变速恒频风电机组并网故障机理与分析模型研究

【摘要】：风力发电是解决全球能源危机和环境问题的战略性选择。随着风电装机容量的快速增长，电力系统的故障运行特性可能发生改变。风电接入形成的新型电力系统暂态特性不明确、故障机理不清晰、故障分析方法不全面等问题，造成继电保护整定计算困难、电气设备安全面临威胁等问题日益突出。本文围绕变速恒频风电机组及其并网电力系统的故障机理与故障电气量计算方法等关键理论问题进行了较为深入、系统的研究，将风电并网电力系统的故障分析从暂态行为特征的仿真研究向故障的机理性分析和计算范畴进行了延伸，从电网对称故障向不对称故障领域进行了扩展，可为新型电力系统规划设计、保护控制的研究和实施提供参考，对于深化风电并网研究、保障电网安全运行具有理论意义和实用价值。 结合我国风力发电的发展历程、所取得的成果及前景，首先概括了风力发电大规模接入对我国电力系统的影响；阐述了电力系统故障分析的内涵，分析了大规模风电接入对传统电力系统故障分析方法的影响；随后，对风电并网电力系统故障分析的研究进展进行了全面综述，分析了现有研究的特点和存在的问题。 基于机组的结构特点和物理过程，通过空间多坐标变换，建立了双馈感应发电机的瞬时值模型和空间矢量模型，阐述了模型的理论基础及变换关系；在此基础上，基于空间矢量物理意义清晰的优点，借助于矢量等效变换，利用数学解析的方法对电网对称和非对称故障下的双馈风电机组暂态过程进行了深入分析，明确了在外部电网故障冲击作用下双馈风电机组定、转子故障参量的特性及其产生机理。 为了解决双馈风电机组转子故障电流的显性表达及计算问题，从计及变流器影响的角度出发，对电网故障下的双馈风电机组转子回路动态耦合特性进行了深入研究。阐述了双馈风电机组变流器控制对转子电流的静态影响机制及动态影响规律；针对双馈风电机组转子电流尚无法直接求解的问题，通过建立包含定子磁链动态过程以及转子侧变流器调控影响的转子回路动态方程，推导了电网对称和不对称故障下双馈风电机组转子电流的时域表达式。 鉴于双馈风电机组的机端暂态电压同时具备同步发电机和感应发电机的特点，对电网故障下双馈风电机组的定子电压特性进行了研究。采用机网一体化的处理方法，利用发电机数学模型与电网电压、电流的约束关系，推导了稳态运行及电网故障时双馈感应发电机的定子电压表达式；在此基础上，分析了电网发生故障时双馈风电机组定子电压的变化特征以及对电网暂态电压的影响规律。 针对双馈风电机组的不同故障运行状态和不同的电网故障类型，利用发电机空间矢量模型，详尽推导了双馈风电机组短路电流的表达式，分析了机组输出短路电流的产生机理、组成成份和变化规律等特征；为了解决风电并网系统的故障计算问题，提出了用于电力系统稳态故障计算的双馈风电机组等值模型；通过建立含双馈风电机组的配电网等效电路，分析了双馈风电机组对配电网短路电流影响的多变性特点，借助时域仿真分析了含双馈风电机组的配电网短路电流特性。 针对电力系统经典模型无法全面反映直驱风电机组运行控制特性的问题，以掌握全功率器件电源与电网在故障过程中的强耦合特性为目标，采用结构保留模型方法，对全功率电源的控制器动态行为进行了详细模拟，通过瞬时功率平衡原理实现子系统模型互联，构建了含全功率器件电源的电力系统动态模型。该模型最大限度地保留了电网结构的完整性，反映了全功率器件电源的动态特性及控制约束关系，可用于建立含全功率器件电源和同步发电机的多机混合电源系统模型，为风电等新能源接入形成的新型电力系统暂态分析提供了模型基础。 【关键词】：电力系统故障分析 风力发电 短路电流 继电保护 等值模型
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-31
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 我国风电发展现状及特点12-19
• 1.2.1 我国风能资源概况12-14
• 1.2.2 我国风力发电的发展历程14-16
• 1.2.3 风电并网对我国电力系统的影响16-19
• 1.3 风电接入对电力系统故障分析的影响19-23
• 1.3.1 电力系统故障分析的内涵及方法19-21
• 1.3.2 电力系统故障分析面临的问题21-22
• 1.3.3 风电低电压穿越与故障分析的关系22-23
• 1.4 风电并网电力系统故障分析研究现状23-27
• 1.4.1 风电机组数学模型23-24
• 1.4.2 风电并网系统故障数值模拟24-25
• 1.4.3 暂态过程分析及故障电气量计算25-27
• 1.4.4 现有研究的特点及面临的问题27
• 1.5 本文的主要研究内容27-31
• 2 双馈风电机组数学模型及故障特性31-55
• 2.1 引言31-32
• 2.2 双馈风电机组建模与分析32-44
• 2.2.1 双馈风电机组的运行原理32-33
• 2.2.2 三相静止坐标系中双馈感应发电机瞬时值模型33-35
• 2.2.3 同步旋转坐标系中双馈感应发电机瞬时值模型35-38
• 2.2.4 双馈感应发电机空间矢量模型38-41
• 2.2.5 双馈感应发电机正负序矢量模型41-44
• 2.3 双馈感应发电机的对称故障特性44-48
• 2.3.1 定子绕组暂态过程的推导与分析44-46
• 2.3.2 转子回路暂态过程及非连续性分析46-48
• 2.4 双馈感应发电机的不对称故障特性48-53
• 2.4.1 定子绕组暂态过程及突变特征分析48-50
• 2.4.2 转子回路暂态过程的推导与分析50-53
• 2.5 本章小结53-55
• 3 电网故障下双馈风电机组转子电流的分析与计算55-75
• 3.1 引言55-56
• 3.2 变流器控制对双馈风电机组转子电流的影响56-63
• 3.2.1 双馈风电机组的控制技术56-59
• 3.2.2 转子侧变流器控制方式的影响59-61
• 3.2.3 电网侧变流器控制方式的影响61-63
• 3.3 双馈风电机组转子故障电流分析63-69
• 3.3.1 转子电流动态方程及特性63-65
• 3.3.2 电网对称短路时的转子电流表达式65-67
• 3.3.3 电网不对称短路时的转子电流表达式67-69
• 3.4 算例仿真69-73
• 3.4.1 电网对称短路时的转子电流70-71
• 3.4.2 电网不对称短路时的转子电流71-73
• 3.5 本章小结73-75
• 4 机网一体化双馈风电机组的暂态电压特性及影响75-87
• 4.1 引言75-76
• 4.2 双馈感应发电机的定子电压特性76-81
• 4.2.1 双馈感应发电机定子稳态电压的推导76-77
• 4.2.2 电网故障下双馈感应发电机定子电压的推导与分析77-79
• 4.2.3 双馈感应发电机对电网暂态电压的影响分析79-81
• 4.3 机网一体化系统暂态电压特性的仿真分析与验证81-85
• 4.3.1 双馈风电机组接入对电网暂态电压的影响81-82
• 4.3.2 双馈风电机组容量对暂态电压的影响82-83
• 4.3.3 电网故障点位置对暂态电压的影响83-84
• 4.3.4 定子电压表达式的验证84-85
• 4.4 本章小结85-87
• 5 双馈风电机组的短路电流特性及等值模型87-111
• 5.1 引言87-88
• 5.2 电网对称故障下双馈风电机组短路电流的推导与分析88-94
• 5.2.1 机端电压深度跌落时的短路电流89-92
• 5.2.2 机端电压非深度跌落时的短路电流92-94
• 5.3 电网不对称故障下双馈风电机组短路电流的推导与分析94-100
• 5.3.1 机端电压深度跌落时的短路电流94-98
• 5.3.2 机端电压非深度跌落时的短路电流98-100
• 5.4 双馈风电机组的故障稳态等值模型100-103
• 5.4.1 风电机组故障等值模型的构建100-102
• 5.4.2 故障稳态等值模型的验证102-103
• 5.5 接入配电网的双馈风电机组短路电流特性及影响103-110
• 5.5.1 双馈风电机组接入对配电网短路电流的影响104-106
• 5.5.2 含双馈风电机组的配电网短路电流特性106-110
• 5.6 本章小结110-111
• 6 含直驱风电机组的电力系统暂态分析模型111-131
• 6.1 引言111-112
• 6.2 直驱风力发电技术112-117
• 6.2.1 直驱型风力发电系统概况112-113
• 6.2.2 直驱型风力发电系统典型结构113-114
• 6.2.3 直驱永磁同步风电机组控制技术114-117
• 6.3 全功率器件电源电力系统的结构保留模型117-128
• 6.3.1 问题的提出117-118
• 6.3.2 单机无穷大系统结构保留模型的构建118-123
• 6.3.3 多机系统结构保留模型的构建123-125
• 6.3.4 算例仿真125-128
• 6.4 本章小结128-131
• 7 总结与展望131-135
• 7.1 主要结论及创新点131-132
• 7.2 后续研究工作展望132-135
• 致谢135-137
• 参考文献137-147
• 附录147-148
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录147-148
• B. 作者在攻读博士学位期间参与的课题研究情况148

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