弱电网下双馈风电机组低电压穿越研究

发布时间：2020-05-17 14:43

【摘要】：随着化石能源的日渐短缺,新能源行业尤其是风能因其优势而愈受关注。近年来我国风力发电事业发展迅速,然而风电机组多安装于偏远地区,处于电网末端,线路阻抗较大而不能忽略;并且随着风电渗透率的增加,电力系统的转动惯量变小,等效惯性不足。这使得电网的电压稳定性和频率稳定性均较差,此时的电网被称为“弱电网”。弱电网对风电机组的支撑能力较弱,并且含有丰富的谐波,容易失稳。电网电压跌落是较为常见的故障,目前各国已经制定了相关导则要求风电机组并网时具备一定的低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力,各国学者也为了提高风电机组的LVRT能力进行了较为全面的研究,但这些大多针对的是传统强电网情况,对于弱电网下风电机组的LVRT研究还较少。双馈感应发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)作为风电产业的主流机型,其定子直接与电网相连,通过锁相环作为中介实现并网运行,在弱电网下进行低电压穿越时,可能会出现新的问题。本文从两个方面来研究并提高弱电网下双馈风电机组的低电压穿越能力:1)故障瞬间的转子过电流研究。在弱电网发生电压跌落故障时,较大的线路阻抗会使得DFIG定子端电压水平更低,并且虚拟惯量控制环节在抑制频率波动的同时会引入较为复杂的转子有功补偿电流可能使得故障瞬间的转子过电流更大。本文在DFIG转子侧引入有源阻尼控制策略来增加系统阻尼,以抑制转子过电流,附加虚拟电感组成有源阻抗控制策略能够在抑制过电流的同时减小振荡的过渡时间。2)故障期间的小信号稳定性研究。由于弱电网的电压稳定性较弱,在低电压故障期间更甚,对风电机组的支撑很小。在弱电网下,锁相环和转子侧控制耦合性较强,如果系统参数诸如锁相环带宽、虚拟惯量系数设置得不合理,系统将在低电压故障期间由于阻尼过小而失稳。比例积分谐振控制器能够减小电网中特定次数的谐波,提高稳定性,适用于较为熟悉固定的风电场。自适应锁相环系数法通过在故障前后设置不同的锁相环带宽使得DFIG顺利进行LVRT。有源阻尼法可以为系统增加一定的阻尼,保证低电压故障期间的小信号稳定性。在MATLAB/SIMULINK平台搭建了2MW双馈电机系统的仿真模型,对以上理论研究和控制策略进行了仿真分析。最后通过搭建的11kW实验平台,进一步验证了研究的有效性。
【图文】：

波形,惯量,电网电压,系统参数

(c) 电磁转矩 (d) 系统频率图 3. 3 电网电压跌落时系统参数波形（不带虚拟惯量控制）Fig 3.3 System parameters during grid voltage dips without virtual inertia control由图 3.3 可知，在不带虚拟惯量控制时，由于低电压故障产生的双馈电机电磁暂态行为，故障瞬间的转子过电流峰值接近额定值的 3 倍，会危害系统的安全运行，同时造成了电磁转矩的大幅度脉动，会对风机的机械装置造成应力损伤。并且由图 3.3(d)可知，电网电压的故障引起了系统频率的波动。为了增强系统的频率稳定性，加入虚拟惯量环节，设定其比例系数 = 10，再通过仿真观察转子电流、电磁转矩和系统频率。

波形,惯量,电网电压,系统参数

(c) 电磁转矩 (d) 系统频率图 3. 4 电网电压跌落时系统参数波形（带虚拟惯量控制）Fig 3.4 System parameters during grid voltage dips using virtual inertia control由图 3.4 可知，，加入虚拟惯量环节后，系统频率波动明显降低，达到的预期效果。然而有功电流和电磁转矩在故障发生后的振荡变得剧烈了一些，在故障恢复时刻的振荡峰值变得更大。这是由于电网电压跌落和恢复时，系统频率发生了较为剧烈的波动，而虚拟惯量控制中含有微分环节，使得信号更加复杂，有功补偿电流附加到转子电流中使得振荡更加剧烈。由上述分析可知，在弱电网的大环境中，双馈风电机组的低电压穿越需要额外考虑线路阻抗和虚拟惯量控制带来的影响。其中线路阻抗的分压作用使得电机端电压更低，更容易面临严重的低电压运行挑战；虚拟惯量控制增强了系统的频率稳定性，同时也使得低电压穿越的瞬间转子过电流成分更加复杂。但是这两个新元素并没有改变双馈电机的电磁暂态行为，传统的分析方法依然有效，可以参考经典的故障穿越控制策略来抑制故障过电流问题，这将在第四章详细论述。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM614

【参考文献】