博士学位论文-双馈感应风力发电机特殊运行工况下励磁控制策略的研究.pdf

I 摘 要 双馈感应发电机可实现变速恒频运行具有优越的稳态和暂态运行性能以及 相对较小的励磁容量特别适用于风力变水头水力发电以及抽水蓄能等可再生 能源发电系统适当的励磁控制策略是双馈感应发电机实现优良运行性能的关键 因此对双馈感应发电机励磁控制策略的研究一直都是国内外研究的重点本论文 主要针对一些特殊工况下双馈感应风力发电机的励磁控制策略进行了深入地研 究研究的主要内容包括电网故障时双馈感应发电机不脱网运行的控制策略 双馈感应发电机与无辅助在线换流的晶闸管 HVDC 的协调控制策略以及双馈感应 发电机的并网与解列控制策略等 论文首先建立了双馈感应发电机的空间矢量模型利用该模型解析推导了双 馈感应发电机暂态电磁关系并结合数值仿真对双馈感应发电机的暂态物理过程 进行了解释研究结果表明双馈感应发电机的定转子电流以及电磁转矩取决 于发电机内部的定转子磁场其中定子磁场受定子外加电压的影响而转子磁 场则可以通过转子电压进行控制适当地控制转子励磁电压能够实现对发电机运 行状态的控制在理解电网短路故障时发电机的暂态物理过程的基础上提出了 电网短路故障时双馈感应发电机不脱网运行的励磁控制策略为保证故障期间双 馈感应发电机励磁变频器安全运行新的励磁控制策略针对故障过程中发电机内 部电磁变量的暂态特点控制发电机转子电流产生的磁链(故障暂态时该磁通只通 过漏磁路径 是漏磁链)以抵消定子磁链中的“有害”分量(暂态直流分量与负序分量) 对转子侧的影响与此同时利用定子侧电阻最终对发电机进行灭磁实验和大 量的系统仿真验证了该控制策略的正确性并分析了各种因素对控制效果的影响 为双馈感应发电机在电力系统中大规模应用奠定了基础 大型海上风电场是当前风力发电技术发展的主要趋势论文针对海上输电的 特点提出了通过无辅助在线换流的晶闸管 HVDC 连接大型海上风电场并网的新 方案深入研究了无辅助在线换流的晶闸管 HVDC 与双馈感应发电机的协调控制 策略并对协调控制下风电场电压和频率调节特性以及换流站的电压稳定性进行 了分析研究结果表明利用本文提出的协调控制策略在满足晶闸管换流站在 线换流要求的前提下可以实现双馈感应风力发电机跟踪最大风能变速稳定运行 论文的研究为海上或远距离风电场接入电网提供一种技术经济性能优越的新方 案为解决大型海上或远距离风电场并网技术提供理论依据 论文最后对双馈感应发电机并网及解列的控制策略进行了研究提出了两种 简便易行的并网(即准同期自同期)新方案以及能效较高的解列方案并通过数值 重庆大学博士学位论文 II 仿真对这些控制方案进行了初步验证研究结果表明改进的准同期并网方案无 需测量定子电压节约成本且并网冲击小能在变速运行条件下实现并网自同 期并网方案控制简单起动迅速且无冲击适用于不具备自起动能力的双馈感应 发电机组而本文提出的发电机解列控制方案具有制动迅速转子机械能量回馈 以及降低系统成本等优点采用本文提出的并网及解列控制方案能够提高双馈感 应发电机组在并网与解列运行时的安全以及经济性能 关键词双馈感应发电机风力发电电力系统故障励磁控制并网与解列 英文摘要 III ABSTRACT The Doubly-fed Induction Generator (DFIG), which has features of variable speed operation, superior steady-state and transient-state operation characteristics and relatively small excitation rating, is especially suitable for the renewable energy generation such as wind power generation, hydropower generation with variable water head and pumping storage generation. As a key to achieve good performance during the DFIG operating, the excitation control strategies of the DFIG have being the focus of the research all over the world. Therefore, the excitation control strategies of the DFIG under some special operation modes were deeply studied in this dissertation, including the ride-through control of the DFIG under a grid fault, the coordinated control between a HVDC and the DFIGs in order to connect a wind farm into grid and the control methods of the DFIG under cut in or cut off operation. Firstly, the mathematic model of the DFIG expressed with space-vector was build. Then the transient electromagnetic relationship was derived and the transient physical process was explained combined with the analytic and simulation analyses. Research results show that the stator and rotor currents and air-gap torque are subjected to the stator and rotor flux fields in the generator. Where, the stator flux field is mainly constrained by the stator voltage which is decided by the outer operation condition of the machine. However the rotor flux field can be controlled by rotor voltage. Therefore, its possible to control the operation state of the DFIG with proper excitation regulation. Based on the deeply understanding of the DFIG transient under a grid fault, the ride-through excitation control strategy was proposed. To guarantee the safety of rotor side converter during the grid fault, the flux linkage produced by the rotor current, which goes through leakage flux path during the transient, is controlled to counteract the effect of the harmful components in the stator flux (including the transient DC flux and negative sequence flux components). At the same time, the stator side resistance is used to weaken the harmful stator flux field. The validity work has been done by experiments and system simulations, while the control performance influenced by different factors was analyzed in detail. The research work carried out in this dissertation is important for the large-scale application of the DFIG in power system. Currently, the offshore wind power is one of the mainstream developing trends of wind power technology. Based on the features of the offshore electrical power 重庆大学博士学位论文 IV transmission, a new scheme was proposed which adopts an HVDC using thyristor without auxiliary on-line commutation equipment to connect a large offshore wind farm consisting of DFIGs into grid. The coordinated control strategy between the wind farm side HVDC converter and the DFIGs was studied. The characteristics of voltage and frequency regulation were analyized as well as the voltage stability of the HVDC converter. According to the research results, the DFIG can operate at variable speed for maximum wind power tracking while the on-line commutation requirement of the HVDC using thyristor can be fulfilled by the proposed coordinated control method. As a theoretical foundation for developing the grid integration technology of the offshore or remote wind generation, the research in this dissertation finds a new solution to integrate a large offshore or remote wind farm into grid with good technical and economical performance. Lastly, the control strategies of cutting in and cutting off a DFIG were studied in the dissertation. Two simple and convenient cut in control schemes (i.e. accurate synchronized and self synchronized cut in controls) and a cut off control scheme were proposed and validated by simulations preliminarily. The research results show that the modified accurate synchronized scheme, with advantages of no need of stator voltage measurement, saving cost and little impact, can switch on a DFIG under the condition of variable speed operation. On the other hand, the self synchronized scheme is especially suitable for the DFIG unit without self start-up capability, which has features of simple control, fast start-up and little impact. Compared with the traditional cut off control, the proposed cut off scheme is more economical, which can not only stop a DFIG unit rapidly but also feed the rotor stored mechanical energy back into the grid. All the control strategies studied in the dissertation could improve the safe and economical performance of the DFIG unit during the cut in or cut off process. Key Words: DFIG, Wind generation, Power system fault, Excitation control, Cut in and cut off 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 双馈感应发电机的应用 双馈感应发电机(Doubly Fed Induction GeneratorDFIG)是结合了异步发电机 和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机它具有良好的调速性能有 功和无功功率独立可调改善电网功率因数提高系统的稳定性以及相对较小的 励磁容量等优点特别适用于风力变水头水力发电与抽水蓄能等可再生能源发 电目前双馈感应发电机已广泛应用于风力以及抽水蓄能等新型及可再生能源发 电系统中由于具有优于传统同步发电机的性能双馈感应发电机的大量应用对 提高电力系统的安全与稳定具有重大意义 1-24 风能是大自然中取之不尽用之不竭且无污染的可再生能源在全世界电力需 求量急剧增长的条件下考虑到有机燃料的非再生性与有限开采性以及生态环境等 原因大力利用风能具有特别的现实意义从世界范围看欧洲和北美在开发和利 用风能发电方面处于世界领先地位尤其是欧洲的丹麦德国和英国以及北美的美 国目前风力发电已在可再生能源的开发中独树一帜成为对常规能源最具竞争力 的新能源发电方式在风力发电技术中由于双馈感应发电机能变速恒频运行实 现了机组和电网的柔性连接从而大大缓解了机组轴系的机械应力并降低了系统成 本与此同时采用原动机最佳效率跟踪控制还能够提高整个风力或水力发电系统 的效率因此目前双馈感应发电机已经成为主流的风力发电机1-10 为了适应电力系统负荷曲线的变化在电力系统中建立一定容量具体“削峰填 谷”效益的抽水蓄能电站是目前公认最有效的电网调峰手段11- 13传统的电动发 电机组采用直流励磁的传统同步发电机调速比较困难且运行特性差此外这类 机组作电动状态运行时起动比较困难国外的实践已证明抽水蓄能电站机组 采用机组结构紧凑厂房和辅助设备少的两机式可逆型机组为最佳但由于这种 机组水轮机兼作水泵运行为使得机组在电动和发电状态下都达到较高效率运行 要求机组在10%左右范围内变速运行14由于转速变化范围仅为10左右采 用频率在10额定频率范围内可调的变频励磁电源供电的双馈感应发电机取代 传统的电动 发电机组即可有效解决传统抽水蓄能机组所存在的调速或水轮发 电机的变速运行等问题目前日本德国等发达国家经过实验研究已在抽水蓄 能电站中采用了多台双馈变速抽水蓄能机组并取得了良好的经济效益11-12 常规水轮发电机只能在额定同步转速下运转为了使水轮机组在额定同步转 速运行时具有良好性能和较高的效率常规水轮机通常都按加权平均水头下达到 最优单位转速的原则进行设计然而水电站特别是建设周期长的大型水电站如 重庆大学博士学位论文 2 三峡电站无论是初期投运还是正式投运其水头都存在较宽的变化范围15- 17 这使得水轮机无法持续运行在最佳工况水轮机效率降低气蚀系数加大磨蚀 和机组振动增加机组运行工况恶化因此从改善机组运行性能的角度出发 应当采用可变速恒频运行的发电系统特别对于我国水力资源丰富且多泥沙的 河流较多如果在水力发电中采用可变速运行的双馈感应发电机则可以在水头 变化时相应地调节机组转速同时兼顾出力要求发出恒频电能15- 16使汛期与 非汛期发电机组始终运行于水轮机的最优单位转速附近实现发电机负荷优化调 节从而减少水轮发电机组振动气蚀和磨损延长水轮机的寿命提高系统运 行效率以及增加系统的稳定裕度 目前我国正在大力实施“西电东送”项目的建设 通过超高压 远距离的输电方 式将把西部的电力能源送到东部缺电的地区实现最大范围最大限度的资源优 化配置大电网联网后随之而来的电网稳定性及其运行控制等问题十分突出 它将成为制约我国电力系统规模发展和效益实现的主要技术因素此外在超高 压远距离输电系统中当线路传输功率低于自然功率时过剩的无功功率将使 线路和电站出现持续工频过电压危及系统的安全运行因此随着现代电力系 统越来越趋于大容量远距离超高压重负载运行电力系统的稳定和超高压 输电线路的无功过剩等问题正显得越来越突出18- 19解决上述问题的传统方法有 同步发电机进相运行电站或线路高压母线侧安装并联电抗器静止无功补偿装 置或同步调相机等然而这些方法都存在一些固有的技术经济缺陷显然提 高发电机自身的稳定性以及无功调节能力是最直接和最经济的措施1720二十 世纪七十年代前苏联的理论研究和工程实践表明在电力系统中采用异步化同 步发电机(包括异步化汽轮发电机和异步化水轮发电机相应转子为直流和交流励 磁后者也称为双馈感应发电机)部分取代传统的同步发电机能够有效解决超高 压输电系统中由于无功过剩问题而引起的持续工频过电压及电力系统稳定性问题 19 此外双馈感应发电机还具有优于传统同步发电机的暂态稳定性通过适当 地控制双馈感应发电机能够对暂态过程中电网电压和频率提供积极的支持9因 此双馈感应发电机技术的应用对提高电力系统的安全与稳定性具有重大意义 除了在发电系统中的应用以外双馈感应电机还可用于变速运行的电气传动 系统21 1.2 双馈感应发电机的基本原理和特点 双馈感应发电机的基本结构与绕线式感应电机类似其定子侧接电网转子 上采用三相对称分布的励磁绕组由幅值频率相位以及相序任意可调的变频 器提供励磁当双馈感应发电机的转子绕组通以频率为 f2的对称交流电时在发 1 绪 论 3 电机气隙空间就会产生一个相对转子旋转的磁场其转速为 n2 = 60 f2 / Pp (1.1) 式中 Pp 为发电机极对数 由机电能量转换原理可知为实现稳定的机电能量转换发电机定转子的 旋转磁场必须相对静止这就要求转子实际转速加上交流励磁产生的旋转磁场转 速(方向可以相同或相反)等于定子旋转磁场的转速即同步转速当励磁电流产生 的旋转磁场的方向和转速方向相同且励磁电流频率低于电网频率时双馈感应发 电机将低于同步转速运行即处于次同步转速当励磁电流产生的旋转磁场的方 向和转速方向相反时双馈感应发电机则高于同步转速运行即处于超同步转速 因此如果按发电机的转速是否与同步转速一致来区分异步机或同步机则双馈 感应发电机应当被称为异步机17但双馈感应发电机在性能上又具有很多同步机 的特点例如异步机是通过定子从电网吸收无功进行励磁本身无励磁绕组 而双馈感应发电机与同步发电机一样有独立的励磁绕组既可以从电网吸收也 可以向电网输出滞后的无功功率异步机的转速随负荷变化而变化而双馈感应 发电机可以与同步发电机一样在负荷改变时保存转速不变所以有文献也称双 馈感应发电机为交流励磁发电机(Alternating Current Excitation Generator ACEG)1722异 步 化 水 轮 发 电 机 (Asynchronized Hydrogenerator AHG)18或双输 出感应发电机(Double Output Induction GeneratorDOIG)23实际上它是具有异 步发电机某些特性的同步发电机传统同步发电机采用集中励磁绕组其励磁电 流为直流只能控制励磁电压幅值来控制励磁电流的大小由于受静态稳定极限 的约束无法进入深吸无功的运行状态另外其转子磁场相对于转子的位置是固 定不变的当进行有功无功调节时必然伴随着转子的机械过渡过程而双馈感 应发电机由于其转子励磁绕组为三相对称绕组且励磁电压的频率幅值相位 及相序均为可调通过调节励磁电压的幅值频率相位相序可以控制发电机 励磁磁场大小及其相对于转子的位置正是由于双馈感应发电机励磁控制自由度 的增加使其具有超越传统同步发电机的运行性能其主要优点表现在22 1) 具有较好的转速适应能力能实现变速恒频运行 双馈感应发电机具有与异步机一样的变速运行能力发电机运行时其转子 励磁频率可根据发电机转速加以控制以满足机电能量转换的条件 s =r f (1.2) 其中s为电网角频率r 为转子旋转电角频率f 为转子励磁电压角频 率由式(1.2)可知当转子旋转角频率改变时只要改变励磁电压的频率就可以保 证励磁磁场与定子磁场在空间上相对静止并以同步角频率相对定子绕组旋转从 而实现变速恒频运行 重庆大学博士学位论文 4 2) 具有独立的有功无功调节能力 双馈感应发电机励磁磁场的大小及相对于转子的位置决定于励磁电压的幅值 及相位采用适当的控制策略后可以快速完成发电状态的电磁调节过程实现 发电机有功无功独立调节其中无功功率的调节是一个纯粹的电磁调节过程 过渡过程时间短并且此过程不需改变转子的运动状态同样有功的调节不会改 变其无功运行状态因此不会产生与传统同步发电机的机电暂态过程理论和实 验分析指出在定转子电流允许的极限内上述独立调节过程是平稳的双馈 感应发电机可按电网的要求运行于不同的有功无功组合状态2224 3) 具有深度进相运行能力 由于双馈感应发电机增加了励磁控制的自由度励磁磁场相对于转子的位置 成为可控有效克服了传统同步发电机进相运行受静态稳定极限值限制的缺点 双馈感应发电机进相运行能力只受定子电流及端部铁芯发热的限制因此具有比 传统同步发电机更大的进相运行范围这使得双馈感应发电机成为有效补偿输电 电网的无功功率以及解决超高压电力系统无功过剩引起工频过电压问题的最经 济最有效的途径25 4) 具有良好的稳定运行能力 由于双馈感应发电机励磁控制自由度的增加使得发电机的功角与转子位置 角实现解耦实现发电机机电解耦运行换句话说在双馈感应发电机运行时 总可以通过适当的励磁控制迅速调节发电机的电磁运行状态实现转速与电网频 率的解耦运行即柔性联接正是由于双馈感应发电机具有机电解耦运行的特点 不但发电机本体具有良好的稳定运行能力而且通过适当的控制还能够进一步提 高与之相连接的电力系统的稳定性17 1.3 双馈感应发电机励磁控制策略的研究现状 双馈感应发电机具有许多优点以及优越的运行性能然而适当的励磁控制策 略是双馈感应发电机实现优越运行性能的关键因此对双馈感应发电机励磁控制 策略的研究一直都是国内外研究的重点 对于电网正常运行时发电机的励磁控制策略目前已进行了大量的研究并 实现了发电机变速恒频运行有功无功的解耦控制以及原动机最佳效率跟踪运 行等基本性能26-29 另一方面电网非正常运行时双馈感应发电机的励磁控制策略是目前国内外 研究的热点30- 40随着接入电力系统的双馈感应发电机容量的增加电网出现扰 动或故障时发电机与电力系统的相互作用成为越来越被广泛关注的课题在现有 的风力发电中当系统出现扰动或故障并导致发电机端电压下降或频率发生波动 1 绪 论 5 时双馈感应发电机将立即从电网中解列以确保机组的安全但随着风电在系统 中所占比例的逐渐增加电力系统从稳定运行的角度出发要求发电机在故障过程 中仍然保持不脱网运行当前国外一些新的电网连接标准已对双馈感应发电机在 电网故障时不脱网运行提出了明确的要求30,35,51这些新的要求迫使研究人员必需 面对如何解决双馈感应发电机在电网扰动或故障时不脱网运行的保护与控制的课 题与双馈感应风力发电机相似双馈感应水力发电机组在电力系统非正常运行 时保持不脱网对系统恢复正常运行也具有同样重要的意义 考虑到提高风力资源利用与减小风电场规划限制等因素兴建大型海上以及 远离负荷中心的风电场是当前风力发电在欧洲的发展趋势我国近海风力资源丰 富占我国可开发风力资源的 3/4(7.5 亿千瓦)因此开发近海风力资源具有重要意 义由于传统交流输电存在海底电缆充电无功过剩及远距离输电的稳定性等问题 因此直流输电技术是目前国外积极研究的一种风电场与电网连接的新技术41-42 双馈感应发电机在应用中还存在并网解列等问题如何根据双馈感应发电 机的特点研究发电机在这些工况下的控制策略也是研究人员必须解决的课题 1.3.1 电网正常运行时双馈感应发电机有功无功的解耦控制 目前对于电网正常运行时双馈感应发电机有功无功的解耦控制策略已进行 了大量的研究常见的励磁控制策略主要包括矢量控制基于动态同步轴系的双 通道励磁控制策略以及直接功率控制策略等26-29 文献26研究了双馈感应发电机矢量控制策略 该控制策略是由交流感应电机 矢量控制演变而来其基本原理是通过定向于某特殊位置下的 d 轴和 q 轴励磁 电压分量分别控制发电机 d 轴和 q 轴的励磁电流从而分别控制发电机有功功率 以及无功功率以定子磁链定向的矢量控制为例在定子磁链定向的条件下发 电机转子电流的 dq 轴分量分别与发电机定子有功功率以及无功功率之间存在一 一对应的关系利用发电机转子励磁电压控制转子电流 dq 轴分量就可以达到控 制发电机定子有功功率以及无功功率的目的矢量控制器通常采用双闭环结构 内环是相应的转子电流控制环外环则是定子有功和无功功率控制环其中内电 流环引入了去耦补偿项以消除转子耦合电流以及发电机运动电势对转子电流解 耦控制的影响与感应电机矢量控制相似双馈感应发电机矢量控制的参考轴系 还有其它的选择例如定子电压气隙磁链转子磁链等对于发电机的控制 变量 除了定子有功与无功的组合以外还有 电磁转矩(发电机转速)定子磁链(定 子电压)的组合等等矢量控制能够实现变速恒频运行以及发电机有功无功的解 耦控制在此基础上可进一步实现原动机最佳效率跟踪运行整个系统稳定性高 抗扰动能力强动态性能良好然而矢量控制需要对转子位置进行测量且除发 电机定子电压定向控制以外还需要对发电机各种磁链进行估算控制算法较为 重庆大学博士学位论文 6 复杂 文献27,28提出了基于动态同步轴系的双通道励磁控制策略 其基本原理是通 过控制励磁电压在动态同步轴系 d-q 轴上的分量 独立控制发电机定子的有功和无 功功率所谓动态同步轴系是根据发电机稳态数学模型在假设发电机定子电压 不变的前提下导出的新轴系 由于新轴系在空间上的位置与转差率 s 有关 在动态 过程中 轴系的位置将随着瞬时转差率 s 和发电机参数的改变而改变 轴系的速度 是变化的因此将该新轴系称为动态同步轴系控制器中采用有功无功双通道 结构其中有功通道实现原动机有功跟随以及转差设定控制而无功通道实现发 电机无功或电压设定控制基于动态同步轴系的双通道励磁控制能实现发电机变 速恒频运行以及定子有功无功解耦控制系统稳定性良好且在动态过程中能跟 踪转速的变化但发电机模型和参数的准确性对动态同步轴系的定位以及控制性 能有一定影响另外励磁控制器需要装设位置传感器测量转子位置角并计算 发电机的转差率控制算法较为复杂 文献29提出的直接功率控制的基本原理是 通过适当地控制发电机励磁电压 就可以控制转子磁链的相角与幅值从而控制发电机定子有功与无功功率该文 献根据对发电机相量图的分析得出以下近似关系发电机定子有功可以通过控制 转子磁链角(转子磁链与定子磁链的夹角)进行控制 发电机定子无功功率则可以通 过控制转子磁链的幅值进行控制类似于感应电机的直接转矩控制该控制策略 利用两个滞环控制器通过查表生成开关模式从而产生相应的励磁电压以分别控 制发电机转子磁链的相位和幅值并最终实现发电机定子有功和无功功率的解耦控 制直接功率控制能实现发电机有功无功解耦控制无需位置传感器控制器 鲁棒性好控制算法简单当然由于采用了滞环控制器励磁控制器的调节对发 电机及其系统的冲击可能较大 目前基于定子磁链定向的矢量控制策略已成为大多数风电设备制造商所采 用的成熟技术 1.3.2 电网非正常运行时双馈感应发电机的励磁控制 电网非正常运行可分为电网电压扰动和电网故障两种电网电压扰动主要表 现为电网电压的幅值频率对称度甚至波形发生一定程度的变化引起电网扰 动的原因很多如系统突然投切大容量负载非对称运行以及大量的非线性元件 等等电网电压扰动可能引起并网运行的双馈感应发电机效率降低发热噪音 与振动造成功率波动甚至失去稳定运行能力等不良影响如何利用双馈感应发 电机自身特点通过适当的励磁控制策略在改善发电机抗扰动能力的同时提高电 力系统运行稳定性供电可靠性以及电能质量等问题都是当前值得研究的课题 文献31对传统的矢量控制策略进行了改进 在转子电流控制环中增加了补偿 1 绪 论 7 感应电势变化的去耦补偿项 与此同时还引入了“主动电阻(Active Resistance)”以增 加发电机对低频振荡的阻尼一方面补偿感应电势变化可以抵消暂态过程中定 子磁链变化对转子电流解耦控制的影响从而提高系统的动态响应另一方面 引入的“主动电阻”实质上起到了增加定子电阻的作用 加速了因电网扰动引起的定 子磁链暂态直流分量的衰减使发电机尽快过渡到新的工作点稳定运行“主动电 阻”的引入虽能减小衰减时间常数加速定子磁链暂态直流分量衰减但该策略并 非最佳的衰减控制方案笔者认为通过适当的控制策略可能进一步提高定子磁 链直流分量的衰减速度从而提高双馈感应发电机抗电网电压扰动的能力 另外随着分散式电源技术的发展作为风力或水力发电机越来越多的双 馈感应发电机接入了配电网络运行在电网故障时为了提高供电可靠性整个 配电网可能解列成许多孤立的子系统作孤岛运行32由于双馈感应发电机具备变 速恒频发电以及优于传统同步发电机的暂态稳定性通过适当的励磁控制可能改 善孤岛运行子电网的暂态电压和频率响应 文献33研究了采用转动惯量补偿控制 的双馈感应发电机在系统频率出现波动时的运行特性研究结果表明当系统频 率出现波动时在修改的励磁控制策略的作用下双馈感应风力发电机转子向电网 所释放的动能将远远大于恒速感应风力发电机向电网释放的动能这将有助于提 高系统的暂态稳定性笔者认为通过改进励磁控制算法最大限度的发挥双馈感 应发电机自身优势有望进一步提高孤岛运行的子电网的暂态稳定性避免或减 少为维持系统电压和频率而采取主动投切负载等辅助措施与此同时当孤岛运 行的子系统进入稳态后可能长期处于非对称运行状态这将引起发电机气隙磁场 的负序分量从而严重危害发电机的安全运行由于双馈感应发电机具有多于传 统同步发电机励磁控制的自由度因此可根据发电机非对称运行的特点通过适 当的励磁控制可能在系统非对称运行时维持良好的供电质量提高供电的可靠性 对于系统孤岛运行及非对称运行时双馈感应发电机励磁控制策略的研究目前还未 见报导 与电网电压扰动不同电网故障会引起电网电压幅值的剧烈变化电网故障 主要有输电线路短路或断路如三相对地单相对地以及线间短路或断路等等 当出现电网故障时现有的保护原则是将双馈感应发电机立即从电网中解列以确 保机组的安全但随着双馈感应发电机在电力系统中容量的不断增加从电力系 统稳定运行的角度出发系统要求发电机组在故障中仍能不脱网运行并在故障切 除后尽快帮助系统恢复稳定运行为了在保证发电机及励磁电源安全运行的前提 下实现电网短路故障时发电机不脱网运行(Fault Ride-through)目前一些风力发电 设备制造商采用了转子短路保护技术(Crowbar Protection)即在系统故障时闭锁发 电机励磁电源同时投入转子回路的旁路释能电阻保护装置维持发电机不脱网运 重庆大学博士学位论文 8 行(此时双馈感应发电机作感应电机运行)34然而这种技术存在以下缺点首先 “Crowbar Protection”需要增加新的保护装置从而增加了系统成本另外在电网故 障时作感应电机运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率这将导致电网电压 稳定性的进一步恶化为此研究电网故障时双馈感应发电机的励磁控制策略是目 前国内外研究的热点目前国内外众多风电设备制造商与研究机构正在积极研究 电网短路故障时双馈感应风力发电机不脱网运行的励磁控制技术 35-40 文献35提出的方案实际上是传统的“Crowbar Protection”方案的一种改进该 方案与传统方案的区别在于在转子短路保护电阻切除后将转子电流控制指令 设定为该时刻转子电流的实际值从而防止由于转子电流控制器指令电流与实际 电流不等而引起的暂态冲击然后通过逐渐改变转子电流指令实现转子电流控 制器的软起动在转子电流控制器的作用下发电机将逐步恢复到正常运行这缓 解了“Crowbar Protection”的投切操作对系统产生的暂态冲击 在一定程度上缩短发 电机“Ride-through”的过渡时间 然而该文献仅限于对称故障时发电机不脱网运行 且未讨论故障运行条件对不脱网运行效果的影响 文献36提出的方案是在双馈感应发电机定子和电网之间装设由反并联晶闸 管构成的电子开关当故障发生时通过适当的触发控制电子开关开通与关断 该方案可 10ms 内将发电机从电网中切除以保护机组的安全故障切除后又可 以通过电子开关将机组迅速投入电网实现对电网的支持然而该方案需要增加系 统的成本和控制的复杂性而且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行 因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用 文献37利用数值仿真的方法对电网三相对称故障时发电机不脱网运行的励 磁控制进行了研究研究结果表明通过适当提高现有双馈感应发电机励磁控制 器中 PI 调节器的比例和积分系数能够在一定范围内维持电网故障时发电机不脱 网运行然而该文献未对故障时发电机不脱网运行的范围进行详细地研究计算 该文献提出的方法仅适用于系统对称三相故障引起发电机母线电压轻微下降时保 持发电机不脱网运行当故障引起发电机母线电压严重下降时励磁电源将出现 过电压和过电流 文献38则利用硬性负反馈的方式补偿发电机定子电压和磁链变 化对有功无功解耦控制性能的影响该方案能够在一定程度上提高双馈感应发 电机在输电系统故障时的运行特性并能够在一定范围内限制发电机转子电流 保护转子励磁变频器但该方案对转子电流的有效控制是在提高转子电压的前提 下实现的考虑到转子侧变频器输出最大电压的限制该方案仅适用于输电系统 故障引起发电机电压轻度骤降的场合对于引起发电机定子电压严重骤降的电网 故障该方案会由于转子侧变频器无法提供足够高的励磁电压而失去对转子电流 的控制另外文献39还建议充分利用发电机电网侧变频器在电网故障过程中对 1 绪 论 9 电网电压的支持作用通过协调转子和电网侧变频器的控制提高电网故障时发电 机不脱网运行的控制效果 目前 AlstomDewind 以及 GE 等风电设备制造商都致力于电网故障时双馈感 应风力发电机的励磁控制技术的研究据调查GE 公司已提出了相关技术方案 并将该技术应用在其商用风力发电机上40GE 公司的“低电压不间断运行技术”针 对系统对称三相短路故障引起发电机母线电压骤降的暂态过程利用励磁控制的 方法实现了发电机在暂态过程中不脱网运行据 GE 公司网站的报导该控制器能 够保证发电机在其母线电压最低下降到 30%额定电压的范围内保持不脱网运行 然而根据网站公布的信息无法确定该方案的技术细节同时该技术仅解决了系 统对称三相故障时发电机不脱网运行的问题而系统非对称故障时双馈感应发电 机的励磁控制技术目前仍未见报导 1.3.3 大型海上风电场接入电网方式及其控制方法 文献41提出了利用直流输电实现大容量海上远距离风电场并网运行的问题 对交流输电传统 HVDC 输电以及基于 VSC 的 HVDC 输电三种方案进行了比较 并分析了各自的优缺点研究结果表明对于输电距离超过 100km装机容量大于 350MW 的大型海上风电场 采用传统 HVDC 输电技术并网是最佳方案 该方案具 有可实现风电场与其并列的电网异步运行无海底交流电缆充电无功的问题无 交流输电的稳定性问题电网与风电场相互隔离互不干扰潮流灵活可控单位 长度电缆输电功率大且输电损耗低等优点该文献对一个实例方案进行了仿真研 究证明了利用传统 HVDC 连接海上风电场的可行性但该方案引入了同步调相 机以调节风电场的无功并辅助整流站实现在线换流 文献42则提出了通过传统的 在线换流式 HVDC 输电系统与静止无功补偿器 STATCOM的协调控制实现风电 场等孤立发电系统接入电网的方案其中 HVDC 主要负责孤立系统频率的调节而 连接于孤立系统母线的 STATCOM 则主要负责电压的调节然而引入同步调相机 或 STATCOM 必将增加系统的成本和运行的复杂性考虑到双馈感应发电机本身 具有灵活的功率调节特性因此能否在不增加系统硬件的基础上直接修改现有双 馈感应发电机的励磁控制策略并与 HVDC 协调控制实现发电机并网值得进一步研 究我国近海可开发的风力发电资源是内陆的三倍因此海上或远距离风电场与 电网并列及控制策略的研究是一个具有重要理论和实际应用价值的课题 1.3.4 并网与解列工况下双馈感应发电机的控制 文献43,44研究了变速恒频风力发电机软并网控制的方法 在发电机并网之前 当机组转速进入正常运行范围后通过适当的励磁控制可以在发电机定子侧产生 与电网电压相序幅值频率以及相位相同的空载电势当检测到发电机满足同 期并网条件后即合闸并网并网过程无冲击然而这些文献提出的方案要求实时 重庆大学博士学位论文 10 检测定子与电网电压并判定发电机是否满足同期并网条件增加了控制器的硬件 和软件的复杂性另外该控制方案仅适用于具备自起动能力的卧轴式风力发电 机组对于不具备自起动能力的立轴式风机如何起动则是需要进一步研究的课题 文献45介绍了双馈感应风发电机组解列与制动的传统方法 无论是正常停机 还是紧急停机传统的方法都是通过变桨与偏航控制以及机械制动装置实现的 尽管传统的方法容易实现然而明显存在以下缺点第一由于原动机控制动态 响应较慢因此制动时间较长不利于系统迅速重新起动第二在制动过程中 机组转子的机械能全部转换为摩擦损耗消耗掉了能源利用率不高第三需要 安装专用的机械制动装置这增加了系统的成本以及维护工作量考虑到双馈感 应发电机在适当控制下能够产生电磁转矩制动研究双馈感应发电机利用电气制 动的方式的解列控制策略是有待研究的课题 1.4 本文的主要研究内容 从大量的文献报导可以看出尽管对并网正常运行的双馈感应发电机有功 无功的解耦控制的方法已经进行了大量的研究并已成为成熟技术但是对于在 电网非正常运行大型海上风电场接入电网以及并网与解列等特殊工况下双馈感 应发电机励磁控制策略的研究仍然是国内外研究的热点本论文主要针对双馈感 应风力发电机在这些特殊工况下的励磁控制策略进行了深入研究研究的主要内 容包括 1) 研究电网短路故障时双馈感应发电机的控制策略拟针对不同类型的电网 短路故障通过相应地励磁控制策略控制发电机内部磁链抵消定子磁链中的暂态 直流分量与负序分量对转子侧的影响并利用定子侧电阻对发电机进行灭磁通 过实验和大量的系统仿真验证该控制策略的正确性并分析各种因素对控制效果 的影响 2) 拟提出连接大型海上或远距离双馈感应发电机风电场的新方案深入研究 无辅助在线换流的晶闸管 HVDC 与双馈感应发电机的协调控制方法并对协调控 制下风电场电压和频率调节以及换流站的电压稳定性进行分析 3) 研究双馈感应发电机在并网以及解列等工况下的控制及其与正常有功无 功解耦控制算法切换的方法 2 双馈感应发电机暂态时的电磁关系 11 2 双馈感应发电机暂态时的电磁关系 2.1 引言 目前对于双馈感应发电机运行的基本原理以及稳态电磁关系已经进行过深入 地研究在理解发电机有功无功调节物理过程的基础上提出的励磁控制策略 能够实现并网正常运行的双馈感应发电机有功无功的解耦控制5然而随着技术 的发展对双馈感应发电机功率调节的动态性能以及暂态稳定性的要求越来越高 31 特别是随着接入电网的双馈感应发电机容量的增加在电网故障时双馈感 应发电机的控制策略及其与电网的相互作用成为越来越被广泛关注的课题30- 40 为研究电网故障时双馈感应发电机的保护原理与控制策略深入研究发电机暂态 时的电磁关系是十分必要的 对双馈感应发电机暂态特性的分析 前人主要采用时域仿真46- 47和解析推导48 两种不同的方法由于这两种方法均以正交 dq0 轴系下双馈感应发电机的微分方 程组作为发电机的数学模型因此存在物理概念不够明确的缺点其中文献48 在假设故障过程中发电机转速不变的前提下利用拉普拉斯变换的方法求解 dq0 轴系下发电机的微分方程组并导出了机端对称三相短路故障时发电机故障电流的 近似计算公式然而其推导过程和结果都相当复杂文献46和47主要利用数值 仿真的方法对电网三相短路故障时不脱网运行的双馈感应发电机暂态过程进行了 分析但这些数值仿真无助于对发电机暂态物理过程的理解 本章首先利用空间矢量的方法导出了双馈感应发电机的数学模型以机端对 称三相短路故障为例详细分析了发电机中定子磁链以及转子磁链暂态变化的基 本特点并导出发电机磁链暂态分量衰减时间常数故障电流以及电磁转矩的解 析公式然后结合暂态过程中发电机定转子磁链的特点定性地解释了双馈 感应发电机故障暂态的物理过程 并仿真分析了故障初始条件对发电机故障暂态的影 响 2.2 双馈感应发电机的空间矢量模型