随着双馈风力发电机组的广泛使用和风电并网比例的不断扩大,风电机组与电网的交互日益紧密。双馈风力发电机由于其定子直接接入电网、变流器容量有限的结构特点,在电网发生故障时会产生绕组的过电压和过电流,威胁风电机组安全,风电机组的保护停机又会造成电网有功缺额和无功错配,威胁电网稳定。对于单机容量已达到兆瓦级的大型双馈风电机组,其故障穿越是一件紧迫又具有挑战性的任务。传统的转子撬棒保护电路投入后,机侧变流器失去控制能力,属于被动保护,难以应对高比例风电并网环境下的要求。本文提出了一种定子串联阻抗配合动态无功支撑的故障穿越解决方案,可实现双馈风电机组电网高低压故障不间断运行及对电网的主动支撑作用。本文主要研究内容及工作有:首先对双馈感应风力发电系统的基本组成、控制原理进行分析,建立了双馈感应电机dq同步旋转坐标下的数学模型,研究了三相电网电压跌落下双馈感应电机的暂态响应,确定了故障穿越策略的保护重点和控制目标。根据电网故障期间DFIG定子功率边界,给出了无功支撑能力的确定方法和依据。通过比较多种串联保护方案,选定了定子串联阻抗为主保护,并给出了定投入阻抗抑制转子过流的理论依据。设计了定子串联阻抗与动态无功支撑配合的完整解决方案,实现了定子出口电压的完全补偿,并给出了串联阻抗的整定方法。该方法实现了0.2～1.3p.u的电网高、低电压综合故障安全穿越,能够同时保护定、转子绕组,并提供并网导则所要求的无功电流。针对定子串联阻抗的快速投切要求,分析了用于串联阻抗投切的快速开关性能要求,并研究了已有的投切开关优势及劣势。设计了超快速断路器与换流回路配合的串联阻抗投切开关,具有正常工况下损耗小、故障发生时能够快速动作的优势,能够满足定子串联阻抗保护要求,具有工程上的实用价值。建立了针对风机故障穿越研究的2MW并联变流器风机硬件在环半实物仿真平台,详细阐述了该平台的软件、硬件构成。该平台验证了上述动态无功支撑策略的低电压穿越、高电压穿越的有效性,并检验了本文方案的无功支撑能力。
