双馈风力发电系统低电压穿越技术的研究

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随着风力机组并网发电容量的增大,这种清洁能源所引发的事故也越来越严重。进入2011年,西北电网、华北电网、东北电网都相继爆发了风力机组大规模脱网的事故。事故原因分析结果显示,主要原因是绝大多数风力机组都不具备低电压穿越能力。本文针对目前风力机组主力机型——双馈风力发电机组(DFIG)的低电压穿越技术展开研究。  首先通过研究双馈风力发电机组及其双PWM控制器的数学模型,根据传统的空间矢量控制策略,建立起仿真模型。仿真分析了当电网电压跌落时双馈电机及其控制系统各电气量的暂态电磁反应。通过对仿真结果的分析总结,本文选择当电网电压小幅跌落时采用不添加硬件的改进控制策略的低电压穿越技术,当电网电压深度跌落时采用主动式Crowbar电路以维持双馈机组的持续并网运行。  当电网电压小幅跌落时,本文深入分析传统控制策略缺乏暂态控制能力的原因,然后分别针对网侧变流器和转子侧变流器建立更加精确的数学控制模型,充分考虑到电压跌落时的暂态过程,提出改进型的控制策略。这种控制策略通过控制变流器输出电流对各电气量的故障分量进行高速动态补偿,以达到低电压穿越的目的。  当电网电压深度跌落时,这种改进型的控制策略已经不能保证双馈风电机组的并网运行。本文采用转子侧主动式Crowbar保护电路的方法,即当转子绕组出现过流时,迅速投入Crowbar电路,以快速衰减由电压跌落引发的定子磁链震荡和转子绕组的电流。由于Crowbar电路中电阻值过大会引起直流母线过电压的问题,过小又会延长Crowbar电路投入时间,影响保护效果,本文通过建立Crowbar电路投入后DFIG的等效电路,推导出撬棒电阻取值的合理范围。最后,本文对其他影响Crowbar电路保护效果的因素如风速、无功输出、撬棒电阻的投切时机等也进行深入仿真分析。
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