（电气工程专业论文）直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术研究.pdf

直驱型永磁风力发【u 系统低电压穿越技术研究 摘要 风力发电近年来发展迅猛，平均年增长率达到2 8 。并且，风能电力的电网 穿透率不断上升。当电网穿透率较高时，风力发电机在电网故障期间退出运行会 给电网造成不利的影响。风力发电技术领先的国家已经相继发布了故障穿越的定 量标准，要求电网故障时风力发电机不脱网运行，并向电网提供无功功率，直到 故障清除，“穿越”电网故障时期。而在风力发电市场中，直驱永磁同步风力发电 机组以其结构简单、维护成本低、转换效率高、可靠性高等优点，得到较快的发 展。 本文主要围绕直驱型永磁风力发电系统低电压穿越相关控制技术展开研究， 对直流测过电压保护与网侧无功控制控制策略等相关技术进行分析探讨，并通过 仿真验证了理论研究成果的正确性。 首先，研究了风力机的基本特性，分析从风速到风轮输出机械转矩的转换的 原理过程，建立了风力机的仿真模型，并对风力机的基本特性进行仿真，为直驱 型风力发电系统低电压穿越实现提供一部分理论基础。 其次，研究了p w m 变流器的数学模型，并通过对变流器能量传输进行分析 对背靠背双p w m 中间直流环节的数学模型进行描述。网侧变流器采用电网电压 定向矢量控制策略，机侧变流器采用转子磁场定向f 卢0 矢量控制策略，分别建立 起仿真模型，通过仿真验证证明所建立起来仿真模型以及控制策略的正确性，为 研究直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术建立起良好的仿真平台。 第三，对在电网电压三相对称跌落时直驱型风力发电机网侧变流器的动态运 行情况进行了详细的分析，并运用m a t l a b s i m u l i n k 模拟电网电压跌落时直驱风力 发电系统的运行状态验证了上述的正确性，接着描述了如果不采取措施可能对风 力发电系统所造成的损害。然后详细的介绍了基于耗能c r o w b a r ，基于储能 c r o w b a r 和基于辅助网侧变流器三种主流的低电压保护方案，通过对三种方案进 行仿真，对比了三种不同方案的优缺点。针对电网电压跌落时的无功需求，本文 提出了一种新的网侧变流器故障时无功控制策略，仿真验证了控制策略的有效性。 接着，提出了直驱型永磁风力发电系统低电压穿越的控制逻辑，在直驱型永 磁风力发电系统仿真平台上运用m a t l a b s i m u l i n k ，采用储能c r o w b a r ，故障时无 功控制策略以及叶尖速比控制等策略实现了直驱型永磁风力发电系统的低电压穿 越。 最后本文分析了直驱永磁同步风力发电机组网侧变流器在电网发生不平衡故 障时功率传输特性，提出了一种基于正负序电压分别定向矢量控制策略( p n v o c ) 玎 硕卜学位论文 有效的平抑直流侧母线电压震荡。并在直驱永磁同步风力发电机组直流侧增加能 量泄放回路，通过滞环控制使直流侧母线电压偏高时泄放能量，抑制直流侧过电 压。最后运用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，对p n v o c 控制策略进行仿真验证，并 结合直流侧能量泄放回路，实现直驱永磁同步风力发电机组在电网发生单相接地、 两相接地与两相短路三种不对称故障时不脱网运行。 关键词：风力发电；永磁发电机；低电压穿越；p w m 变换 l i l a b s t l 。a c t r e c e n ty e a r s ，w i n dp o w e rh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l y ，a n dt h er a t eo fa v e r a g e a n n u a lg r o w t hi s2 8 i na d d i t i o n ，t h ep e n e t r a t i o no fw i n dp o w e ri ng r i dh a sb e e n r i s i n g i tw i l ll e a da d 、，e r s ee f & c tt og r i d ，i ft h ew i n dt u r b i n eo f f g r i dd u r i n g t h ef a u l t o fg r i d w i n dp o w e rt e c h n 0 1 0 9 y l e a d i n gc o u n t r i e sh a v ei s s u e dt h eq u a n t l t a t l v e s t a n d a r d so ff a u l tt h r o u g hw h i c hr e q u i r eo n - l i n eo p e r a t i o na n dp r o v l d l n gr e a c t l v e p o w e rs u p p o r t e dd u r i n gt h ef a u l tu n t i lg r i d r e c o v e r e d a n di nw i n dp o w e rm a r k e t ， d i r e c t d r j v ep e r m a 力e n ti n a g n e ts y n c h r o n o u sw i n dt u r b i n eh a v e b e e nd e v e l o p i n g r a p i d l yf o rs i m p l es t l l l c t u r e ，l o wm a i n t e n a n c ec o s t s ，h 追hc o n v e r s i o ne 伍c i e n c y ，h i 曲 r e l i a l b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e st h e o r e t i c a ls t u d ym a i n l yo nt h el o wv 0 1 t a g er i d e t h r o u g hc a p a b i l i t y o fd i r e c t l y d r i v e np mw i n dg e n e r a t i o ns y s t e m c o r r e l a t l o n t e c h n i q u e s ，f o ri n s t a n c e ，d co v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n ，r e a c t l v ep o w e r c o n t r o ls t r a t e g y o f2 r i d s i d e ，a r ea l s od i s c u s s e d ，a n dt h ea c c u r a c yo fr e s e a r c hr e s u l t si sd e m o n s t r a t e d t h r o u 曲s i m u l a t i o n f i r s to fa 1 1 t h ef u n d a m e n t a ic h a r a c t e r i s t i c so fw i n dt u r b i n ea r ed i s c u s s e d ，a n dt h e t r a n s f o r m a t i o np r o c e s sf r o mw i n ds p e e dt ot h eo u t p u t m e c h a n l c a l - t o r q u e o tw l n d t u r b i n ei sa n a l v z e di nd e t a i l t h em o d e lo fw i n dt u r b i n ei sc o n s t r u c t e da n ds i m u l a t e d ， w h i c hp r o v i d e ss o m ep a r to ft h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h el o wv o l t a g er i d et h r o u g h s e c o n d l v t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp w m c o n v e n e ri ss t u d i e d ，a n dt h ep a r to f t h ed co fd u a l p w mi sd e s c r i b e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ep o w e rt r a n s f o r m a t i o nt h e o r y t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h ec o n t r 0 1 1 e r o f g r i d - s i d e c o n v e n e rw h i c hu s e s v o l t a g e 。o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ec o n t r o l l e ro fm o t o r 。s i d ec o n v e r t e r w h i c hu s e st h er o t o rf l u x o r i e n t e dv e c t o r 妇= 0c o n t r o ls t r a t e g ya r eb u i l t ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e la n dt h ec o n t r 0 1s t r a t e g ya r ec o r r e c t ，w h l c h p r o v i d e ss i m u l a t i o np l a t f o r ms u p p o r t f i o rt h el o wv o l t a g er i d et h r o u g h t h i r d l y ， t h i s p a p e r a n a ly s e st h e o p e r a t i o n a la s p e c t o ft h ec o n v e n e ro t d i r e c t l y d r i v e np mw i n dg e n e r a t i o ns y s t e mw h e ng r i dv o l t a g ed i p s i nd e t a i l ，a n d p r o v e st h ea c c u r a c yo f t h ea n a l y s i sb e f o r eb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n kt os i m u l a t et h e 1 1 l n n i n gs t a t ew h e ng r i dv o l t a g ed i p s ，t h e nd e s c r i b e st h ep o s s i b l ed a m a g e so f t h e s v s t e mi fw ed o n tt a k ee f f e c t i v em e a s u r e s a f t e rt h a t ，t h ep o w e rd i s s i p a t i v ec r o w b a r ， t h ep o w e rs t o r a g ec r o w b a ra n dt h ea u x i l i a r yc o n v e r t e rc r o w b a ra r ea n a l y z e da m p l y ， a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e ed i f i f e r e n t m e a s u r e sa r ec o m p a r e d l v 硕十学位论丈 t h r o u g hs i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fr e a c t i v ep o w e rw h e ng r i dv o l t a g e d i p s ，ar e a c t i v ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g yi ng r i d - s i d ec o n v e r t e ri sp r o p o s e d ，a n di t s v a l id i t yi sc o n 6 n 1 1 e d t h e n ，t h es t u d yp u t sf d r w a r das e to fc o n t r o ll o g i cf o rt h eb a s e d1 0 wv 0 1 t a g er i d e t h r o u g h 1 nt h ed i r e c t l y - d r i v e np e 彻a n e n tm a g n e tw i n dp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o n p l a t f o m lb u i l tw i t hm a t l a b s i m u l i n k ，t h el o wv o l t a g er i d et h r o u g ho fd i r e c t l y d r i v e n p mw i n dg e n e r a t i o ns y s t e mi sa c h i e v e db yu s i n gt h ep o w e rs t o r a g ec r o w b a ra n d r e a c t i v ep o w e rc o n t r 0 1s t r a t e g yd u r i n gt h eb r e a k d o w nt i m e f i n a l l y ， t h ef l u c t u a t i o nm e c h a n i s mo nd cv o l t a g eo fd i r e c t l y - d r i v e nw i n d t u r b i n ew i t hp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( d p m s m ) u n d e ra s y m m e t r i c a l f a u 】t si sa n a l y z e di nd e t a i l a n dav e c t o r o r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do np o s i t i v e a n dn e g a t i v ev o l t a g e o r i e n t e dr e s p e c t i v e l y ( p n v o c ) i sp r o p o s e d ，f o rr e s t r a i n i n g d cv 0 1 t a g ef l u c t u a t i o no fd - p m s mw h e na s y m m e t r i c a lf a u l t so c c u r r e d ，w i t ht h e e n e r g yc o n s u m p t i o nc r o w b a rf o rd p m s mu n o f f - l i n eo p e r a t i o no ng r i df a u l t s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp n - v o ci sp r a c t i c a b l ea n dc o r r e c ta n di th a sag o o d p e r f o 订1 1 a n c eo ni n h i b i t i n gt h ed cv 0 1 t a g en u c t u a t i o n ，a n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n c r o w b a rh a sp r o h i b i t e dt h eo v e r - v o l t a g es u c c e s s f u ld u r i n gt h ea s y m m e t “c a lf a u l t s k e y w o r d s ：w i n dp o w e r ；p e n l 】a n e n tm a g 玎e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；l o wv 6 1 t a g er i d e t h r o u 曲；p w mc o n v e r t e r v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 哺磊 - 一j 脚辟钿z 绍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名：日日 9 口子巧砧 月月 岁一 彬耵 箩婶，；砷1 硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 风力发电研究背景与意义 目前，在全世界范围内，风力发电发展势头迅猛。从1 9 9 6 到2 0 0 4 年，风力发 电装机容量的年平均增长率达2 8 。截止到2 0 0 4 年底，全世界并网型风力发电机 累计装机容量已达到4 6 0 4 8 m w 。已经有越来越多的国家把发展风力发电作为未来 电力投资的重点。我国也制定了自己的“乘风计划 以鼓励风电设备国产化。之 所以各国如此大力发展风电技术，是由于风力发电对于解决能源危机、缓解环境 污染状况都有十分重要的意义【lj 。 ( 1 ) 能源危机。目前世界能源主要来自石油、煤、天然气和核能。煤炭、石油、 天然气属于不可再生能源，终究会被开采完；核能发电的关键问题是如何处理核 废料，其处理费用远高于建造成本。现在地球人口约6 0 亿，到2 l 世纪中叶，预计 将达到lo o 亿人。单从人口增长的数字来看，能源消费的增长将是非常惊人的。随 着社会的发展和人类对能源需求量的不断攀升，人类正面临资源枯竭的压力。近 两年来，世界石油的“价格”飞涨，石油价格始终处于高位，从二十到三十美元 一桶涨到五十六美元一桶的历史高点。高昂的石油价格势必对世界经济产生严重 影响。能源危机正一步步向人类袭来。可以预见，在不久的将来，各国对能源的 争夺，会是全球冲突的主要原因。解决能源危机的办法，一是提高燃烧效率以减 少资源消耗，或者开发新材料、新工艺，最大限度的实现节能；二是开发新能源， 积极利用可再生能源。前者虽然能有效地提高能源利用率，但终究是建立在消耗 不可再生资源来发展生产的基础上，不能从根本上解决能源短缺的问题，而开发 利用可再生能源扩展了能源的获得途径，是一种可持续的发展方式。现在世界能 源消费以石油计算约为每年8 0 亿吨，按平均消费量每人每年2 吨计算，到2 0 4 0 年， 石油将出现枯竭。实际上随着世界人口的不断增加，能源紧缺的时期将会提前来。 因此，2 l 世纪新能源的开发与利用，是关系人类子孙后代命运，刻不容缓的一件 大事【2 1 。 ( 2 ) 环境污染严重。从化学成分上而言，煤、石油和天然气等化石能源的主要 成分是碳。这些化石资源的消耗直接导致了温室气体二一二氧化碳排量的增加， 引起全球变暖。同时，化石能源中含有的少量元素汞、硫、铅等，燃烧后会生成 二氧化硫、氮氧化物等有害气体，这些有害气体污染空气，毒化水质，且能够形 成酸雨，对人畜和其他生物极为有害。 ( 3 ) 风力发电的优越性。风是地球上的种自然现象，它是由太阳辐射热引起 直驱型水磁风力发i 乜系统低电压穿越技术研究 的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳光照射到地球 表面上，地球表面各处受热不均，产生温差，从而引起大气的对流运动，形成风。 据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2 转化为风能，但其总量仍是十分可观 的。全球的风能约为2 7 4 10 9 m w ，其中可利用的风能为2 l07 m w ，比地球上可 开发利用的水能总量还要大1 0 倍。作为可再生能源的风力资源以其蕴量巨大、可 以再生、分布广泛、没有污染等优势而在各国迅速发展。虽然风能资源还有密度 低、不稳定、地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡其快速发展的强劲势头。截 至到2 0 0 4 年底，德国的风电总装机容量达到1 6 5 0 0 m w ；西班牙的风电总装机容量 为8 0 0 0 m w ；美国的为6 8 0 0 m w ；丹麦约3 1 2 1 m w ；印度约2 8 0 0 m w l 引。 ( 4 ) 风力发电对于中国，意义尤为突出。燃煤发电一直是我国电力供应的主体。 虽然我国煤炭产量占世界总产量的3 6 5 ，但煤炭储量只占世界总储量的13 ，煤 炭发电能否满足我国经济的快速发展，仍是个很大的问题。需要指出的是，煤炭 发电对环境的污染有着很大的影响。国家环境保护总局指出，2 0 0 2 年燃煤电厂二 氧化硫排放量达到6 6 6 万吨，占全国排放总量的3 4 6 1 3 j 。严格控制燃煤电厂二氧 化硫排放对实现全国二氧化硫总量控制目标至关重要。从近年来的发展情况来看， 在保持经济发展持续增速的条件下，我国的石油使用量每年有将近八千万吨的进 口量。中国2 0 0 4 年新投产的电力装机容量破世界纪录，但同时全国却仍然发生大 范围拉闸限电现象。形成这种巨大反差的基本原因是，快速增长的力供给赶不上 更快速增长的电力需求。在我国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和 东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭 及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和 水能具有非常好的季节补偿作用。另外在我国内陆地区，由于特殊的地理条件， 有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省鄱阳湖地区以及湖北 省通山地区。沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能 够充分开发地区的风能优势，则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电 力短缺的难题。在西北经济落后地区发展风电，既可以提高当地人民生活水平， 又可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。 1 2 风力发电系统的主要机型 目前世界上有多种型号的大型风电机组在商业化运行，大体可分为三种类型 【3 】：第一种是直接并网定速异步风力发电机系统，传统风力发电机系统多采用这 种型式；第二种是变速恒频双馈风力发电机系统，这是新一代风力发电系统种应 用最广的机型；第三种为变速恒频直驱型风力发电机组。 硕1 ：学位论文 1 2 1 恒速恒频异步风力发电机系统 系统如图1 1 所示，采用的发电机多为鼠笼式异步发电机，风力机与发电机之 间采用齿轮箱相连。异步发电机并网运行时，一方面向电网输出有功功率，另一 方面又必须从电网吸收滞后的无功功率。异步发电机向电网输出的电流大小及功 率因数，取决于转差率及电机的参数，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运 行。风力发电机多采用机端并联电容器以提高功率因数。 图1 1 恒速恒频异步风力发电机系统示意图 1 2 2 变速恒频双馈风力发电机系统 系统如图1 2 所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线 式异步电机类似。 图1 2 双馈风力发电机系统示意图 当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒 定，即应满足： 石= 矾厶 式中， 为定子电流频率，与电网频率相同；扁为转子机械频率，矗= 1 佰o ；p 为电 机的极对数；尼为转子电流频率。 由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由 交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功 率的肼们，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机变速运行 的范围比较宽，既可超同步速运行，也可亚同步速运行，而定子输出电压和频率 可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。这种采用 直驱型水磁风力发电系统低f 乜压穿越技术研究 交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外， 还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。目前 这种风力发电机技术已经商品化【2 1 。如美国g e 公司的g e 15 ，德国g e n e r a l 公司的 g 8 0 、g 8 3 、g 8 7 、g 9 0 ，还有v e s t a s 公司的v 8 0 ，这些风机作为陆地风力发电场用， 而用于海上风力发电的风机则容量更大，如g e 公司的g e 3 6 的容量为3 6 m w ， v e s t a s 公司的v 1 2 0 容量为4 5 m w 。这些主流的风机都是采用三叶片变浆距变速型 双馈异步交流发电机，风机和发电机之间采用3 级齿轮箱增速。 1 2 3 变速恒频直驱型风力发电机组 该系统如图1 3 所示，与变速恒频双馈风力发电机组相比，采用的发电机为低 速永磁同步发电机，且取消了风力机与发电机之间的可靠性差的齿轮箱。 正= 彳七 ( 1 2 ) 式中：矗为电网频率( h z ) ； 为发电机定子输出频率( h z ) ；七功率变流器频率变比。 图1 3 直驱型风力发电机系统示意图 当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变流器将定子发 出的变频变压的电能转换与电网频率幅值一致的稳定电能。发电机采用永磁体结 构，无需外部励磁，没有电刷和滑环，简化了系统结构，提高了可靠性和发电效 率，而且永磁结构比电励磁结构更适合做成多极低速结构，极距小、电机体积和 质量相对较小，大大减少了系统体积重量和成本，提高了可靠性。该系统由于能 量只从发电机流向电网，无需双向流动，因此功率变流器结构可以较为简单。该 系统除可以实现变速恒频控制外，也可灵活实现有功、无功的解耦控制，而且发 电机定子通过功率变流器连接电网，具有更好的稳定性。该机型开始不断被风力 发电制造厂商进行商业化运作【2 1 。如德国的e n e r c o n 公司推出了e 7 0 风力发电机 组，其采用直驱式盘式永磁同步发电机，容量达到2 0 m w ；德国的v e n s y s 公司 推出了v 6 21 2 m w 直驱外转子永磁风力发电机组。不久前，瑞典的a b b 公司也推 出了名为“w i n d f o r m e r 的风力发电机，其转子采用多级永磁钢制成，全部定子 由一整根高压电缆绕成，采用直驱方式连接，而其单机容量为3 m w ，最大容量达 到了5 m w 。 4 硕f ：学位论文 1 3 低电压穿越技术国内外发展现状与趋势 近年来世界风力发电发展十分迅速，其容量每年以3 0 的速度持续递增，到 2 0 0 5 年装机容量达1 1 8 0 0 m w ，到2 0 2 0 年可满足世界1 0 的电力需要i2 。由于风力 发电系统在电网中的影响的不断加大，世界各国纷纷制定了针对大型风力发电机 的并网运行标准。这些电网运行标准都要求风力发电机组能够在电力系统有较大 波动时保持在线连接，并在故障清除后向电网提供无功支持：在电网需要时，能 快速向电网提供无功功率，调节电网电压和稳定电网1 4 j 。 低电压穿越l v r t ，指在风机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚 至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越 这个低电压时间( 区域) 。低电压穿越技术是风力发电系统中的一个非常关键的技 术之一，关系着风力发电的大规模应用1 5 j 。 欧洲在风力发电领域起步较早，发展很快，在一些北欧国家，例如丹麦、德 国等，风力发电已经成为了一种主要的能源形式。因此这些国家对于风力发电的 研究已经处于世界领先水平，形成了许多风力发电专有的技术标准，其中包含了 风力发电机故障运行的内容，对风力发电机组的并网运行特性进行了详细的规定， 图1 4 为欧洲e o n 标准中的低电压穿越能力曲线。在图中实线以上部分所示的区 域不允许风力发电机脱离电网，只有在实线以下区域才允许风力发电机脱离，并 且风力发电机组需要根据图中实线在5 0 0 3 0 0 0 m s 中上升的斜率来向系统发出无 功功率，加快系统恢复的速度。这表明在电网电压发生瞬时跌落的情况下风力发 电机不能像以往一样可以随意脱离电网，需要像传统的火力发电机组一样，在电 网故障时为电网提供支撑。 i 黝钐形黝钐黝 。i 电压下限值 万獬钐形黝 豸黝黝 i 故障发生时刻 图1 4 欧洲e o n 标准中的低电压穿越能力曲线 目前我国自“十五”以来已对风力发电机组理想电网条件下的运行控制进行 了较为深入的分析和研究。但在工程实际中电网表现出非理想特性，电压跌落就 是一种比较常见的故障形式，研究这种故障下风电机组的行为、特性，提高风力 发电机组对这种故障的适应能力，已成为目前国外研究的热点，国内对此研究很 直驱犁水磁风力发电系统低【u h i 穿越技术研究 少【6 1 。然而新的电网运行规则要求，在外部电网故障下，风力发电机组具有连续 运行能力，这就要求在诸如电压跌落的扰动下发电机不能从电网上解列，以免引 发更大的后续扰动和更严重的故障。为适应新的电网运行规则，在电压跌落时需 保证发电机仍然连接在电网上。 国内外大量文献报道了在电压跌落时双馈风力发电机组的运行情况【6 j 。电压 跌落时会导致转子侧过电流，转子侧电流的迅速增加还会导致直流侧电压升高， 发电机侧变流器的电流及有功、无功功率都会产生震荡【_ 7 8 】。双馈发电机在电网电 压瞬间跌落时，定子磁链不能跟随电压突变，会产生直流分量1 9 j 。由于及分量的 减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转产生较大的转差，这样便会引 起转子回路产生过电压和过电流【l o ，1 1 1 。不对称障碍会使过电压、过电流现象更加 严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的转差。过电 流会损害变流器，过电压会损坏发电机的转子绕组。为了保护连接在转子侧的变 流器，采用过电压、过电流保护措施势在必行【l2 。 直驱永磁风力发电系统由于风力发电机组与电网之间通过背靠背全功率变流 器实现隔离，低电压运行能力上相对于双馈风力发电机组具有一定的优势，但是 其直流侧也存在过电压的问题【l 引。当电网电压跌落时，永磁直驱型风力发电系统 变流器将增加电流，以便提供同样大小的功率给电网，由于变流器热容量有限， 因此必须对输入电流进行限制；当电压跌落幅度较大时，直流侧电容的输入和输 出功率会发生不平衡，输入功率大于输出功率，如果直流侧不采取措施，直流侧 电压将会升高，损坏变流器。 低电压穿越技术不仅包含要对上述过电流、过电压进行抑制技术，同时还包 含实现电网故障排除后向电网输出无功，支持电网恢复的技术。 目前，国外的风电机组制造厂商大多能够生产出具有低电压穿越要求的风电 机组，虽然国内已有部分厂家实现了兆瓦级大功率风电机组的国产化，但大多都 不具备低电压穿越能力，不能很好的满足电网安全需求。且国内对该技术的研究 还很少涉及。因此，加强对风电机组低电压穿越技术的研究，对获得风力发电机 组关键技术，提高风电机组的可靠性和风电场稳定性都具有重要意义1 6 j 。 1 4 本论文的主要研究内容 本文主要研究直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术。 本文首先简述风力发电研究背景与意义，介绍了风力发电系统的几种主要机 型，对低电压穿越技术国内外发展现状与趋势和低电压穿越技术所要解决的问题 进行了简要的介绍。 第二章介绍风力机基础理论，建立风力机数学模型。介绍了背靠背双p w m 直 驱永磁风力发电系统的运行原理，建立了永磁发电机的数学模型。接着对永磁发 6 硕。1 ：学位论义 电机采用幻= 0 转子磁链定向的矢量控制策略；对并网侧逆变器采用电网电压定向 策略，实现功率因数可控；应用s i m u l i n k 对直驱型永磁风力发电系统进行了动态 仿真。 第三章运用s i m u l i n k 模拟电网电压故障，并对直驱型永磁风力发电系统在电 网三相对称电压跌落条件下进行特性分析。采用机侧功率控制及直流侧限制过电 压等策略提高直驱型永磁风力发电系统低电压穿越能力。应用s i m u l i n k 对上述控 制策略的效果进行仿真验证。 第四章分析了直驱永磁同步风力发电机组网侧变流器在电网发生不平衡故障 时功率传输特性，提出了一种基于正负序电压分别定向矢量控制策略( p n v o c ) 有效的平抑直流侧母线电压震荡。并在直驱永磁同步风力发电机组直流侧增加能 量泄放回路，通过滞环控制使直流侧母线电压偏高时泄放能量，抑制直流侧过电 压。最后运用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，对p n v o c 控制策略进行仿真验证，并 结合直流侧能量泄放回路，实现直驱永磁同步风力发电机组在电网发生单相接地、 两相接地与两相短路三种不对称故障时不脱网运行。 直驱型永磁风力发乜系统低f 乜压穿越技术研究 第2 章直驱型永磁风力发电系统的建模与仿真 2 1 风力机的建模与分析 2 1 1 风能的计算 由流体力学可知，气流的动能为【1 4 】 e ：! 聊v 2 2 式中：聊为气体的质量；，为气体的速度。 设单位时间内气流流过截面积为s 的气体的体积为n 则 矿= 跏 如果以p 表示空气密度，该体积的空气质量为 这时气流所具有的动能为： m 亍p y = p s v e ：! p 西3 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 即为风能的表达式。 在国际单位制，p 的单位是k g m 3 ；y 的单位是m 3 ；v 的单位是m s ；e 的 单位是w 。从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比， 与气流速度的立方成正比。其中p 和 ，随地理位置、海拔、地形等因素而变。 2 1 2 自由流场中的风能 风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹( b e t z ) 于19 2 6 年建立的。贝兹假定 风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力； 此外，假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度 为轴向方向。图2 1 为风轮在流动的大气中的情况示意图【l 4 。 并规定： ，l 为距离风力机一定距离的上游风速；v 为通过风轮时的实际风速； v 2 为离风轮远处的下游风速。设通过风轮的气流其上游截面为s l ，下游截面为。 由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而v 2 必然低于1 ，l ，所以通过风 轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即大于s l 。如果假定空气是不可压缩 8 硕l ：学位论文 的，由连续条件可得 s h = - 跏= 曼，2 ac bd 图2 1 风轮的气流图 风作用在风轮上的力可由e u l e r 理论写出： 故风轮吸收的功率为： f = p 跏( v l v j ) ( 2 6 ) 尸= 凡= p 跏2 ( q 一屹)( 2 7 ) 此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为： 丝= 丢p 跏( 砰一谚) 令式( 2 7 ) 与式( 2 8 ) 相等，得到： v ：世 2 作用在风轮上的力和提供的功率可写为： f = 圭p 跏( 评一吒) 尸= 丢p 研( 订一疃) ( v l + 屹) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 对于给定的上游速度v l ，可写出以，2 为函数的功率关系，将式微分得： 嘉= 丢删v ；也一) 9 ( 2 1 2 ) 直驱型水磁风力发 也系统低电j 再穿越技术研究 式黝2 = 0 有两个解：v 2 = 一v l ，没有物理意义；，2 = v ，对应于最大功率。 以v 2 = ，代入p 的表达式，得到最大功率为： 名戡= 吾p 研 二， ( 2 1 3 ) 将式( 2 13 ) 除以气流通过扫掠面s 时风所具有的，可推得风力机的理论风能利 用系数 。参2昙s p 订二 芸 0 5 9 3 ( 2 - 1 4 ) 2 7 、 式( 2 1 4 ) 即为著名的贝兹理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取 的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异， 因此，风力机的实际风能利用系数c 口 魄时，整流器既可以运行于整流模式，又可以运行于有源逆变模 式；当p 魄时，整流器则运行于整流模式2 。为分析方便，首先定义二值逻辑 开关函数为： & = 亿篇焉，徽忙驼p 亿2 4 ， io 下桥臂开通，上桥臂关断 。- 一r 7 将功率开关管损耗等效电阻r 。同交流滤波电感等效电阻r 合并，且令 1 6 硕 ：学位论文 尺= 尺+ r 。，采用基尔霍夫电压定律对口相回路进行分析可建立回路方程为【2 2 ，2 3 】： 嗉+ 月乞= 乞也州+ 甜加) ( 2 2 5 ) 当口相桥臂上管导通而下管关断时，岛= l ，且z ，n = ；当口相桥臂下管导通 而上管关断时，_ = 0 ，z f 口= 0 。因此= s ，式( 2 2 5 ) 可改写成： 哮+ 尺乞= 乞邙。+ 甜脚) ( 2 2 6 ) 同理可得6 相、c 相方程如下： 考虑三相系统对称，则 联立式( 2 2 5 ) 式( 2 3 0 ) 可得 磅+ 如= 邮：+ 甜加) ( 2 2 7 ) 哮+ 她= 巳一( 屯+ 甜脚) ( 2 2 8 ) e d + e b + e c = 0 乞+ + 之= o “o = 一兰 ( _ + s ：+ s ，) j 因此，直流侧电流珏可描述为： ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 么= 乞丑s 2 黾+ s 2 + 之s 3 是而+ ( 乞+ ) _ s 2 邑+ ( 乞+ 之) 置为s 2 + ( 毛+ f f ) 是岛+ ( + + t ) 置j 2 墨( 2 3 2 ) = 乞+ s 2 + t s 3 另外，在图2 9 中对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： c 警都t 忡：邯，一警 可以得到p w m 整流器的一般数学模型如下【2 3 ，2 4 】： ( 2 3 3 ) 直驱犁水磁风力发电系统低i 乜压穿越技术研究 一s l z f d b2 甜o 一岛z 么2 甜o s 彘2 n o c 警都 矿 警 该式可以写成矩阵形式： = 一全 茎 一圭 21l 333 l21 333 1l2 333 ( 2 3 4 ) 髀圭豳亿 警= 吉t s 是s ， | 一吉k 2 3 中间直流环节数学模型 由电工理论可知，对直流滤波电容c 的储存能量可按式( 2 3 7 ) 计算，即 w ：委c 暖 么 背靠背双p w m 功率流向图见图2 1 0 所示【2 4 1 。 机侧变流器网侧变流器 图2 1 0 背靠背双p w m 功率流向图 ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 图2 1o 中一为发电机输出的有功功率，以网侧变流器的输出功率；以为流 过电容电流的有功功率，在忽略电容损耗的情况下，这部分能量被储存在电容器 1 8 0 0 0 戤 戤 肚 一 一 一 以一班如一衍啦瓦 三 一 一 一 口勺 口叶 口t 以i 以i 以百 ? 乙n p d dp d = 7 7 0 7 f l n 上p f = t n l 中；p 出l 为机侧变流器的直流输出功率，尸出2 为网侧变流器的直流输出功率，即 负载功率。 又因为： = 詈= 三c 丢暖d t2d t “ 联立式( 2 3 8 ) 和式( 2 3 9 ) 得： 圭c 丢暖= 吃。一兄： ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 对于网侧变流器，在忽略线路损耗和功率器件损耗的情况下，运用交流侧与 直流侧功率平衡关系可得： 3 吃z2 乞= 丢( 妇+ 名。) ( 2 4 1 ) 同理对于机侧变流器，在忽略线路损耗和功率器件损耗的情况下，运用交流 侧与直流侧功率平衡关系可得： 气 吃- 2 p = 吾( y 耐0 + ) ( 2 4 2 ) 式( 2 4 0 ) 中含有直流电压的平方项，不利于直流电压作为被控量的控制系统设 计，为此，可定义一个新变量甜。且令： u = 暖( 2 4 3 ) 将式( 2 4 3 ) 代入式( 2 4 0 ) 得： 丢c 要u ：如l 一匕2 ( 2 4 4 ) 2衍 “卵2 ”。7 2 4 网侧p w m 变换器控制策略 2 4 1 电网电压定向矢量控制 将三相静止坐标系下的变换器数学模型变换经