基于转子侧端口阻抗特性的双馈风电机组低电压穿越技术研究

发布时间：2020-11-12 07:08

　　随着风电在电网中渗透率的不断提高,为了保证电力系统的稳定运行,电网运营商对风电机组提出了低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)技术要求。作为当前全球装机容量最高的风电机型,双馈风电机组由于自身结构特点,其低电压穿越问题较为严重。目前常用的解决方案是采用撬棒(Crowbar)电路,该方案虽然控制简单且成本较低,但是存在着机组失去可控性和吸收无功电流等缺陷。为此,一些学者提出了基于改进控制算法的解决方案,这类方案具有无需硬件装置和控制灵活等优点,但是由于变流器容量约束,仍存在着诸多挑战性难题。鉴于此背景,本文针对基于改进控制算法的低电压穿越技术展开相关研究,主要的研究内容如下:1.为了揭示现有典型改进LVRT控制策略的本质异同和性能差异,提出了一种基于转子侧端口阻抗特性的分析方法。首先,建立了双馈电机的动态模型并简要分析了暂态行为,为后文分析奠定基础。然后,从转子侧端口阻抗特性的角度出发,分析揭示了九种典型改进LVRT控制策略的本质联系与差异。进一步地,从转子暂态电压特性、转子暂态电流特性、定子磁链衰减速率、电磁转矩特性、输出功率特性和实施复杂度等六个关键维度上,分析确定了这些控制策略的性能差异。最后,通过仿真验证了分析结果的正确性。2.为了提高双馈风电机组的可控低电压穿越能力,提出了一种恒定电感模拟控制方法。首先,借鉴前文研究思路,分析揭示了满足转子电压和电流约束的最佳端口阻抗特征;然后,提出了一种恒定电感模拟控制方法,通过将转子侧端口阻抗控制为大小合适的电感,可以同时满足转子电压和电流约束,进而提高了系统的可控低电压穿越能力;此外,该方法还可以消除暂态过程中的电磁转矩脉动。进一步地,分析确定了所提控制方法的可控运行区间及其关键影响因素。最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。3.为了加速定子磁链的衰减以尽快结束暂态过程,提出了一种动态电感模拟控制方法。首先,分析探讨了低电压穿越期间不同阶段应考虑的关键优化控制目标。然后,分析评估了五种控制模式下定子磁链的衰减时间尺度。进一步地,在前述恒定电感模拟控制方法的基础上,充分考虑定子磁链的动态变化过程,提出了一种动态电感模拟控制方法;该方法通过将转子侧端口阻抗控制为逐渐变小的动态电感,可在满足电压电流约束的前提下,最大程度地加快定子磁链的衰减速率。最后,通过仿真验证了所提控制方法的有效性。4.为了提高电感模拟控制精度,提出了一种基于指令前馈的电流控制方法。首先,分析揭示了提高可控能力所需的暂态电流指令特征,且电感模拟控制方法符合该特征。然后,基于模型反向前馈控制理论,提出了一种基于指令前馈的电流控制方法,通过在电流环中引入指令前馈项,来实现对暂态指令的精确跟踪;此外,该方法具有设计简单和动态响应快的优点。进一步地,基于所建立的电流环等效电路模型,分析阐释了含所提方法在内的三种电流控制方法的物理本质。最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM614
【部分图文】：

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图 1.2 2017 年度各国风力发电量占全部发电量的比值图（数据来源：REN21）上所述，近十年来，风电在全球范围内的发展态势十分迅猛，并成为了种重要能源供给形式。风力发电的技术现状际上，通常将风力发电机组分为以下四种类型[7, 8]：）Type-I 型：恒速恒频风电机组。该机组通常只能在很小的转差范围内通常为鼠笼式感应电机，其结构图见图 1.3(a)。虽然该机组可靠性高，要从电网中吸收无功功率，且无法最大程度地获取风能。）Type-II 型：最优滑差风电机组。该机组可以实现小范围（~10%）地调节通常为绕线转子感应电机，其结构图见 1.3(b)。但是，转子侧调节电阻功率损耗，并且机组运行时还会从电网中吸收无功功率。）Type-III 型：双馈型风电机组。该机组可以实现变速恒频运行、最大风/无功的解耦控制，发电机为双馈感应电机（Doubly Fed Induction Ge

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华中科技大学博士学位论文4）Type-IV 型：直驱型风电机组。该机组可以实现变速恒频运行、最大风能跟踪和有功/无功的解耦控制，发电机通常为永磁同步电机，其结构图见图 1.3(d)。该机组的定子侧通过背靠背式变流器接入电网，其变流器容量等于机组的额定容量[10]。目前，前两种风电机型由于技术落后已被逐渐淘汰。并且相比于直驱型风电机组，双馈风电机组的变流器容量更小，故变流器成本更低且功率损耗更小。因此，双馈风电机组占据了全球 50%以上的风电市场份额，是当前最主流的风电机型[11, 12]。(a) 恒速恒频风电机组 (b) 最优滑差风电机组

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