直驱型永磁同步风电系统低电压穿越技术研究

【摘要】：环境保护和能源危机已成为世界各国需要面对的问题，而风力发电作为最具规模化商业开发的新能源，近些年来得到了迅猛的发展。然而，风电的迅猛发展使得风电在电网总传输能量中所占比重不断提高，稳定安全运行问题日益凸显，若电网发生短路故障后，大面积风电场的离网会造成电网电压和频率的崩溃。在此背景下研究风电低电压穿越技术对风电并网运行安全及其可持续发展具有重要的意义。 本课题针对直驱型永磁同步风力发电系统的低电压穿越问题进行了较为详细的研究。对直流侧加装耗能电阻与网侧无功控制策略等传统保护方案进行了分析探讨，并提出了一种改进的控制策略来提高发电系统的低电压穿越能力，通过仿真验证了该措施的可行性与正确性。 首先，研究了风力机的基本特性，阐述了风能到机械能的转化原理及风力机的功率特性，建立了PWM变流器的数学模型；分析了双PWM变流器机侧和网侧的传统稳态控制策略，通过建模仿真，验证了数学模型的正确性和控制策略的有效性。 其次，分析了直驱型永磁同步风机在电网电压跌落故障下的动态特性，通过增加硬件保护电路和改变控制策略两个方面对低电压穿越问题的解决方案进行了论述，并对每一种方案的工作原理和实现方法进行了说明，并指出了各自的优缺点。 然后，对基于耗能Crowbar的保护电路进行了设计，在三种不同的电网电压跌落深度下进行了仿真研究。引入网侧无功控制策略，提出组合保护方案，通过仿真表明此组合保护方案解决了单独使用卸荷电阻所存在的电阻过热和系统震荡问题，有效的提高了所研究的风力发电系统的低电压穿越能力。 最后，提出了一种改进的控制策略来实现机组的低电压穿越能力。在电网电压发生三相对称跌落时，通过减小电机侧输出的功率来维持直流侧电压的稳定，同时网侧逆变器向电网注入无功功率。所提控制策略省去了存在过热问题的Crowbar硬件保护电路，并通过仿真分析验证了其可行性。 【关键词】：风力发电 直驱型 永磁同步发电机 低电压穿越 改进控制
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 风力发电研究的背景和意义10-15
• 1.1.1 国内外风电产业发展现状10-12
• 1.1.2 风力发电相关技术的发展概况12-14
• 1.1.3 本课题研究的目的及意义14-15
• 1.2 并网风电中的低电压穿越问题15-18
• 1.2.1 低电压穿越的概念和必要性15
• 1.2.2 低电压穿越的技术的相关标准15-17
• 1.2.3 低电压穿越技术的研究现状17-18
• 1.3 本论文的主要研究内容18-20
• 第2章 直驱风电机组的数学建模及控制策略的研究20-35
• 2.1 直驱风电机组的拓扑结构和运行原理20-21
• 2.2 风力机模型21-25
• 2.2.1 风能向机械能的转换21-23
• 2.2.2 风力机的功率特性23-25
• 2.3 三相电压型 PWM 变流器的数学模型25-27
• 2.4 网侧变流器的控制策略27-29
• 2.5 机侧变流器的控制策略29-31
• 2.6 双 PWM 型永磁直驱风电模型的仿真分析31-33
• 2.7 小结33-35
• 第3章 PMSG 低电压运行特性分析及保护方案的综述35-43
• 3.1 电网电压跌落描述35
• 3.2 风电系统的电压跌落响应特性分析35-38
• 3.3 PMSG 的低电压保护方案综述38-42
• 3.3.1 通过增加硬件来提高低电压穿越能力的方案38-41
• 3.3.2 通过改进控制策略来提高机组的低电压穿越能力41-42
• 3.4 小结42-43
• 第4章 耗能 CROWBAR 及网侧提供无功保护方案的研究43-56
• 4.1 基于耗能 Crowbar 保护的风电低电压穿越技术的仿真43-50
• 4.1.1 耗能 Crowbar 保护电路控制实现方法43-44
• 4.1.2 卸荷电阻阻值大小的计算44-45
• 4.1.3 电网三种不同跌落深度下的仿真分析45-50
• 4.2 卸荷电阻和网侧提供无功组合保护方案的仿真研究50-55
• 4.2.1 网侧变流器提供无功支持策略50-52
• 4.2.2 组合保护方案的设计52-53
• 4.2.3 仿真分析53-55
• 4.3 小结55-56
• 第5章 改进控制策略下风电机组低电压穿越的研究56-63
• 5.1 风轮特性的分析56-57
• 5.2 保护方案的设计57-59
• 5.2.1 改进的叶尖速比的控制57-58
• 5.2.2 桨距角的控制58
• 5.2.3 改进的电网侧无功控制58-59
• 5.3 仿真分析59-62
• 5.4 小结62-63
• 第6章 结论与展望63-65
• 6.1 结论63
• 6.2 展望63-65
• 参考文献65-68
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果68-69
• 致谢69

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