讨论了前端调速式风电机组风电场对电网的支持能力，从风电场并网等值模型详细推导了风电场的LVRT能力，即电网故障情况下风电场所能提供的无功。首先详细回顾了我国最新的风电场接入电力系统技术规定；其次，从风电场并网等值模型出发，采用机理分析，详细推导并量化了风电场并网点电压支持能力以及定性的分析了风电场对PCC(Point of Coupling Common,并网点)电压支持能力的约束条件；再次，在此基础上提出了前端调速式风电机组风电场的LVRT控制策略，即基于输出反馈的非线性励磁控制器和基于电压跌落幅值的减小有功功率的控制方法。基于前端调速式风电机组CA-2.0MW-WD的动态仿真模型对前端调速式风电机组风电场的暂态稳定性进行了仿真。仿真结果表明，前端调速式风电机组可以适应不同故障不同电压跌落情况，具有良好的低电压穿越特性，满足风电场接入电力系统技术规定。仿真结果表明了所提算法和控制策略的有效性。 【关键词】：前端调速式风电机组 导叶可调式液力变矩器 低电压穿越控制 动态无功支持 仿真研究
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 论文选题背景和研究意义12-14
• 1.1.1 论文研究背景12-14
• 1.1.2 论文研究意义14
• 1.2 论文国内外研究现状14-18
• 1.2.1 国外研究现状15-16
• 1.2.2 国内研究现状16-18
• 1.3 论文主要研究内容18-20
• 2 前端调速式风电机组运行理论20-40
• 2.1 前端调速式风电机组基本原理20-26
• 2.1.1 前端调速式风电机组结构20-21
• 2.1.2 导叶调节机构分析21-23
• 2.1.3 前端调速式风电机组运行原理23-26
• 2.2 前端调速式风电机组数学模型26-37
• 2.2.1 风力机模型27-28
• 2.2.2 传动链模型28-33
• 2.2.3 无刷励磁系统模型33-35
• 2.2.4 电励磁同步发电机模型35-37
• 2.3 前端调速式风电机组效率37-39
• 2.4 系统级建模39
• 2.5 小结39-40
• 3 风电系统实现低电压穿越的电压跌落检测40-48
• 3.1 对称故障下电压跌落检测40-42
• 3.1.1 dq 变换法40-41
• 3.1.2 仿真结果及分析41-42
• 3.2 不对称故障下电压跌落检测42-43
• 3.2.1 无延时的改进 dq 变换法42-43
• 3.2.2 仿真结果及分析43
• 3.3 复杂电网故障下电压跌落检测43-45
• 3.3.1 双 dq 变换结合无延时的改进 dq 变换43-44
• 3.3.2 仿真结果及分析44-45
• 3.4 低电压持续时间检测45-47
• 3.4.1 基于自适应阈值信息熵的电压跌落时间检测45-46
• 3.4.2 基于自适应阈值分形测度的电压跌落持续时间检测46-47
• 3.5 小结47-48
• 4 前端调速式风电机组 LVRT 控制策略48-82
• 4.1 前端调速式风电机组控制结构和目标48-49
• 4.2 电网故障下前端调速式风电机组的响应49-50
• 4.2.1 电网故障对前端调速式风电机组的影响49
• 4.2.2 电网故障下同步发电机的动态过程49-50
• 4.3 前端调速式风电机组低电压穿越相关问题50-52
• 4.4 具有 LVRT 功能的变桨控制52-61
• 4.4.1 桨距角计算模型52-53
• 4.4.2 变桨控制系统模式选择53-54
• 4.4.3 风电机组电动变桨系统建模及运行特性评估与测试54
• 4.4.4 基于灰色预测模型的具有 LVRT 功能的变桨控制54-57
• 4.4.5 仿真结果及分析57-61
• 4.5 导叶可调式液力变矩器速度控制61-68
• 4.5.1 可调式液力变矩器调节原理61-62
• 4.5.2 优化算法选择62
• 4.5.3 基于多种群遗传算法的液力速度控制系统的变论域模糊控制62-66
• 4.5.4 仿真结果及分析66-68
• 4.6 三级无刷同步发电机励磁控制68-77
• 4.6.1 三级无刷电励磁同步发电机励磁系统68-69
• 4.6.2 无刷电励磁同步发电机励磁控制模式69-70
• 4.6.3 基于灰色模型的无刷励磁系统的预测模糊 PID 控制70-74
• 4.6.4 仿真结果及分析74-77
• 4.7 电网故障下前端调速式风电机组 LVRT 协同控制77-78
• 4.8 不同故障不同电压跌落情况下机组的 LVRT 特性78-80
• 4.8.1 对称故障下电压跌落 20%时机组的 LVRT 特性78-79
• 4.8.2 对称故障下电压跌落 80%时机组的 LVRT 特性79
• 4.8.3 不对称故障下电压跌落 50%时机组的 LVRT 特性79-80
• 4.9 小结80-82
• 5 前端调速式风电机组风电场 LVRT 控制策略82-102
• 5.1 风电并网低电压穿越标准82-84
• 5.1.1 各国风电并网低电压穿越要求82-83
• 5.1.2 国家电网公司风电并网低电压穿越要求83-84
• 5.2 前端调速式风电机组风电场接入电力系统的 LVRT 能力分析84-92
• 5.3 采用输出反馈方式的前端调速式风电系统非线性励磁控制92-98
• 5.3.1 单机系统的非线性输出反馈控制92-95
• 5.3.2 多机系统的非线性输出反馈控制95-98
• 5.4 不同故障不同电压跌落情况下风电场的 LVRT 特性98-100
• 5.4.1 对称故障下电压跌落 20%时风电场的 LVRT 特性98-99
• 5.4.2 对称故障下电压跌落 80%时风电场的 LVRT 特性99-100
• 5.4.3 不对称故障下电压跌落 50%时风电场的 LVRT 特性100
• 5.5 小结100-102
• 结论102-104
• 致谢104-105
• 参考文献105-110
• 附录 A 仿真模型110-111
• 附录 B 机组参数111-113
• 攻读学位期间的研究成果113

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