【摘要】：隨著化石能源的日漸短缺,新能源行業(yè)尤其是風能因其優(yōu)勢而愈受關注。近年來我國風力發(fā)電事業(yè)發(fā)展迅速,然而風電機組多安裝于偏遠地區(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,此時的電網(wǎng)被稱為“弱電網(wǎng)”。弱電網(wǎng)對風電機組的支撐能力較弱,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)制定了相關導則要求風電機組并網(wǎng)時具備一定的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力,各國學者也為了提高風電機組的LVRT能力進行了較為全面的研究,但這些大多針對的是傳統(tǒng)強電網(wǎng)情況,對于弱電網(wǎng)下風電機組的LVRT研究還較少。雙饋感應發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)作為風電產(chǎn)業(yè)的主流機型,其定子直接與電網(wǎng)相連,通過鎖相環(huán)作為中介實現(xiàn)并網(wǎng)運行,在弱電網(wǎng)下進行低電壓穿越時,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)下雙饋風電機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,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會引入較為復雜的轉(zhuǎn)子有功補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減小振蕩的過渡時間。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,對風電機組的支撐很小。在弱電網(wǎng)下,鎖相環(huán)和轉(zhuǎn)子側控制耦合性較強,如果系統(tǒng)參數(shù)諸如鎖相環(huán)帶寬、虛擬慣量系數(shù)設置得不合理,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電場。自適應鎖相環(huán)系數(shù)法通過在故障前后設置不同的鎖相環(huán)帶寬使得DFIG順利進行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雙饋電機系統(tǒng)的仿真模型,對以上理論研究和控制策略進行了仿真分析。最后通過搭建的11kW實驗平臺,進一步驗證了研究的有效性。
【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，由于低電壓故障產(chǎn)生的雙饋電機電磁暫態(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)的安全運行，同時造成了電磁轉(zhuǎn)矩的大幅度脈動，會對風機的機械裝置造成應力損傷。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。為了增強系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，加入虛擬慣量環(huán)節(jié)，設定其比例系數(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，達到的預期效果。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，在故障恢復時刻的振蕩峰值變得更大。這是由于電網(wǎng)電壓跌落和恢復時，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)，使得信號更加復雜，有功補償電流附加到轉(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，雙饋風電機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端電壓更低，更容易面臨嚴重的低電壓運行挑戰(zhàn)；虛擬慣量控制增強了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，同時也使得低電壓穿越的瞬間轉(zhuǎn)子過電流成分更加復雜。但是這兩個新元素并沒有改變雙饋電機的電磁暫態(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，這將在第四章詳細論述。
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM614

【參考文獻】

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本文編號：2668719