大型雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

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

2、其他結(jié)構(gòu)的機(jī)組相比，雙饋感應(yīng)電機(jī)(Doubly fed induction generator, DFIG)風(fēng)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(jī)定子繞組直接接入電網(wǎng)而導(dǎo)致的對(duì)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(fēng)電機(jī)組故障期間的瞬態(tài)行為以滿(mǎn)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(diǎn)，具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組遭受對(duì)稱(chēng)電壓跌落時(shí)，為滿(mǎn)足雙饋機(jī)組故障穿越要求

3、需要解決的兩個(gè)主要問(wèn)題是雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電流和變換器直流母線(xiàn)過(guò)電壓。而這直接威脅著變換器的安全和雙饋機(jī)組的不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。而當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱(chēng)跌落故障時(shí)，除了故障嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)過(guò)電流外，更多關(guān)注的是雙饋電機(jī)輸出有功無(wú)功以及電磁轉(zhuǎn)矩中的二倍頻振動(dòng)問(wèn)題和直流側(cè)紋波問(wèn)題。因此，本文針對(duì)上述熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)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(jī)在兩相αβ自然坐標(biāo)系和dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

4、系下的數(shù)學(xué)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(biāo)系下的建模。在電力系統(tǒng)專(zhuān)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真平臺(tái)，用于仿真驗(yàn)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(biāo)系下雙饋異步電機(jī)的空間矢量數(shù)學(xué)模型，在不同程度和不同類(lèi)型的電壓跌落故障（不對(duì)稱(chēng)故障主要包括單相對(duì)地和兩相短路故障）情況下，對(duì)雙饋感應(yīng)電機(jī)的瞬態(tài)行為（定子磁鏈瞬態(tài)、轉(zhuǎn)子開(kāi)路電壓瞬態(tài)和轉(zhuǎn)子電

5、流瞬態(tài)）進(jìn)行了具有一般意義的理論分析。尤其是對(duì)轉(zhuǎn)子故障電流進(jìn)行了更為詳細(xì)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(duì)轉(zhuǎn)子故障電流的影響，推導(dǎo)出了轉(zhuǎn)子故障電流在對(duì)稱(chēng)、不對(duì)稱(chēng)電壓故障條件下的精確表達(dá)式，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該表達(dá)式的正確性，并討論了影響轉(zhuǎn)子故障電流表達(dá)式準(zhǔn)確性的因素。通過(guò)這些簡(jiǎn)單明了地分析，揭示了制約雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障穿越運(yùn)行的機(jī)理，為雙饋機(jī)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(bǔ)償項(xiàng)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力的影響，并簡(jiǎn)化了前饋補(bǔ)償項(xiàng)中瞬態(tài)磁鏈的評(píng)估方法，解決了考慮定子瞬態(tài)特性后需評(píng)估定子電阻的問(wèn)題，而定子電阻的評(píng)估通常是很困難的?？紤]到雙饋異步電機(jī)具有的非線(xiàn)性特性，線(xiàn)性的控制策略在電壓跌落時(shí)系統(tǒng)性能惡化的問(wèn)題，研究了典型非線(xiàn)性控制策略——滯環(huán)控制器在改善雙饋機(jī)組故障穿越性能方面的效果。事實(shí)上，從能量平衡的角度出發(fā)，故障期間

7、雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子過(guò)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(jī)組的故障穿越能力，研究了減載增速的雙饋機(jī)組故障穿越方案。仿真驗(yàn)證了上述策略在改善雙饋機(jī)組故障穿越能力方面具有的各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這些策略均能夠不同程度的提高雙饋機(jī)組的穿越能力。最后，分析了變換器對(duì)雙饋機(jī)組穿越能力的影響。
　　4)研究了crowbar電路保護(hù)技術(shù)、主要包括不同旁路電阻對(duì)系統(tǒng)的影響評(píng)估以及阻值的優(yōu)化，比較

8、了crowbar電路不同控制策略對(duì)雙饋機(jī)組故障穿越的影響以及crowbar電路保護(hù)技術(shù)存在的問(wèn)題。針對(duì)雙饋機(jī)組故障期間在crowbar電路保護(hù)下存在的過(guò)速問(wèn)題，研究了基于緊急變槳和crowbar保護(hù)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(jī)失控問(wèn)題，研究了包括轉(zhuǎn)子串電阻保護(hù)和定子串電阻保護(hù)的保護(hù)技術(shù)。其中，評(píng)估了兩種串聯(lián)保護(hù)不同限流電阻對(duì)系統(tǒng)的影響，并比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，提出了基于轉(zhuǎn)子串電阻保護(hù)的聯(lián)合雙饋機(jī)組故障

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