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变速恒频双馈风力发电系统故障穿越技术研究

作　者: 邹和平
导　师: 邹积岩; 孙辉
学　校: 大连理工大学
专　业: 电机与电器
关键词: 风力发电双馈感应发电机低电压穿越超级电容器
分类号: TM614
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

双馈风力发电系统具有良好的控制性能和经济性,在风力发电中得到了广泛的应用。同时,由于该系统结构中定子直接连接电网,使得双馈感应发电机(DFIG)易受电网电压跌落影响,在电网故障过程中转子侧产生过电压和过电流,造成双馈风力发电机脱网运行。而随着风力发电容量在电力系统中的比例日益增高,风电场并网规范要求风力发电机能够在电网故障情况下实现低电压穿越,保障电力系统安全稳定运行。因此,研究如何提高DFIG风力发电系统低电压穿越能力是一项紧迫而又有挑战性的课题。本文主要针对这一课题进行相关研究。本文对DFIG的运行与控制进行了研究。建立了DFIG以及背靠背变换器的数学模型；利用该模型,在分析了DFIG有功功率、无功功率解耦控制及转子侧电流控制的基础上建立了定子电压定向坐标系下DFIG矢量控制策略；分析了矢量控制下DFIG的欠阻尼特性,这种欠阻尼特性使得DFIG在电网故障过程中产生欠阻尼震荡,为DFIG的在低电压运行分析提供理论基础。电网故障后DFIG脱网运行的主要原因是转子侧过电流和变换器直流侧过电压。为了深入理解电网故障后DFIG电磁暂态过程,本文详尽地分析了电网故障过程中定子磁链特性。针对不平衡电网故障过程中DFIG定子磁链负序分量对转子侧的冲击,本文提出了一种基于反电动势负序分量抑制的DFIG低电压穿越方案,通过对转子电压控制中反电动势负序分量的抑制,减小故障对转子侧冲击,减小直流侧电压波动。风电场低电压穿越的一个重要要求是动态无功功率支撑。传统无功补偿方案投切能力差,不能提供动态无功功率。本文提出了一种基于超级电容器储能的DFIG低电压穿越方案,该方案在电网故障过程中,网侧变换器向电网提供动态无功支撑,超级电容器稳定直流侧电压。建立了网侧变换器、双向DC-DC变换器的协调控制策略,实现在电网故障过程中直流侧电压的稳定和对电网的动态无功支撑。为了验证本文提出的DFIG低电压穿越控制策略的有效性,在实验室搭建了DFIG系统和超级电容器储能系统的物理实验模型。对DFIG的运行控制进行了实验室模拟,验证了本文建立的DFIG数学模型及其控制系统的正确性。对超级电容器储能系统、直流侧及并网变换器的协调运行进行了实验研究,实验结果表明,该系统能有效的控制直流侧电压,验证了基于超级电容器的DFIG低电压穿越控制策略的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-26
  1.1 课题背景  10-14
    1.1.1 能源与环境危机  10-11
    1.1.2 风能资源  11
    1.1.3 风力发电国内外发展现状  11-14
  1.2 风力发电技术研究现状  14-19
    1.2.1 风力发电技术概述  14-17
    1 2.2 DFIG运行原理  17-18
    1.2.3 DFIG控制技术  18-19
  1.3 双馈风力发电系统低电压穿越研究综述  19-24
    1.3.1 DFIG低电压穿越研究意义  19-20
    1.3.2 风电场低电压穿越技术规范  20-22
    1.3.3 DFIG低电压穿越研究现状  22-24
  1.4 本文主要研究内容  24-26
2 双馈风力发电系统建模与矢量控制研究  26-48
  2.1 引言  26
  2.2. DFIG的数学模型  26-32
    2.2.1 三相静止坐标系下DFIG的数学模型  26-29
    2.2.2 同步旋转坐标系下DFIG的数学模型  29-32
  2.3 PWM变换器的数学模型  32-33
    2.3.1 网侧变换器的数学模型  32-33
    2.3.2 直流侧数学模型  33
  2.4 DFIG的矢量控制策略研究  33-47
    2.4.1 定子磁链定向控制  34-35
    2.4.2 定子电压定向控制  35-37
    2.4.3 DFIG矢量控制的实现  37-39
    2.4.4 DFIG矢量控制系统性能研究  39-41
    2.4.5 阻尼控制系统  41-45
    2.4.6 仿真分析  45-47
  2.5 本章小结  47-48
3 电网故障下双馈风力发电系统电磁暂态分析及低电压穿越研究  48-72
  3.1 引言  48
  3.2 电网故障时DFIG暂态过程分析  48-57
    3.2.1 电网电压跌落类型  48-51
    3.2.2 电网故障时DFIG电磁暂态过程分析  51-57
  3.3 不平衡电网故障下DFIG反电动势负序分量抑制控制  57-62
    3.3.1 不平衡电网故障下DFIG反电动势分析  57-59
    3.3.2 不平衡电网故障下DFIG反电动势负序分量分解与抑制  59-62
  3.4 基于Crowbar保护电路的DFIG低电压穿越控制  62-70
    3.4.1 Crowbar保护电路结构  62-64
    3.4.2 Crowbar保护电路参数选择与投切时间研究  64-70
  3.5 本章小结  70-72
4 超级电容器在双馈风力发电系统低电压穿越中的应用研究  72-89
  4.1 引言  72
  4.2 超级电容器储能系统及其应用研究  72-81
    4.2.1 超级电容器概述  72-74
    4.2.2 超级电容器在可再生能源发电中的应用  74-75
    4.2.3 超级电容器充放电特性  75-76
    4.2.4 双向DC-DC变换器控制  76-81
  4.3 基于超级电容器的双馈风力发电系统低电压穿越控制研究  81-88
    4.3.1 系统结构  81-82
    4.3.2 直流侧电压控制  82-83
    4.3.3 网侧变换器控制  83-84
    4.3.4 超级电容器容量配置  84-85
    4.3.5 仿真比较分析  85-88
  4.4 本章小结  88-89
5 实验研究  89-102
  5.1 引言  89
  5.2 实验系统总体结构  89-92
    5.2.1 双馈风力发电实验系统  89-91
    5.2.2 超级电容器实验系统  91-92
  5.3 实验系统软、硬件设计  92-98
    5.3.1 硬件设计  92-95
    5.3.2 软件设计  95-98
  5.4 实验结果分析  98-101
    5.4.1 双馈风力发电系统实验结果分析  98-100
    5.4.2 超级电容器储能系统实验结果分析  100-101
  5.5 本章小结  101-102
结论  102-104
创新点摘要  104-105
参考文献  105-113
附录仿真参数  113-114
攻读博士学位期间发表学术论文情况  114-115
致谢  115-116
作者简介  116-117

变速恒频双馈风力发电系统故障穿越技术研究

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