雙饋變速風電機組低電壓穿越控制方案

分析了變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的工作原理,建立了包含變頻器的雙饋風力發(fā)電機組動態(tài)數(shù)學模型,并利用matlab/simulink軟件搭建了并網(wǎng)型雙饋風力發(fā)電機組的仿真模塊,通過仿真試驗分析了外部電網(wǎng)故障下變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組的低電壓穿越功能,為變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組在大型并網(wǎng)風電場中的應用提供了可靠的理論依據(jù)。

電力變流器的變速風電機組技術性能先進,使得其應用也越來越廣泛。當風電機組的外部出現(xiàn)短路故障的時候,其機組的內(nèi)部就會產(chǎn)生短路電流,此時需要對風電機組的設備安全及電網(wǎng)的穩(wěn)定性進行保護,這就需要風電機組具有低電壓穿越能力。本文的研究共分為三個部分,第一部分主要是對風電機組低電壓穿越能力的基本概念進行闡述,第二部分簡要介紹了我國風電并網(wǎng)低電壓穿越的有關技術指標,第三部分對變速風電機組低電壓穿越功能及原理進行了一定的說明。

本文的研究內(nèi)容共分為三個部分,首先是對低電壓穿越能力定義,然后以此引出了低電壓穿越的技術類型,最后一部分主要研究的是低電壓穿越模型建立的原理。

應對全國范圍內(nèi)迅速展開的風電各系統(tǒng)多種形式的并網(wǎng)試驗測試,文章給出了雙饋異步風力發(fā)電機組針對低電壓故障穿越(低穿)的一種新的控制方案,即過載超調(diào)策略。原有的控制策略存在振動等不穩(wěn)定因素,功率"凹坑"和有功出力恢復緩慢等一系列技術難題。而過載超調(diào)控制策略是在國外主控廠家控制策略的基礎上,加以創(chuàng)新性質(zhì)的完善改進工作,突破了低穿控制策略技術的封閉。本研究以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為技術支撐,加之科學理論分析,對于確定詳細的風機并網(wǎng)測試低穿認證具有重要的指導意義和實用價值。

隨著并網(wǎng)大型風電場裝機容量的逐年增長,低電壓穿越(lvrt)能力已經(jīng)逐漸成為風電機組并網(wǎng)的一個重要指標。文中提出了一種利用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(dvr)輔助風電機組在電網(wǎng)電壓跌落工況下實現(xiàn)lvrt的策略。dvr串聯(lián)接入風電機組機端和電網(wǎng)公共連接點(pcc)之間,電網(wǎng)電壓正常時通過靜態(tài)開關柜將其旁路,電網(wǎng)電壓跌落時利用反壓技術進行快速投切,dvr通過調(diào)節(jié)使風電機組機端電壓維持正常;同時,dvr在風電機組和電網(wǎng)之間提供功率通道,利用直流母線上的剎車電阻消耗掉過剩功率,保證直流電容電壓的穩(wěn)定及風電機組的正常運行。利用恒速異步風力發(fā)電機(fsig)配合dvr建立了仿真模型和實驗平臺,給出了在pscad/emtdc環(huán)境下的仿真及實驗結(jié)果。

新電網(wǎng)運行規(guī)則要求風力發(fā)電機組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行,并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行,要求風電機組具有一定低電壓穿越能力。由于雙饋感應發(fā)電機(dfig)勵磁變換器容量有限,電網(wǎng)故障時會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子過電流和變換器直流環(huán)節(jié)過電壓.須實行保護和控制。本文對國內(nèi)外學術界和工程界對電網(wǎng)故障時雙饋感應發(fā)電機的保護原理與控制策略進行了大量研究。以便具體設計時根據(jù)要求合理選擇。

本次研究的主要目的就是針對風電機組低電壓穿越測試的相關技術進行深入分析和探討,希望能夠滿足實際的電力工作需求,也為風電大規(guī)模的融合體系保證安全生產(chǎn)的實際需求。

提出了一種將閉環(huán)極點配置到滿足動態(tài)響應區(qū)域內(nèi)的增益調(diào)度lpv(linearparametervarying)魯棒h_∞控制器設計新方法,以解決機組的動態(tài)穩(wěn)定性問題。利用lpv的凸分解方法,將風電機組線性化模型化為具有凸多面體結(jié)構(gòu)的lpv模型,然后利用lmi(liinearmatrixinequalities)方法對凸多面體各頂點分別設計滿足h_∞性能和閉環(huán)極點配置的反饋增益,再利用各頂點設計的反饋控制器綜合得到具有凸多面體結(jié)構(gòu)的lpv控制器。與pid控制的仿真結(jié)果相比較,驗證了該控制器具有良好的控制性能。

提出了不平衡電網(wǎng)電壓下雙饋發(fā)電機的控制策略,并建立了雙饋發(fā)電機在正、反旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型。在此基礎上推導和分析了電網(wǎng)電壓不平衡條件下雙饋發(fā)電機輸出的瞬時有功、無功功率的組成。提出了4種可供選擇的不平衡電壓控制方案,并給出了不同控制目標下轉(zhuǎn)子的正、負序電流目標值的計算原則。通過matlab/simulink仿真驗證了控制方案的有效性。

針對在風電機組完成設計之前,需要對機組輸出功率性能作出預測的問題,介紹了雙饋變速恒頻風電機組的系統(tǒng)模型,包括風速、風輪、發(fā)電機和變頻器的數(shù)學模型;根據(jù)葉輪原動機輸入的機械能和機組的發(fā)電功率曲線,研究雙饋發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性、功率關系;基于sut-1500風機模型的參數(shù),利用matlab軟件仿真機組的功率輸出特性.研究結(jié)果表明,對于雙饋變速恒頻風電機組,在低于發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速時,通過調(diào)節(jié)功率因數(shù),可以實現(xiàn)機組的最大功率輸出,提高機組的運行效率和性能,給機組的控制方案設計提供了參考.

概述了雙饋風機低電壓穿越要求,分析了雙饋風機低電壓穿越原理,介紹了國內(nèi)外雙饋風機低電壓穿越技術。

為了研究電網(wǎng)電壓不平衡時雙饋風電機組運行特性,從分析負序基波電壓對交直交變頻器影響入手,得出了網(wǎng)側(cè)變頻器的交流側(cè)電壓會產(chǎn)生奇數(shù)次諧波,直流側(cè)電容電壓會產(chǎn)生偶數(shù)次紋波分量,雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定子輸出有功功率出現(xiàn)偶數(shù)次頻率的分量。負序分量會造成網(wǎng)側(cè)電流畸變,惡化電能質(zhì)量。

為了有效減少變速恒頻雙饋風電機組額定風速以上時的功率和轉(zhuǎn)速波動,提出了一種同時考慮槳距角和雙饋感應發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電壓調(diào)節(jié)的新型恒功率控制策略。在分析風力機特性和雙饋感應發(fā)電機基本電磁關系的基礎上,建立了變速恒頻雙饋風電機組的非線性數(shù)學模型,并利用反饋線性化理論設計了非線性控制器。仿真結(jié)果表明,所提出的控制策略與現(xiàn)存的僅考慮槳距角或電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的恒功率控制策略相比,具有更好的功率調(diào)節(jié)特性。

雙饋發(fā)電機屬于變速恒頻發(fā)電機,當風速超出額定風速時,采用變漿距技術使輸出功率維持在額定功率附近,這樣即保護了電氣系統(tǒng),又能提高風電機組的運行效率。本文基于labview平臺對雙饋風電機組變漿距控制系統(tǒng)進行建模,最終通過模擬不同風速,觀察定子輸出功率以及漿距角的變化規(guī)律。

本文從風電機組角度對兩種主流的發(fā)電方式,即雙饋式發(fā)電機組和高速永磁發(fā)電機組,進行了對比分析。計算了兩種發(fā)電方式的效率及在不同風區(qū)的年發(fā)電量,根據(jù)市場價格對各部件進行成本對比。在綜合考慮了可靠性、效率、電網(wǎng)適應性等方面后指出,兩種方式各有特點,適合客戶的不同需求。因此,作為風電機組開發(fā)商,同時開發(fā)兩種機型方能更好地適應市場的競爭。

在提出安全鏈保護范圍、設計原則的基礎上,從開關柜設計與選型、繼電保護功能配置、流程化控制、自檢閉鎖系統(tǒng)、規(guī)程設計與輔助設施等五個方面介紹了試驗裝置的安全鏈實現(xiàn)。滿足本安全鏈設計要求的風電機組移動式低電壓穿越試驗裝置能保證現(xiàn)場試驗人員及設備的安全,自動化程度高,已在測試現(xiàn)場得到了廣泛的應用。

針對風能發(fā)電器低電壓穿透方法改進問題上探討，目的是制訂風能發(fā)電器低壓透過里lvrt技巧剖析和自主crowbar通電保險剖析部分的知識，旨在促進風力發(fā)電機組低電壓穿越技術的改進與完善。

隨著風電的快速發(fā)展及近年來頻繁出現(xiàn)的風機脫網(wǎng)事故,要求并網(wǎng)風電機組具備低電壓穿越功能;本文對不同機型的低壓穿越技術方案進行分析,闡述風電場低壓穿越改造的具體措施。

雁淮特高壓直流輸電工程是國家能源局確定的重要電網(wǎng)工程項目,對于提高山西能源外送能力、擴大新能源消納范圍、緩解華東電網(wǎng)電力供需矛盾、改善大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。為了保障雁淮特高壓直流安全穩(wěn)定運行,防止其異常時產(chǎn)生暫態(tài)過電壓引發(fā)近區(qū)風電機組大規(guī)模脫網(wǎng),阻斷連鎖性電網(wǎng)事故路徑,對雁淮直流近區(qū)風電機組高電壓穿越能力進行了研究并提出相關改造建議。

本文首先闡述了高電壓故障發(fā)生根源與危害，提出了風電機組應具備高電壓穿越能力的重要性。然后詳細介紹了風電機組高電壓穿越的技術要求及考核要點。在對機組內(nèi)現(xiàn)有設備性能綜合分析的基礎上．提出了具體的技術改造要點。

針對電力系統(tǒng)或廠用電系統(tǒng)發(fā)生故障造成電壓瞬間降低時,高低壓廠用系統(tǒng)配置的低電壓保護進行簡單的介紹,對給煤機變頻器進行了說明,其中對造成給煤機變頻器的閉鎖問題進行了分析并提出了解決辦法,對今后運行有重要的指導意義。

介紹了一種簡便的1.5mw雙饋風電機組的低壓穿越改造方法,該方法不需對機組主控、變槳及變頻器進行任何改造,只要在機組并網(wǎng)點處串入一臺低壓穿越控制設備,就可使風電機組滿足gb19963—2011要求的低壓穿越能力。在電網(wǎng)故障時,該設備快速關斷主功率回路,同時輸出無功功率支撐電網(wǎng)電壓,并同步發(fā)電機定子電壓,使機組保持穩(wěn)定運行。此方法特別適用電控型號較老、低壓穿越改造成本較高的1.5mw風電機組。