發(fā)布時(shí)間：2020-05-17 14:43

【摘要】：隨著化石能源的日漸短缺,新能源行業(yè)尤其是風(fēng)能因其優(yōu)勢而愈受關(guān)注。近年來我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展迅速,然而風(fēng)電機(jī)組多安裝于偏遠(yuǎn)地區(qū),處于電網(wǎng)末端,線路阻抗較大而不能忽略;并且隨著風(fēng)電滲透率的增加,電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量變小,等效慣性不足。這使得電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性均較差,此時(shí)的電網(wǎng)被稱為“弱電網(wǎng)”。弱電網(wǎng)對風(fēng)電機(jī)組的支撐能力較弱,并且含有豐富的諧波,容易失穩(wěn)。電網(wǎng)電壓跌落是較為常見的故障,目前各國已經(jīng)制定了相關(guān)導(dǎo)則要求風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)具備一定的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力,各國學(xué)者也為了提高風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力進(jìn)行了較為全面的研究,但這些大多針對的是傳統(tǒng)強(qiáng)電網(wǎng)情況,對于弱電網(wǎng)下風(fēng)電機(jī)組的LVRT研究還較少。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)作為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的主流機(jī)型,其定子直接與電網(wǎng)相連,通過鎖相環(huán)作為中介實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行,在弱電網(wǎng)下進(jìn)行低電壓穿越時(shí),可能會出現(xiàn)新的問題。本文從兩個方面來研究并提高弱電網(wǎng)下雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力:1)故障瞬間的轉(zhuǎn)子過電流研究。在弱電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時(shí),較大的線路阻抗會使得DFIG定子端電壓水平更低,并且虛擬慣量控制環(huán)節(jié)在抑制頻率波動的同時(shí)會引入較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)子有功補(bǔ)償電流可能使得故障瞬間的轉(zhuǎn)子過電流更大。本文在DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)引入有源阻尼控制策略來增加系統(tǒng)阻尼,以抑制轉(zhuǎn)子過電流,附加虛擬電感組成有源阻抗控制策略能夠在抑制過電流的同時(shí)減小振蕩的過渡時(shí)間。2)故障期間的小信號穩(wěn)定性研究。由于弱電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性較弱,在低電壓故障期間更甚,對風(fēng)電機(jī)組的支撐很小。在弱電網(wǎng)下,鎖相環(huán)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制耦合性較強(qiáng),如果系統(tǒng)參數(shù)諸如鎖相環(huán)帶寬、虛擬慣量系數(shù)設(shè)置得不合理,系統(tǒng)將在低電壓故障期間由于阻尼過小而失穩(wěn)。比例積分諧振控制器能夠減小電網(wǎng)中特定次數(shù)的諧波,提高穩(wěn)定性,適用于較為熟悉固定的風(fēng)電場。自適應(yīng)鎖相環(huán)系數(shù)法通過在故障前后設(shè)置不同的鎖相環(huán)帶寬使得DFIG順利進(jìn)行LVRT。有源阻尼法可以為系統(tǒng)增加一定的阻尼,保證低電壓故障期間的小信號穩(wěn)定性。在MATLAB/SIMULINK平臺搭建了2MW雙饋電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型,對以上理論研究和控制策略進(jìn)行了仿真分析。最后通過搭建的11kW實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)一步驗(yàn)證了研究的有效性。
【圖文】：

(c) 電磁轉(zhuǎn)矩 (d) 系統(tǒng)頻率圖 3. 3 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)系統(tǒng)參數(shù)波形（不帶虛擬慣量控制）Fig 3.3 System parameters during grid voltage dips without virtual inertia control由圖 3.3 可知，在不帶虛擬慣量控制時(shí)，由于低電壓故障產(chǎn)生的雙饋電機(jī)電磁暫態(tài)行為，故障瞬間的轉(zhuǎn)子過電流峰值接近額定值的 3 倍，會危害系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)造成了電磁轉(zhuǎn)矩的大幅度脈動，會對風(fēng)機(jī)的機(jī)械裝置造成應(yīng)力損傷。并且由圖 3.3(d)可知，電網(wǎng)電壓的故障引起了系統(tǒng)頻率的波動。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，加入虛擬慣量環(huán)節(jié)，設(shè)定其比例系數(shù) = 10，再通過仿真觀察轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)頻率。

(c) 電磁轉(zhuǎn)矩 (d) 系統(tǒng)頻率圖 3. 4 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)系統(tǒng)參數(shù)波形（帶虛擬慣量控制）Fig 3.4 System parameters during grid voltage dips using virtual inertia control由圖 3.4 可知，，加入虛擬慣量環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)頻率波動明顯降低，達(dá)到的預(yù)期效果。然而有功電流和電磁轉(zhuǎn)矩在故障發(fā)生后的振蕩變得劇烈了一些，在故障恢復(fù)時(shí)刻的振蕩峰值變得更大。這是由于電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)時(shí)，系統(tǒng)頻率發(fā)生了較為劇烈的波動，而虛擬慣量控制中含有微分環(huán)節(jié)，使得信號更加復(fù)雜，有功補(bǔ)償電流附加到轉(zhuǎn)子電流中使得振蕩更加劇烈。由上述分析可知，在弱電網(wǎng)的大環(huán)境中，雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越需要額外考慮線路阻抗和虛擬慣量控制帶來的影響。其中線路阻抗的分壓作用使得電機(jī)端電壓更低，更容易面臨嚴(yán)重的低電壓運(yùn)行挑戰(zhàn)；虛擬慣量控制增強(qiáng)了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，同時(shí)也使得低電壓穿越的瞬間轉(zhuǎn)子過電流成分更加復(fù)雜。但是這兩個新元素并沒有改變雙饋電機(jī)的電磁暫態(tài)行為，傳統(tǒng)的分析方法依然有效，可以參考經(jīng)典的故障穿越控制策略來抑制故障過電流問題，這將在第四章詳細(xì)論述。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM614

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2668719