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直驱型风力发电机组网侧变流器低电压穿越及电压不平衡运行仿真研究

作　者: 陆振纲
导　师: 于坤山；邓占锋
学　校: 中国电力科学研究院
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 直驱型风力发电机组网侧变流器低电压穿越电压不平衡正负序双电流环控制仿真研究
分类号: TM712
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着风力发电产业的飞速发展,风电机组大规模并网运行,其稳定性对电网安全极为重要。直驱型永磁同步风力发电机组因其具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点成为当前的主流机型之一。本文以直驱型风力发电机组网侧变流器为研究对象,分别针对系统发生电压跌落故障和电压不平衡时的运行控制技术进行了研究,并通过仿真验证了控制策略的正确性。首先对风电产业和风力发电技术的发展现状进行了调查研究,分析研究了目前风力发电机组技术中的低电压穿越问题和不平衡运行问题及其研究现状,确定了本文的研究对象和主要内容。其次研究了机侧、网侧变流器的数学模型和稳态控制策略。分析了直驱型永磁同步风力发电机组的结构和原理,建立了永磁同步发电机和网侧变流器的稳态数学模型,对机侧变流器基于转子磁链定向的定子零d轴电流转速控制,网侧变流器基于电网电压定向的直流电压及有功无功解耦控制策略进行了研究；根据数学模型和控制策略,在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立了机组仿真模型,并对机侧变流器的最大功率跟踪、网侧变流器的直流侧电压控制和有功、无功解耦控制进行了仿真研究。仿真结果验证了上述控制策略的有效性。然后研究了电网发生电压跌落时网侧变流器的低电压穿越问题。简要分析了国内外典型的风电并网低电压穿越标准；研究了电压跌落的原因、分类和检测方法；分析研究了直驱风电机组的低电压运行特性。为实现直驱风力发电机组系统的低电压穿越,分别研究了直流侧Crowbar保护电路控制策略和网侧变流器运行在无功补偿模式两种控制策略,并进行了仿真研究。最后研究了网侧电压不平衡时网侧变流器的运行控制技术。基于向量对称分解法分析了网侧电压不平衡情况下网侧变流器的瞬时功率传输特性,对负序电压引起直流电压脉动的原因进行了分析；在此基础上,提出了抑制直流侧电压二倍频波动的网侧参考电流算法,采用正负序电流分别控制的策略,对采用上述电流算法和控制策略实现网侧变流器电压不平衡运行的控制效果进行了仿真分析。仿真结果表明了所提算法和控制策略的有效性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-18
  1.1 风力发电研究的背景与意义  9-13
    1.1.1 国内外风电产业发展现状  9-10
    1.1.2 风力发电技术发展概述  10-12
    1.1.3 论文研究的目的与意义  12-13
  1.2 风电机组低电压穿越和不平衡运行研究现状  13-17
    1.2.1 低电压穿越的概念和必要性  13-14
    1.2.2 国内部分风电场电压跌落故障实例  14
    1.2.3 国内外研究现状  14-17
  1.3 论文的主要研究内容  17-18
第二章直驱型风电系统数学模型及控制策略研究  18-41
  2.1 直驱型风力发电机组结构和基本原理  18-21
    2.1.1 直驱型永磁同步风力发电机组基本结构  18
    2.1.2 直驱型永磁风力发电机组的运行原理  18-20
    2.1.3 最大风能跟踪原理  20-21
  2.2 永磁同步发电机数学模型及控制策略  21-27
    2.2.1 永磁同步电机数学模型  21-25
    2.2.2 定子零d轴电流矢量控制方法  25-27
    2.2.3 机侧变流器控制框图  27
  2.3 网侧变流器数学模型及控制策略  27-33
    2.3.1 网侧变流器数学模型  28-29
    2.3.2 网侧电压定向控制策略  29-32
    2.3.3 网侧变流器整体控制框图  32-33
  2.4 直驱风力发电机组整体矢量控制框图  33-34
  2.5 直驱型永磁同步风力发电机组仿真研究  34-39
    2.5.1 电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC简介  34-35
    2.5.2 直驱型永磁同步风力发电机组仿真模型  35-36
    2.5.3 仿真结果  36-39
  2.6 本章小结  39-41
第三章网侧变流器低电压穿越研究  41-59
  3.1 电网电压跌落概念及检测  41-44
    3.1.1 电网电压跌落简介和分类  41-43
    3.1.2 常用的电压跌落检测方法  43-44
  3.2 风电机组低电压穿越标准简介  44-46
    3.2.1 德国E.on公司风电并网低电压穿越要求  44-45
    3.2.2 国家电网公司风电并网低电压穿越要求  45-46
  3.3 直驱型风电机组的低电压运行特性  46-49
    3.3.1 电压跌落对网侧变流器的影响理论分析  46-47
    3.3.2 电压跌落时网侧变流器的运行仿真  47-49
  3.4 直驱风电机组的低电压穿越  49-51
    3.4.1 改变变流器设计  49
    3.4.2 减小发电功率  49-50
    3.4.3 外接电路单元  50-51
  3.5 网侧变流器低电压穿越研究  51-53
    3.5.1 直流侧Crowbar卸能电路控制  51-52
    3.5.2 网侧变流器无功电压支持控制  52-53
  3.6 低电压穿越仿真研究  53-58
    3.6.1 直流侧Crowbar控制仿真  53-55
    3.6.2 网侧变流器无功电压支持仿真  55-58
  3.7 本章小结  58-59
第四章网侧电压不平衡下网侧变流器运行研究  59-83
  4.1 三相电压不平衡国家标准  59-60
  4.2 网侧电压不平衡下网侧变流器运行分析  60-67
    4.2.1 向量对称分解法  60-61
    4.2.2 网侧变流器不平衡运行分析  61-63
    4.2.3 传统控制方法下的电网电压不平衡运行仿真  63-65
    4.2.4 网侧电压不平衡对变流器的影响  65-67
  4.3 网侧变流器不平衡运行控制策略  67-72
    4.3.1 抑制直流侧电压二次脉动的参考电流算法  67-69
    4.3.2 正序、负序双电流分别控制策略  69-70
    4.3.3 网侧电压、电流的序分离方法  70-72
  4.4 网侧变流器不平衡运行控制仿真  72-82
    4.4.1 网侧电压正常时的网侧变流器运行控制仿真  72-74
    4.4.2 网侧不平衡运行控制仿真  74-82
  4.5 本章小结  82-83
第五章结论与展望  83-85
  5.1 全文研究结论  83-84
  5.2 后续研究工作展望  84-85
参考文献  85-89
攻读硕士学位期间发表论文  89-90
致谢  90

直驱型风力发电机组网侧变流器低电压穿越及电压不平衡运行仿真研究

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