直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术研究

风力发电近年来发展迅猛,平均年增长率达到28%。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PWM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PWM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id=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Matlab/Simulink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Crowbar,基于储能Crowbar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Matlab/Simulink,采用储能Crowbar,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(PN-VOC)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Matlab/Simulink工具箱,对PN-VOC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。