提高双馈风力发电机组低电压穿越能力的方案研究

1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和

2、磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘 要随着风电场装机容量的逐渐提升，风力发电在电网中所占的比例也越来越大，如果在电网故障时大型风电场内的风机脱网，将会对电力系统的安全稳定运行造成很大的影响。这就要求双馈风力发电机具有低电压穿越能力，在故障导致电压跌落时能够穿越故障，保持不间断并网运行，并能向电网输送无功功率以帮助电网电压的恢复。本文对双馈风力发电机的拓扑结构进行了分析，其采用背靠背双 PWM 变换器，不仅有良好的输出性能，而且大大改善了输入性能，可获得任意功率因数的正弦输入电流，具有能量双向流动的能力。并对故障期间 DF

3、IG 的暂态特性进行了研究，分析了转子过电流和直流母线过电压的原因。传统 Crowbar 电路采用固定阻值的电阻，很难兼顾对转子电流和直流母线电压的抑制以及对 Crowbar 的投入工作时间的控制。针对传统 Crowbar 的不足提出了一种基于 Crowbar 并联动态电阻的双馈风力发电机低电压穿越方案，制定了该方案的自适应控制策略以及其阻值的整定方法。仿真分析不同跌落深度下所提方案的 LVRT 特性，并与改变 IGBT 的导通脉宽的变电阻 Crowbar 方案进行了比较，结果表明带并联动态电阻 Crowbar 方案的 LVRT 效果较好，不仅兼顾了对转子过电流和直流母线过电压的抑制，而且在电

4、压深度跌落时可缩短 Crowbar 的投入时间，有利于系统电压的恢复。当系统中含有多个风电场时，若故障发生在其中一个风电场的近端，其Crowbar 投入，转子侧变流器闭锁，此时 DFIG 以普通的异步发电机一样运行，成为电网的无功负载，从电网侧吸收无功功率，这将对故障电压造成恶化。同时，这种无功功率的变化规律也会对相邻的风电场造成不利的影响。针对以上问题，本文提出了一种用于协调风电场之间低电压穿越的综合保护方案，仿真结果验证了该方案的有效性，即采用所提方案能够防止 Crowbar 的连锁动作，同时最大程度补偿无功功率，这样可以适当地提高相邻风电场的电压。关键词： 双馈风力发电机；低电压穿越；撬

5、棒；并联动态电阻；静止同步补偿器ABSTRACTWith the gradual upgrading of installed capacity of wind farms, the proportion ofwind power in the grid is also growing. If the wind generators in the wind farms arecut off, it will have a big impact on the safe and stable operation of the power system.Wind generators are req

6、uired to ride through the fault, remain connected during gridfault and provide reactive power to the grid to make for the grid voltage restoration.This capability is called low voltage ride through (LVRT).In this paper, the topology of doubly fed induction generator (DFIG) is analyzed.The back to ba

7、ck PWM converter is used in DFIG. It not only has a goodperformance of the output, but also greatly improves the performance of the input.Sinusoidal input current can be obtained at any power factor, and the energy flow isbidirectional. And it studies the transient characteristics of DFIG during a f

8、ault andthe cause of rotor over-current and DC bus over-voltage.Traditional DFIG crowbar uses a fixed crowbar resistance, and its difficult tosuppress both the rotor current and DC bus voltage and shorten the working time ofcrowbar at the same time. Aimed at this shortage, a low voltage ride-through

9、 schemeof doubly fed induction generator based on the crowbar with a parallel dynamicresistor is proposed, the adaptive control strategy and the resistance setting method isgiven. The LVRT characteristics of the crowbar with a parallel dynamic resistor aresimulated during different dips, which are c

10、ompared with the crowbar of variableresistance under the IGBT pulse control. The results show that the LVRT effect of thecrowbar with a parallel dynamic resistor is better. It can not only suppress both therotor current and DC bus voltage, but also shorten the working time of Crowbar,which is conduc

11、ive to the recovery of the fault point voltage.When the system contains several wind farms, the crowbar will be applied duringone fault next to one of the wind farms. At the same time, the rotor-side converter willbe locked and the DFIG will become a reactive power load like asynchronousgenerators.

12、It will absorb reactive power from the system and make the furtherdeterioration of the voltage. Meanwhile, it will adversely affect the adjacent windfarm. To solve the above problems, a comprehensive protection scheme is proposed tocoordinate the LVRT between the neighboring wind farms. Simulation r

13、esults showthe effectiveness of the scheme. It can avoid cascading crowbar action, and maximizethe compensation of reactive deficiency and raise the export voltage of neighboringwind farm.KEY WORDS： Doubly fed induction generator; Low voltage ride through;Crowbar; Parallel dynamic resistor; STATCOM目

14、录第一章 绪论 .1 1.1 国内外风力发电的研究现状及发展趋势 .1 1.1.1 风能的特点与风能资源 .1 1.1.2 国内外风力发电概况 .1 1.2 风电场低电压穿越技术及其必要性 .2 1.3 双馈风力发电机低电压穿越的研究现状 .4 1.4 本文主要工作与创新点 .8 第二章 双馈风力发电机运行原理及控制策略 .10 2.1 双馈风力发电机拓扑结构分析 .10 2.2 双馈风力发电机励磁变换器.11 2.3 双馈风力发电机的工作原理及等效电路 .13 2.4 双馈风力发电机的功率传输关系 .17 2.4.1 超同步运行状态 .17 2.4.2 亚同步运行状态 .18 2.5 双馈风

15、力发电机变速恒频风力发电系统 .19 第三章 基于 Crowbar 并联动态电阻的双馈风力发电机低电压穿越 .21 3.1 电网电压跌落时 DFIG 故障分析 .21 3.2 带并联动态电阻的 Crowbar 电路 .23 3.2.1 并联动态电阻 PDR .23 3.2.2 带并联动态电阻 Crowbar 的原理 .24 3.2.3 考虑 Crowbar 和并联动态电阻的转子等效电路 .24 3.3 自适应控制策略及其参数整定 .26 3.3.1 自适应控制策略 .26 3.3.2 Crowbar 电阻 RCB 和并联动态电阻 RPDR 阻值整定 .27 3.4 仿真分析 .28 3.4.1

16、 故障时转子电流和直流母线电压变化规律 .29 3.4.2 电压跌落 60%时的 LVRT 特性.30 3.4.3 电压跌落 80%时的 LVRT 特性.32 3.4.4 两种变电阻 Crowbar 方案的比较 .34 3.5 本章小结 .37 第四章 协调相邻风电场之间低电压穿越的综合保护方案 .39 4.1 Crowbar 投入对相邻风电场的影响 .39 4.1.1 故障期间 DFIG 的无功功率特性分析 .39 4.1.2 Crowbar 投入对相邻风电场的影响分析 .40 4.2 协调多风电场低电压穿越的综合保护方案 .42 4.2.1 系统结构及协调控制策略 .42 4.2.2 U0

17、 取值的确定 .45 4.2.3 转子串联电阻 R0 的整定 .46 4.2.4 STATCOM 控制策略 .47 4.3 仿真分析 .47 4.3.1 三相短路故障 .47 4.3.2 不对称故障 .51 4.4 本章小结 .52 第五章 总结与展望 .53 5.1 总结 .53 5.2 展望 .54 参考文献 .55 发表论文和参加科研情况说明 .59 致谢 .60 第一章 绪论第一章 绪论1.1 国内外风力发电的研究现状及发展趋势1.1.1 风能的特点与风能资源风能作为一种取之不尽、用之不竭、环境友好的清洁可替代能源，使得风力发电得到了较快的发展，风电场的建设规模也在逐渐扩大，风力发电具

18、有很好的发展前景1-2。由于风能具有一定的不确定性，其分布也会受到很多外界因素的影响，例如地理位置、气候因素等等。地理统计资料表明，风能资源最好的是地区是美国、加拿大南部和中欧，比较好的地区有中国东部、欧罗斯西部和澳大利亚沿海地区。就全世界的风能资源分布情况来看，百分之十三的地区在八十米高的地方的平均风速在大于 6.9m/s，在这些地区往往很适合以较低的投入来进行风力发电3。八十米高处的风能约等于 0.72 亿 MW 的能量，如果这些能量的五分之一能够被人类利用，就可以满足世界的能量需要，因此世界各国也越来越重视对风能的利用和开发，包括对风力发电技术、风电并网技术的研究4。我国也具有非常可观的

19、风能资源分布在全国各地，风能分布情况也与各地的地理环境有很大的关系。我国的风能资源在理论上有四十亿千瓦以上，这个数字也是非常可观；在海上也有一定的风能储量，理论上大约有一亿至二十亿能够被用于风力发电。总之，我国丰富的风能资源也逐渐使风力发电成为研究的重点。无论是从绿色环保，还是从风能资源的巨大潜力来讲，风力发电都是一种具有发展潜力的发电方式。1.1.2 国内外风力发电概况近年来，世界各国在各个领域都取得了很大的进步，风力发电技术也不例外，由于风能资源的巨大潜力，世界各国都开始重视对风力发电的研究，这使得风力发电领域也取得了很快的进步和发展。尤其是在欧美的一些风能资源较丰富的国家，在风力发电技术

20、上也取得了很多研究成果，在对风能资源的利用上也有了较好的成绩。除了在风力发电相关的基础科学的研究上取得了很多成就，风力发电机在现场的应用技术也越来越成熟。由于各国对风能资源的利用率逐渐提高，风力发电也已经不再是传统的仅仅1第一章 绪论作为一种补充的发电方式，其具有很大的发展潜力以及较大的商业价值5。至2010 年，全球风力发电装机容量已经超过了 19 万 MW，且 2009 年大约增加了3.7 万 MW，其增长的比例达到了 30%，2010 年大约增加了 3.6 万 MW，其增长的比例达到了 23%，与 2009 年相比，增长率下降了 7%。中国在风力发电的总装机容量上，已经成为世界风电总装机

21、量最大的国家；如果看风力发电的新增装机容量，中国和印度两个国家的新增装机容量已经占了全球风力发电新增装机容量的一半以上，这表明我国在风力发电上已经成为了一个风电大国。世界其他国家也已经意识到风力发电的重要性，在风力发电领域也取得了很大的发展。在欧洲的各个国家，风力发电的技术较强，尤其是在德国、西班牙和丹麦这几个国家，对风能资源的开发利用非常好，在欧洲，风力发电的新增总装机容量就占了总电力新增装机容量的大约一半；而在北美，美国和加拿大是对风能资源的开发利用最成功的国家。总之，世界各国都在采取各项措施来极力促进风力发电事业。我国的风能资源的储备是很丰富的，据相关部门的数据显示，在我国十米高的陆地风

22、能资源的储量为 32 亿多 kW，大约有十分之一的风能是可以开发利用的，如果再考虑现场风力发电机风轮的扫风面积是圆和正方形存在一个差别系数，那么我国陆地上的风能资源实际有 2.53 亿 kW 可以开发利用，而对于近海，风能大约可以达到 7.5 亿 kW，这个数据已经相当可观。表 1-1 2002 年以来中国历年总装机容量 （单位：MW）年份新增累计2002 前66.3465.1200398.3563.42004196.8760.22005506.91267.120061287.62554.720073311.35867.420086153.712019.6200913803.225805.32

23、01018927.944733.3近几年，我国的风力发电事业取得了较快的发展，表 1-1 为 2002 年以来的中国历年的总装机容量情况5。由表中数据可知，2002 年前我国累计总装机容量为 465.1MW，而到 2010 年，我国累计总装机容量已经达到了 44733.3MW，可见目前我国的风电总装机容量已经得到了非常大的增长；从每年的新增总装机容量来看，每年的风电新增总装机容量都较前一年有所提升。1.2 风电场低电压穿越技术及其必要性当电网发生故障时，电网的电压会降低，电压的降低将会对双馈风力发电机产生一些不良的影响6-11，例如：双馈风力发电机机械功率和电磁功率的不平衡将使得风机发生剧烈的

24、暂态过程，将会导致双馈风力发电机的转子电流增大，有2第一章 绪论可能对风机内部的电力电子器件造成不良的影响，严重的甚至可能损坏器件；包括直流母线侧的电容两侧的电压也会升高，使之面临风险；从力学角度分析，还有可能对风力发电机的机械结构造成危害。早期的风电机组一般采用恒速异步发电技术，不能够实现主动励磁，电网某处如果发生故障的时候，发电机的机端电压难以建立起来是这种风力发电技术存在的一个问题，若风电机组在故障期间继续并网运行，将会对整个电网电压的恢复造成一定的影响，因此电网某处如果发生故障使得电网的电压发生下降的时候，常见的处理方法就是切除风电机组，使风电场脱离电网。如果风力发电在整个电力系统的总

25、容量中所占有的比例很小，这种做法是允许的，即使切除所有风电机组也不会对电力系统造成很大的影响。等到故障被切除，电力系统会恢复正常，这时在将风电场并网运行。由于多个国家和地区都加大了风电场建设的力度，而且风力发电技术也日益成熟，风力发电机的单机容量也在逐渐增大12，风力发电在整个电力系统的总容量中所占有的比例越来越大，大型风电场并网后对电力系统的影响也显得更加突出。尤其在电网某处发生故障时，如果不考虑对电网的影响将大型风电场的风力发电机全部切除，这便会造成整个电力系统的有功功率产生较大的缺额，电网频率也会受到很大的影响，更严重的可能导致停电事故的发生，对社会造成巨大的经济损失。所以，世界各个国家

26、针对这个问题，并考虑到电网故障时风机大面积脱网将严重影响电力系统安全和稳定，要求风力发电机组应该具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力，而不是遇到电网发生故障就全部切机，脱离电网13-14。所谓风电场的低电压穿越 LVRT 能力，是指电网故障使电压下降时风电场能够顺利渡过电压跌落时间的能力15-17，即在电网发生近区永久性三线故障或不对称故障时，风电场在规定的故障清除时间内保持暂态稳定，能够穿越故障，继续运行，而不是脱离电网，更高的要求还需要风电场在穿越故障的同时，能够向电网输送无功功率，这样有助于支撑电网电压。电网发生大扰动事故之后，系统的电压可能会

27、发生大幅度的跌落，对电能质量和电力系统的稳定运行造成影响。当有风电场接入电网时，希望风电场并网点电压能够以最快速度恢复，并为电网电压的稳定做出贡献，即尽可能对电网提供无功功率的支持，这样能够加快系统电压的恢复。近年来，风力发电得到了较好较快的发展，风电场的数量和规模也在逐渐增加，因此，对风电场低电压穿越能力的研究显得越来越重要。提高风电场的低电压穿越能力对风电并网后的稳定运行具有非常重要的意义，即风电场能够在电力系统故障期间不脱网，保持不间断运行，这样风电场能够在故障期间为电力系统3第一章 绪论输送有功功率，保障电网频率的稳定，如果能采取合理的低电压穿越措施使得风力发电机能够在穿越故障的同时向

28、电网输出无功功率，就可以为电网电压的恢复做出贡献。由于我国风力发电技术的日益成熟，风电场的建设也得到了较快的发展，而且由于我国风能资源分布和我国电网的特点，很多风电场都建设在电网比较薄弱或者建设在电网的末端，根据我国风力发电的时间情况，我国在 2006 年 2 月颁布实施了GB/Z 19963-2005 风电场接入电力系统的技术规定，对并入我国电网的风电场提出了一些技术上的要求。国家电网公司也制定了风电场接入电网技术规定，以指导解决风电场接入电网的若干技术层面上的问题。中国和丹麦两国政府开展了可再生能源领域的技术合作项目-风能发展（简称 WED）。中国电力科学研究院承担的风电并网标准研究和国家

29、并网导则修订等子课题于 2007 年年底启动，2009 年 7 月结束。风电场接入电力系统技术规定关于风电场低电压穿越的要求主要包括以下内容：风电机组在并网点电压跌至 20%额定电压时能够不脱网连续运行625ms；并网点电压在发生跌落后 2s 内能够恢复到额定电压的 90%时，风电机组能够不脱网连续运行18-19，如图 1-1 所示。1.11.00.9电网故障引起电压跌落0.80.70.60.50.40.30.20.1要求风电机组不脱网连续运行风电机组可以从电网切出-100.625 1234时间/s图 1-1 风电场低电压穿越要求1.3 双馈风力发电机低电压穿越的研究现状电力系统运行准则要求风

30、电场应该具有一定低电压穿越能力，且其低电压穿越能力要高于其代替的传统电源。因此，世界各个国家的风力发电机的生产厂家和各个与之相关的科研单位也对风力发电机在电压跌落下的暂态过程进行了深入的研究，而且也提出了很多提高风电场低电压穿越能力的措施，文献20-254第一章 绪论分析了双馈风力发电机的 Crowbar 实现方案，文献26-29通过改进控制策略的方法来提高双馈风力发电机的 LVRT 能力，文献30-33通过增强无功补偿能力来提高双馈风力发电机的 LVRT 能力，文献34提出了一种利用软硬件结合的方法实现低电压穿越的控制策略。对于双馈型风力发电机而言，可以通过在双馈风力发电机结构中加装用于保护

31、的硬件装置和电路来实现其低电压穿越，根据硬件电路安装在风机的部位不一样，可将这些低电压穿越的方法大致分为三类：定子侧的方法、直流母线方法和转子侧的方法，下面对三类方法作简单介绍35。1) 定子侧的方法为了能够让双馈型风力发电机在故障期间仍然具有一定的控制能力，抑制电压跌落时产生的较大的暂态电流，同时可以使转矩不存在发生振荡的危险，可以在连接定子和并网点的三相线路上加装电子开关，该电子开关的结构和原理如图1-2 所示，每相均由两个晶闸管组成，两个晶闸管采用并联结构，而且方向相反。在电网发生故障导致电压跌落时，可以通过改变晶闸管的触发角来改变并联晶闸管的导通情况，这样便可以抑制故障过程中较大的暂态

32、电流，保护双馈风力发电机的安全运行。但是这种定子侧的方法也存在着一定的不足，即需要采用很大定额的绝缘栅双极型晶体管 IGBT，这样才能够有效的抑制转子侧电流的增大，达到保护风机的作用。除此之外，这种方法还存在一个缺陷，即这样通过调整晶闸管的触发角来达到限制暂态电流的目的的同时，其实对低电压穿越要求风电机组在故障期间不脱网连续运行这一点来说，该措施没有达到真正意义不脱网的目的。图 1-2 定子侧保护电路2) 直流母线方法当电网某处发生三相故障或者不对称接地故障时，双馈型风力发电机 DFIG并网点的电压会下降，这种情况下双馈风力发电机的转子电路中会产生很大的暂态电流，这个暂态电流的幅值很大，会通过

33、转子侧变流器给直流母线上安装的电5第一章 绪论容器充电，从而进一步导致直流母线上电容器两端的电压上升。然而，并网点电压的跌落使得网侧变流器没有足够的控制能力来调节电容器两端的电压，也就是说，双馈风力发电机转子侧多余的能量不能够通过网侧变流器输送给电网，这样就使得电容器电压的迅速提高，如果超过一定的限度，有可能损坏电容器和其它电力电子器件。因此，可以采用直流撬棒（Crowbar）电路来消耗双馈风机转子侧过剩的能量，从而可以抑制直流母线电压的升高，该方法的拓扑结构图如图1-3(a)所示。这种方案对于抑制直流母线电压的升高效果很好，但是当故障导致直流母线电压下降时，该方案并不能适当提高直流母线电压，

34、这就是这种方案存在的缺陷。(a)(b)图 1-3 直流侧保护电路为了解决直流撬棒不能在直流母线电压降低时适当提高电压这一问题，C.Abbey 等人进行了相关的研究，并提出了在直流母线处安装不间断电源 UPS 来动态调节电压的措施，电路拓扑结构如图 1-3(b)所示。不间断电源 UPS 中含有一个可以存储能量的能量存储系统 ESS，该能量存储系统 ESS 采用的是超级电容储能。采用这种低电压穿越措施后，如果直流侧电容两端电压升高，该系统可以吸收多余的能量来降低直流侧电压；如果直流侧电容两端电压降低，该系统可以释放一部分的能量来提高直流侧电压，这样就达到了大范围动态调节直流母线电压的目的。但是采用

35、这种方法需要的成本也比较高，因此从商业角度来讲，其使用也受到了一定的限制。(3) 转子侧的方法电网某处发生故障使得电压跌落时，为了保护背靠背双 PWM 变换器，经常采用的措施是通过加装撬棒 Crowbar 电路将转子绕组短接，同时转子侧变换器被旁路，这样就给转子绕组中很大的暂态电流提供了一条可以释放能量的通路，这样只需要选择合适的电阻值，便可以将故障期间的转子电流控制在安全范围之内，这样就可以防止故障期间转子电流过大对各个器件造成损坏。对于转子侧6第一章 绪论Crowbar 的启动策略，最基本的策略就是通过检测转子电流或者电容两端电压，当其达到事先设定的限值的时候就控制 Crowbar 启动，

36、该控制一般是通过开关器件来实现。而在 Crowbar 电路启动的同时，给转子侧变流器发出闭锁信号，控制其闭锁，这样就使电压跌落期间过大的暂态转子电流流向 Crowbar 电路，转子侧变流器同时被旁路。对于双馈型风力发电机，撬棒电路的种类也有多种，其中比较常见的拓扑结构有反并联晶闸管结构、二极管桥加晶闸管结构、混合桥型（每个桥臂由二极管和晶闸管串联而成）结构、IGBT 型（在二极管桥的直流侧串入一个 IGBT 和一个吸收电阻）结构、IGBT 桥加旁路电阻结构。如图 1-4 所示的是带双向晶闸管型的撬棒 Crowbar 电路，该拓扑结构中，有两个桥臂通过两个反向并联的晶闸管与转子相连，中间一个桥臂

37、直接与转子相连，该方案的结构虽然非常简单，但其低电压穿越的效果不是很理想，因为它的电路结构并不对称，很容易造成暂态电流中产生较大的直流分量，这样便不能有效的抑制转子电流的升高。图 1-4 带双向晶闸管型 Crowbar 电路图 1-5 所示的是双向晶闸管并带旁路电阻的撬棒 Crowbar 电路，该电路的拓扑结构中，三个桥臂均通过一个旁路电阻和两个反向并联的晶闸管与转子相连，这种方案有两个特点：第一，电路非常对称，不会因此产生直流分量；第二，旁路电路能够吸收故障期间转子电路中过剩的能量，抑制转子暂态电流的上升。图 1-5 带双向晶闸管和旁路电阻型 Crowbar 电路7第一章 绪论虽然采用撬棒保

38、护能够有效的抑制转子电路中的暂态电流，保护电力电子器件的安全，但这种方案的不足是当转子电流或者电容电压达到设定值后，撬棒被触发，此时转子电路被短接，同时转子变换器闭锁，这时双馈型风力发电机变为了普通的笼型异步发电机，不但不能像电网输送无功功率支撑电网电压，反而会从电力系统吸收很多无功功率来励磁，这会不利于电网电压的恢复。撬棒电路的控制策略的选择也非常关键，无论是撬棒电路的投切条件的选择，还是撬棒电阻阻值的选择，都对撬棒电路低电压穿越效果有着很大的影响。除了增强风电机组本身的低电压穿越能力之外，还可以采取一些其他的对应的措施，提高风电场的低电压穿越能力。风电场采用无功补偿装置也有助于提高风电场的

39、低电压穿越能力，当电网某处发生严重故障时，电网电压发生深度跌落，此时动态无功补偿装置能够发出无功功率以补偿无功缺额，从而提高风电场出口的电压，也就相当于减小了风电场并网点的电压跌落程度，这样就使双馈型风力发电机在故障期间的暂态过程得到一定程度的减弱，转子电流和直流母线电压的升高都得到了一定程度的抑制，因此，采用动态无功补偿装置能提高风电场的低电压穿越能力。由于风能资源具有随机性特点，风能发电也具有随机性、间歇性的特征，大规模风电并网严重影响了电力系统运行的稳定性、电能质量及经济性。研究表明，当风力发电的总装机容量在整个电力系统中所占的比值达到五分之一的时候，风电场并网运行对电力系统将产生不容忽

40、视的影响。而对于风力发电的这种随机性和间歇性，安装一定的储能装置可以减小风电对电力系统的不利影响，使风电场的输出更加稳定。如果能够加上有效地配置，储能装置还可以在电网故障期间发挥作用，提高风电场的低电压穿越能力。除了增加硬件电路来提高风电场低电压穿越能力，还可以通过改进双馈风力发电机的控制策略来达到这个目的，两类方法的低电压穿越的效果也有所区别。先进的储能技术的发展和应用，为提高机组低电压穿越能力提供了较好的解决方案。研究结果表明，就抑制故障期间转子电流的效果而言，直流母线出增加储能电路就比改进双馈风力发电机磁通 Flux 控制策略的效果要好。1.4 本文主要工作与创新点随着风电机组装机容量的

41、不断增加，风电场并网规则对风电机组的运行要求越来越严格，要求具有外部电网故障下不脱网运行能力，即能够成功穿越故障。对于双馈型风力发电机，要求在电网发生故障导致电压发生跌落时，DFIG 风电机组应能保持与电网的连接，并向电力系统连续供电，以协助故障电网的恢复。8第一章 绪论在电网故障期间，双馈型风力发电机 DFIG 控制和保护策略的主要目的应该是限制转子过电流和直流母线过电压。本文研究了双馈型风发电机的结构和运行原理，并分析了电网故障时双馈型风力发电机 DFIG 的暂态过程，对 DFIG 的低电压穿越技术进行了改进，并研究了多风电场之间的低电压穿越协调方案。本文的主要工作及创新之处具体如下：（一

42、）本文对双馈型风力发电机的拓扑结构进行了分析，对用于双馈型风力发电机的背靠背双 PWM 变换器的结构、功能及原理进行了研究。在比较双馈型风力发电机与普通绕线式转子发电机的等值电路和基本方程的基础上，研究了双馈型风力发电机的工作原理。考虑发电机超同步和亚同步两种运行状态，对双馈型风力发电机的功率传输关系进行了分析。（二）针对传统 DFIG 的 Crowbar 电路采用一个固定阻值的电阻，很难兼顾对转子电流和直流母线电压的抑制以及对 Crowbar 的投入持续时间的控制，本文提出了一种基于 Crowbar 并联动态电阻 PDR 的双馈风力发电机低电压穿越方案，结合并网点电压跌落时 DFIG 的暂态

43、过程制定出该并联动态电阻的自适应控制策略，能够实现对 Crowbar 和 PDR 投切的自适应控制。而等效阻值的改变也可以通过控制 IGBT 的导通脉宽来实现，本文对 Crowbar 的两种变电阻方案进行了仿真比较和分析。（三）分析了故障期间双馈风力发电机的无功功率特性和 Crowbar 动作对相邻风电场的影响。双馈型风力发电机的 Crowbar 保护电路投入工作以后，转子侧的变流器同时也被闭锁，此时双馈型风力发电机以普通的异步发电机一样运行，双馈型风力发电机成为电网的无功负载，从电网侧吸收无功功率，这将对故障电压造成恶化。同时，这种无功功率的变化规律也会对相邻的风电场造成不利的影响。针对以上问题，本文提出了一种用于协调风电场之间低电压穿越的综合保护方案，仿真结果验证了该方案的有效性，即采用所提方案能够防止 Crowbar 的连锁动作，同时最大程度补偿无功功率，这样可以适当地提高相邻风电场的电压。9第二章 双馈风力发电机运行原理及控制策略第二章 双馈风力发电机运行原理及控制策略2.1 双馈风力发电机拓扑结构分析