大型雙饋風電機組故障穿越關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大規(guī)模風電接入電網(wǎng)給電網(wǎng)安全運行和管理帶來了較大的挑戰(zhàn)。為此，新的電網(wǎng)規(guī)范要求風電機組應(yīng)保證具備故障穿越(Fault ride through，F(xiàn)RT)能力。因此，研究風力發(fā)電故障穿越的問題具有重要的理論和實際意義，關(guān)系著風力發(fā)電進一步發(fā)展，是風力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。在眾多的風力發(fā)電拓撲結(jié)構(gòu)中，由于雙饋風電機組具有的諸多優(yōu)點和良好的運行性能，其一直占據(jù)著世界風電市場的主要份額，是國際風力發(fā)電機組研制的主流技術(shù)之一。然而，和

2、其他結(jié)構(gòu)的機組相比，雙饋感應(yīng)電機(Doubly fed induction generator, DFIG)風電系統(tǒng)的故障穿越能力最具挑戰(zhàn)性。主要是雙饋感應(yīng)電機定子繞組直接接入電網(wǎng)而導致的對電網(wǎng)故障尤其是電壓故障特別敏感和有限的變換器容量造成的。因此，改善雙饋風電機組故障期間的瞬態(tài)行為以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)所提的故障穿越要求正在成為廣泛關(guān)注的焦點，具有重要的理論和實際意義。
　　當雙饋風電機組遭受對稱電壓跌落時，為滿足雙饋機組故障穿越要求

3、需要解決的兩個主要問題是雙饋電機轉(zhuǎn)子過電流和變換器直流母線過電壓。而這直接威脅著變換器的安全和雙饋機組的不間斷并網(wǎng)運行。而當電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱跌落故障時，除了故障嚴重時出現(xiàn)過電流外，更多關(guān)注的是雙饋電機輸出有功無功以及電磁轉(zhuǎn)矩中的二倍頻振動問題和直流側(cè)紋波問題。因此，本文針對上述熱點問題進行了全面、深入、系統(tǒng)地研究，主要完成的工作和取得的成果為:
　　1)基于空間矢量的表征，完成了雙饋感應(yīng)電機在兩相αβ自然坐標系和dq同步旋轉(zhuǎn)坐標

4、系下的數(shù)學建模，及其轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器及其控制策略在同步坐標系下的建模。在電力系統(tǒng)專用仿真軟件PSCAD/EMTDC的環(huán)境中，搭建了完整的更精確的雙饋風力發(fā)電機組仿真平臺，用于仿真驗證所提故障穿越方案的有效性和可行性。
　　2)利用定子（靜止）坐標系下雙饋異步電機的空間矢量數(shù)學模型，在不同程度和不同類型的電壓跌落故障（不對稱故障主要包括單相對地和兩相短路故障）情況下，對雙饋感應(yīng)電機的瞬態(tài)行為（定子磁鏈瞬態(tài)、轉(zhuǎn)子開路電壓瞬態(tài)和轉(zhuǎn)子電

5、流瞬態(tài)）進行了具有一般意義的理論分析。尤其是對轉(zhuǎn)子故障電流進行了更為詳細的研究，考慮了不同頻率電壓分量在轉(zhuǎn)子回路中造成的阻抗的差別以及轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出電壓對轉(zhuǎn)子故障電流的影響，推導出了轉(zhuǎn)子故障電流在對稱、不對稱電壓故障條件下的精確表達式，并通過仿真驗證了該表達式的正確性，并討論了影響轉(zhuǎn)子故障電流表達式準確性的因素。通過這些簡單明了地分析，揭示了制約雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機故障穿越運行的機理，為雙饋機組尋求合適的故障穿越方案奠定了理論基礎(chǔ)。

6、r>　　3)從控制策略的角度出發(fā)，基于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器傳統(tǒng)矢量控制技術(shù)，研究了不同電壓前饋補償項對雙饋風電機組故障穿越能力的影響，并簡化了前饋補償項中瞬態(tài)磁鏈的評估方法，解決了考慮定子瞬態(tài)特性后需評估定子電阻的問題，而定子電阻的評估通常是很困難的?？紤]到雙饋異步電機具有的非線性特性，線性的控制策略在電壓跌落時系統(tǒng)性能惡化的問題，研究了典型非線性控制策略——滯環(huán)控制器在改善雙饋機組故障穿越性能方面的效果。事實上，從能量平衡的角度出發(fā)，故障期間

7、雙饋電機定轉(zhuǎn)子過電流產(chǎn)生的原因是故障期間出現(xiàn)的能量不平衡造成的。因此，為了緩減故障期間能量的不平衡，從而提高雙饋機組的故障穿越能力，研究了減載增速的雙饋機組故障穿越方案。仿真驗證了上述策略在改善雙饋機組故障穿越能力方面具有的各自的特點和優(yōu)勢，這些策略均能夠不同程度的提高雙饋機組的穿越能力。最后，分析了變換器對雙饋機組穿越能力的影響。
　　4)研究了crowbar電路保護技術(shù)、主要包括不同旁路電阻對系統(tǒng)的影響評估以及阻值的優(yōu)化，比較

8、了crowbar電路不同控制策略對雙饋機組故障穿越的影響以及crowbar電路保護技術(shù)存在的問題。針對雙饋機組故障期間在crowbar電路保護下存在的過速問題，研究了基于緊急變槳和crowbar保護協(xié)調(diào)的故障穿越方案。為了徹底解決crowbar電路存在的電機失控問題，研究了包括轉(zhuǎn)子串電阻保護和定子串電阻保護的保護技術(shù)。其中，評估了兩種串聯(lián)保護不同限流電阻對系統(tǒng)的影響，并比較了二者的優(yōu)缺點。最后，提出了基于轉(zhuǎn)子串電阻保護的聯(lián)合雙饋機組故障

9、穿越解決方案，并通過仿真驗證了該方案的有效性和可行性。
　　5)研究了雙饋風電機組基于動態(tài)電壓恢復器的故障穿越方案。首先分析了動態(tài)電壓恢復器應(yīng)用中涉及的一般問題，其中包括拓撲結(jié)構(gòu)、基本原理、補償策略等。并針對動態(tài)電壓恢復器在雙饋機組中應(yīng)用的特殊性，選擇了合適的拓撲結(jié)構(gòu)和補償策略、分析了主回路的主要參數(shù)的確定方法，最后，通過仿真驗證了在動態(tài)電壓恢復器的保護下雙饋機組成功穿越全電壓故障（包括低壓、零壓、高壓、單相對地以及兩相對地故障）