风力发电系统的低电压穿越及控制策略研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.09MB 67 页 15积分

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摘要

本文围绕着含规模化新能源电力系统动力学特性及风电接入电网后对电压稳

定性问题进行深入研究，研究成果如下：

1. 对风速模型、风力机和双馈风力发电系统原理进行阐述，重点对双馈型风

力发电系统进行了稳态和暂态建模，分析了 DFIG 发电系统提高低电压运行能力的

思路和方法。

2. 双馈风力发电系统电压跌落的暂态特性分析。为了研究双馈风力发电机在

电压故障情况下的穿越特性，采用了六台相同型号的 1.5MW 双馈风电机组构成风

电系统仿真模型。主要针对风速突变、电网电压跌落、单相接地线故障、三相短

路故障这四种情况对电网和风电场各节点的电压、电流波动引起的功率变化进行

仿真分析，揭示了双馈式风力发电机在上述情况下的运行状态及变化规律。

3. 对风电场电压跌落后的低电压穿越和转子过流问题进行深入研究。采用直

流侧添加耗能型 Crowbar 保护电路的保护方案，消耗直流母线上多余的能量，缓

解直流母线电压的急剧上升，从而实现风力发电系统的低电压穿越。仿真结果表

明，在电网电压跌落后，Crowbar 电路适时的切入可使转子电流迅速衰减，保证风

机不脱网及风力发电系统的稳定运行。并通过理论计算来确定 Crowbar 电路最优

电阻的取值范围，再从该范围内选取平均样值来进行仿真分析。

4. 提出一种改进的前馈控制策略，用以提高系统对负载扰动的抗干扰能力。

仿真结果验证了改控制策略的有效性，能使 PMW 变流器在电压跌落的情况下，使

直流母线的电压稳定。

关键词：风电并网低电压穿越双馈风电机组 Crowbar 电路前馈控制

ABSTRACT

This dissertation focuses on the dynamics characteristics of new energy power

systems and the problem of voltage stability after wind power connected to the grid.

The results of research are as below:

1.Take a introduction about the wind speed model、wind turbine and the principle

of DFIG wind system, which built the steady-state model of DFIG and transient model

of DFIG. It is revealed that the method and way how to improve the operation ability

when DFIG worked under the low voltage.

2. Analysis of transient characteristics of DFIG system when voltage droped. In

order to study the across characteristics of DFIG under the fault conditions in voltage,

using a wind power system simulation model consist of six 1.5MW double-fed wind

turbines. Take a simulation analysis on the change of voltage of each node of the grid

and wind farm、change of power caused by current fluctuation under four failure

conditions, which including wind speed change suddenly、voltage of grid drop、

single-phase ground fault、three-phase short circuit fault. Reveal the operating state

and change rule of DFIG working on these four failure conditions as above.

3. Research in the problem of low voltage right through(LVRT) and over-current

of rotor after the wind farm’s voltage droped. Using protection methods to consume

excess energy on the DC bus, which is energy dissipation Crowbar circuit in DC side, in

order to ease the sharp rise of voltage in the DC bus. This way to achieve the

low-voltage through wind power system. Simulation results show that after the grid

voltage droped, crowbar circuit can make rotor current decrease rapidly. To ensure the

wind turbines don’t work off the grid network, which make a stable operation in wind

power system. And through theoretical calculation to make sure the range of the optimal

resistance. Then pick out the several average samples between the range to simulation

and analysis.

4. Propose an improved feedforward control strategy to improve the

anti-interference ability to load disturbance and voltage droped of system. The result of

simulation verified that control strategy is effective and when the grid voltage droped,

the PWM converter can work and keep a stable voltage value of DC bus. And verified

by simulations.

Keywords: wind power, LVRT, doubly-fed inductor generator wind

turbines, feed-forward control, Crowbar circuit

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1 课题背景 ................................................... 1

1.2 国内外发展概况 .............................................. 2

1.2.1 国外概况 ................................................ 2

1.2.2 国内概况 ................................................ 3

1.3 低电压穿越技术 .............................................. 4

1.3.1 低电压穿越概述 ......................................... 4

1.3.2 低电压穿越研究现状 ...................................... 5

1.3.3 国外风电系统低电压穿越的相关规定 ........................ 5

1.3.4 国内风电系统低电压穿越的相关规定 ........................ 6

1.4 论文主要内容 ................................................ 7

第二章双馈风力发电系统的原理与建模 ................................ 8

2.1 双馈风力发电机组的结构和基本原理 ............................ 8

2.1.1 风速模型 ................................................ 8

2.1.2 风力机原理 .............................................. 9

2.1.3 变桨控制系统原理 ....................................... 10

2.1.4 双馈风力发电机组结构 ................................... 11

2.2 双馈感应电机发电系统模型及分析 ............................. 13

2.2.1 双馈感应发电机风力发电系统的稳态模型和控制方法 ......... 13

2.2.2 双馈感应发电机风力发电系统的暂态模型和控制方法 ......... 15

2.3 小结 ....................................................... 17

第三章双馈风力发电系统暂态仿真分析 ............................... 18

3.1 网侧变流器暂态特性 ......................................... 18

3.2 电网故障过程中双馈风力发电机组暂态运行特性 ................. 20

3.2.1 风速突变时，双馈风电机暂态运行特性 .................... 26

3.2.2 电网电压跌落时，双馈风电机暂态运行特性 ................. 27

3.2.3 单相接地故障时，双馈风电机暂态运行特性 ................. 29

3.2.4 三相短路故障时，双馈风电机暂态运行特性 ................. 32

3.3 小结 ...................................................... 34

第四章双馈风电系统的低电压穿越及仿真分析 ......................... 35

4.1 电压跌落描述 ............................................... 35

4.2 风电系统的电压跌落暂态特性分析 ............................. 37

4.3 DFIG 的LVRT 的实现方法 ..................................... 39

4.3.1 耗能型 Crowbar 的过电压保护方案 ......................... 40

4.4 耗能型 Crowbar 过电压保护的仿真 ............................ 41

4.4.1 不加耗能环节和储能环节的双馈风力发电系统的仿真分析 .... 42

4.4.2 增加耗能环节的双馈风力发电系统的仿真分析 ............... 43

4.5 Crowbar 电路中的最优电阻设计 .............................. 45

4.5.1 理论计算 .............................................. 45

4.5.2 仿真分析 ............................................... 47

4.6 小结 ...................................................... 50

第五章双馈风力发电机网侧 PWM 变流器低电压控制策略研究 .............. 52

5.1 传统网侧 PWM 变流器前馈控制策略 ............................. 52

5.2 改进的网侧 PWM 变流器前馈控制策略 ........................... 55

5.3 加入前馈控制的仿真分析 ..................................... 56

5.4 小结 ....................................................... 57

第六章总结与展望 ................................................. 58

6.1 工作总结 .................................................. 58

6.2 展望 ...................................................... 59

参考文献 .......................................................... 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 64

致谢 .............................................................. 65

第一章绪论

随着大规模并网型风力发电机组在全球的广泛应用，世界各地对风力发电并

网技术的研究也越来越多。本章对并网型风力发电技术进行了基本介绍，并对风

电机组在低电压运行情况下的研究现状及相关规定进行概述。

1.1 课题背景

当代，随着人口的增加，世界各国都面临着严峻的能源危机[1]；尤其是电力资

源的短缺，传统的火力发电已经满足不了人们对电力资源的巨大需求。因此，人

们把目光放在了新能源发电技术上，近年来风力发电技术的日益发展，风电装机

总容量也逐年上升，据统计，风力发电机在新能源发电机装机总容量中占第一。

截止到 2014 年底，世界各国风电累计的装机总量达到 342.5GW，风电总装机容量

同比增加 19%[2]。风电作为新能源的一种，具有其自身特点。风速的不稳定性会导

致风力发电机输出功率的波动。以前的风电场不与电网直接相连，大多属于小规

模的发电方式，且多采用小容量异步发电机[3]。由于所占的比例小，风电给电网带

来的主要影响只限于在谐波污染、电压闪变及电压波动等电能质量问题，并不会

影响大电网的安全运行[4]。

如今，各个国家对新能源的不断重视，风电也逐渐走向规模化和产业化[5]。随

着大规模风电并网技术的应用，风电系统在稳定情况下运行和调度等问题也随之

而来，所以要控制风电系统在大电网中装机量的多少，尽量减少不可控因素。风

电事业的发展要基于风电技术的突破[6]。因此，对风电机在故障情况下运行以及风

电机组在并入大电网后如何维持系统稳定等研究极具意义[7]。

近年来，我国已经对风力发电机组具备故障运行能力进行了强制性的要求，

令风力发电系统在电网故障期间不可以随意脱离电网，还必须向大电网输送一定

的无功功率，用以恢复电压升高，帮助电网恢复稳定[8]。电压跌落就是一种常见的

故障形式，根据规定，要求风场内的风机组在电网电压跌落至 20%时，风机组必须

维持工作持续 625ms，并在故障发生后的 2s 内，当电网电压恢复到 90%时，风机

组仍可以运行工作。所以，对电网电压跌落故障的研究有着重要意义，在本文中，

以双馈风电机组为例，详细分析了 DFIG 风电系统的暂态特性，以及低电压穿越的

实现方案，并提出一种改进策略，用以提高系统对电网波动的抗干扰能力。如今，

令风电机组在电网电压跌落时能够并网运行工作这一问题已成为国外研究风力发

电关键技术问题之一，但在国内研究的相对较少[9]。

上海理工大学硕士学位论文

本文结合上海市教育委员会科研创新资助项目（12ZZ197），致力于研究风电

场接入后风力发电系统低电压穿越问题，并提出一种新的控制策略作为解决方案

来应对 DFIG 电压跌落故障。

1.2 国内外发展概况

1.2.1 国外发展慨况

在全球面临经济危机的情况下，全球各国经济持续低迷的背景下，全球风力

发电事业在 2013 年仍然有良好的发展势头。据有关统计数据显示，全球风机总装

机容量在 2013 年底达到了一个新的高度，总装机容量达到了 237669MW。全球风

力发电事业在 2012 年经历了增长速率减缓，在 2013 年又实现了全球风力发电累

计装机容量的增长率超过了 20%，虽说全球风力发电累计装机容量的增长率超过

了20%，但是从总体比较来看，2013 年全球风电累计装机容量的增长率仍然在下

滑，具体数据见（表 1-1 和图 1-1）[10]。

表1-1 全球风电增长率（2008-2013）

年份新增装机/MW 增速/% 累计装机/MW 增速/%

2008 15 245

74 052

2009 19 866 30 93 820 27

2010 26 560 34 120 291 28

2011 38 610 45 158 864 32

2012 38 828 1 197 637 24

2013 40 564 4 237 669 20

数据来源：GWEC, Global Wind Report 2013

图1-1 全球风电新增装机和累计变化趋势（2009-2041 年）

在统计数据中可以发现 2014 年全球风力发电发展到达了一个新的高度，全球

风力发电的市场占有率最大还是欧洲市场、美洲和亚洲等国家继续发展风力发电

第一章绪论

事业。其中，2014 年度欧洲风电装机容量相比于 2009 年欧洲，增长了一倍多。在

其他地区，虽然涨幅不大，但依然保持风电装机容量每年递增[11]。

到目前截止，全球拥有商业运营的风电装机的国家已经达到 75 个之多，其中

风力发电装机总容量超过 1GW 的国家也达到 22 个之多。具体各个国家的风电装

机总容量见图 1-2。据统计全球风电装机总容量排名前十的国家和累计装机容量见

图1-3。

图1.2 2014 年全球风电新增装机前十位国家

图1-3 2014 年全球风电累计装机容量前十位国家

1.2.2 国内概况

我国拥有较大的土地面积，也就是说我国风能蕴含量巨大，不仅如此，我国

现在完全拥有开发风能的技术，即本国可以利用的风能的容量也很大，因此，风

能作为未来新型能源的重要组成部分，若能够合理，完善的利用好风能发电，未

来本国的电力资源将完全能够支持我国经济的发展，也能实现人类的可持续发展。

我国的风力资源主要集中在我国北部地区和我国的东南沿海地区，除此之外

我国内地也有个别地区蕴含着丰富的风能资源。我国各地区风力资源储备如表 1-2。

我国拥有这么多的风能资源当然得制定完全属于本国的风力发电计划“乘风

计划”，自从我国制定了“乘风计划”并且伴随着《可再生能源法》的实施后，

本国的风力发电装备产业得到的飞速的发展，风电市场也不断的扩大[12]。

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摘要：

摘要本文围绕着含规模化新能源电力系统动力学特性及风电接入电网后对电压稳定性问题进行深入研究，研究成果如下：1.对风速模型、风力机和双馈风力发电系统原理进行阐述，重点对双馈型风力发电系统进行了稳态和暂态建模，分析了DFIG发电系统提高低电压运行能力的思路和方法。2.双馈风力发电系统电压跌落的暂态特性分析。为了研究双馈风力发电机在电压故障情况下的穿越特性，采用了六台相同型号的1.5MW双馈风电机组构成风电系统仿真模型。主要针对风速突变、电网电压跌落、单相接地线故障、三相短路故障这四种情况对电网和风电场各节点的电压、电流波动引起的功率变化进行仿真分析，揭示了双馈式风力发电机在上述情况下的运行状态及变...

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