电气工程及其自动化毕业设计-直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究.doc

1、i 本科毕业论文（20 届）直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii 目 录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 国内风电产业发展趋势 .11.2 目前低电压穿越技术研究情况 .21.3 中国低电压穿越技术的标准 .22 直驱式风力发电系统数学模型 .32.1 直驱式风力发电机组概述 .32.2 风轮的数学模型与分析 .32.3 永磁发电机的数学模型 .42.3.1 永磁发电机于三相静止坐标下的数学模型 .42.3.2 永磁发电机于两相旋转坐标系下的数学模型 .52.4 电网侧 PWM 变流器数学模型 .62.5 变

2、流器直流侧电容数学模型 .73 直驱式风电机组的控制策略 .83.1 空间矢量脉宽调制技术 .83.2 PWM 变流器的控制策略 .93.3 电机侧变流器控制策略 .103.4 电网侧变流器控制策略 .113.5 风轮的桨叶节距角控制策略 .124 直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究 .124.1 风电并网对电网的影响 .134.2 电网故障对直驱式风电机组的影响 .134.3 撬棒保护电路的原理 .144.3.1 定子侧撬棒电路的保护 .144.3.2 电网侧撬棒电路的保护 .154.4 直流侧撬棒电路的保护 .154.5 基于并联耗能电阻撬棒保护的改进 .164.6 基于 MATLAB

3、的仿真分析 .175 总结与展望 .21参考文献 .22致谢 .23iii ContentsAbstract .II1 Introduction.11.1 Domestic wind power industry development trend .11.2 Low voltage across technology research situation at present.21.3 Low voltage through technology standard in China .22 Direct drive wind power system mathematical model .

4、32.1 Summary of direct drive wind turbine .32.2 The mathematical model of wind turbines and analysis .32.3 The mathematical model of permanent magnet generator .42.3.1 The mathematical model of three-phase static coordinates .42.3.2 Mathematical model of two phase rotating coordinate system.52.4 PWM

5、 generator side converter mathematical model .62.5 A mathematical model converter dc side capacitor .73 The control strategies of direct drive wind turbines .83.1Space vector pulse width modulation technology .83.2 PWM converter control strategy .93.3 Motor side converter control strategy .103.4 The

6、 grid side converter control strategy .113.5 The rotor blade pitch Angle control strategy .124 Low voltage through the technical research .124.1 The influence of wind power grid to power grid .124.2 Power grid failure for the influence of direct drive wind turbines .134.3 The principle of lever prot

7、ection circuit .144.3.1 The protection of the stator side lever circuit .144.3.2 The protection of the grid side lever circuit .144.4 Lever in dc side circuit protection .154.5 Based on the parallel resistance energy consumption lever protection improvement .164.6Based on the MATLAB simulation analy

8、sis .17Summary and outlook.22Acknowledgement. .23iv I 直驱式风力发电系统低电压穿越技术研究摘要：由于人类过快的发展速度，能源的可持续性已是严峻的问题。近年来，风能是可持续零污染能源的代表，正在快速发展中。与此同时风电在电网中占的比重持续走高，故风电的稳定性引起大家的重视。故要求其具有低电压穿越能力，即就是指风力发电机的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。本文将对直驱式风力发电系统低电压穿越技术开展研究，具体内容如下：首先，对国内各省风力发展趋势和国内低电压穿越标准进行概述，

9、以及介绍当前低电压技术研究情况。然后，介绍风轮的数学模型，分析在什么条件下风轮获取最大风能；分析风力机主要部分（永磁发电机和变流器）的数学模型以及原理；分析电容直流侧数学模型。其次，阐释空间矢量脉宽调制技术，分析不同的变流器控制方法，详细分析电机侧和电网侧变流器的控制策略，以及分析桨叶节距角的控制策略，最终确定在电机侧控制策略下进行Matlab 仿真分析。最后，分析电网侧故障对风力机系统造成的影响，确立在风力机直流侧并联撬棒电路进行保护，在原来撬棒电路的基础上，本文添加一个功率控制器使低电压穿越能力增强，通过过Matlab simulink 仿真验证该方案。关键词：风力发电 低电压穿越 撬棒电

10、路II Direct drive wind power system low voltage through the technicalresearchAbstract Due to the development of the human too fast speed, energy sustainability is a serious problem.In recent years, wind power is a representative of the sustainable energy zero pollution, is developing rapidly. At the

11、same time in proportion of wind power in power grid is increasing, so the stability of the wind cause everyones attention. Therefore, requires the ability to its low voltage across,Is reduced to a permanent magnet wind generator terminal voltage value but not break away from the power grid running,

12、And at the same time can provide a certain amount of reactive power for the system to help ones capacity to voltage of power grid. This paper will begin to research direct drive wind power system low voltage through the technical , the concrete content is as follows:First,Summarizing provinces for d

13、omestic development trend of the wind and the domestic low voltage through standard , and introducingas well the current low voltage technology research situation. Then introducing the mathematical model of wind turbines, analysis under what conditions capture the maximum wind turbines wind; Analysi

14、s of wind turbine main parts (permanent magnet generator and converter) mathematical model as well as the principle; A mathematical model analysis of dc side capacitor.Then introducing the space vector pulse width modulation technology, the analysis of different control method of the converter, a de

15、tailed analysis of the motor side and grid side converter control strategy, and analysis of blade pitch Angle control strategy, ultimately determine the Mtlab simulation analysis is carried out under the motor control strategy.Last analyzing grid side of the failure of the impact of wind turbine sys

16、tem, establish the wind machine lever in parallel circuit in dc side, on the basis of the original lever circuit, this paper add a power controller to make low voltage across, through Mtlab simulink simulation verify the scheme. Keywords: Wind power generation；Low voltage across；crowbar circuit1 1 绪

17、论1.1 国内风电产业发展趋势图 1 -1 2004-2014 中国新增和累计装机容量由图 1-1 明显可以看出，近 10 年来中国风力发电的高速发展。总装机容量由 2004 年的743MW 增长到 2014 年的 114609MW。且每年的增长速度都保持在较高的水平，在 2014 年新增加的风力发电机容量达到了 23196MW，接近了 2009 年的累计装机水平，足以体现我国对风力发电的重视。由国家能源局统计数据显示，截至 2014 年底，全国并网风电装机容量达 9581 万千瓦，占全国发电机总容量的 6.95%。图 1-2 2004-2014 中国各地区新增装机容量由图 1-2 能够看出近

18、 10 年我国各省市新增加的风力发电机容量的情况，其中西北地区于 2014 年装机容量增长速度最快，所占比例达到全国的 52.5%。甘肃省比同期增长达到 487.9%，宁夏自治区比同期增长 91.43%,内蒙古自治区比同期增加 29.45%，山西省比同期增加 17.96%。由国家能源局统计数据显示，截至 2014 年底我国各省市累计装机总量排名内蒙古自治区依然高居首位，总装机量可达 22312.31MW，占全国的 19.6%。排在第二位是甘肃省占 9.36%，河北省和新疆省比例差不多，分别为 8.61%和 8.44%。2 1.2 目前低电压穿越技术研究情况低电压穿越（Low voltage r

19、ide through，LVRT），是指当风电机组并网点电压跌落的时候，风电机组能够保持并网，并且向电网提供一定的无功功率用以支持电网恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越” 这段低电压时间的能力。低电压穿越技术的钻研是非常有必要的，据 2011 年风电安全监管报告统计：仅2011 年一年，我国发生 12 次 50 万千瓦风电场脱网的重大事故，发生 193 次 10 万千瓦风电场脱网的事故。其中主要原因即是局部风力发电机并不具有低电压穿越的能力，与此同时于系统故障期间没有发挥出提供无功功率的作用。当前风力发电机制造厂家广泛用的方法为发电机的转子侧的电路提供旁路电路，旁路电路一般采用 crowb

20、ar 电路。工作原理是当电网系统因为故障而发生电压跌落时，将感应发电机、励磁变流器，同时投入转子 crowbar 电路的保护装置（作用是释放能量）,从而削弱了经过励磁变流器的电流、转子绕组过电压的作用，从而保证了发电机持续并网运行。安装的顺序是将 crowbar 电路接在变流器的输出侧，先通过散热电阻,再进入三相全桥,每一桥臂上半部分为晶闸管，下半部分为一二极管，直流输出经铜排短接。低电压情况产生后,无功电流有功电流均会在短时间内会发生震荡情况，过电流在以热量的形式在散热电阻上消耗,根据不同的标准，不同的电压跌落值决定持续时间。1.3 中国低电压穿越技术的标准2011 年 ， 中 国 电 科

21、院 根 据 国 际 能 源 局 关 于 委 托 开 展 风 电 网 技 术 标 准 编 制 工 作的 函 编 制 了 行 业 标 准 大 型 风 电 场 并 网 设 计 技 术 规 范 ， 此 标 准 和 订 正 后 的 国 家 标准 风 电 场 接 入 电 力 系 统 技 术 规 定 共 同 规 定 了 风 电 场 并 入 电 网 的 相 干 要 求 。 风 电 场 接 入 电 力 系 统 技 术 规 定 是 我 国 第 一 个 关 于 风 电 场 并 入 电 网 的 文 件 ， 考虑 到 当 时 的 机 组 制 造 水 平 ， 以 及 风 力 发 电 的 规 模 ， 故 适 当 降 低 了

22、 对 风 电 技 术 的 要 求 ，仅 仅 提 出 一 些 原 则 性 的 规 定 。 新 文 件 补 充 了 有 关 风 力 发 电 电 场 的 有 功 调 控 ， 无 功 调 控 ，以 及 电 网 发 生 紧 急 情 况 的 自 我 调 控 能 力 ， 测 试 风 电 场 安 全 性 以 及 通 讯 情 况 ， 采 集SCADA 数 据 与 实 时 监 测 发 电 系 统 等 方 面 的 要 求 ， 保 证 了 不 同 规 模 的 风 电 场 并 入 电 网 后的 稳 定 运 行 。 新 标 准 侧 重 解 决 的 问 题 是 风 力 发 电 机 组 技 术 水 平 较 低 。 而 解 决

23、 低 电 压 穿越 的 问 题 ， 是 风 力 发 电 系 统 的 重 点 研 究 方 向 ， 故 研 究 直 驱 式 风 力 发 电 技 术 是 十 分 有 价值 与 现 实 意 义 的 。新 标 准 中 关 于 低 电 压 穿 越 问 题 的 描 述 如 下 ： a)对 于 风 电 装 机 容 量 和 总 电 源 容 量 相比 大 于 5%的 省 （ 自 治 区 ） 级 电 力 系 统 ， 其 控 制 范 围 内 内 新 增 运 转 的 风 电 场 应 具 备 低 电压 穿 越 能 力 。 由 电 网 故 障 引 起 电 压 跌 落 至 额 定 电 压 的 20%时 ， 要 求 风 力 发

24、 电 机 组 不脱 网 不 间 断 运 转 0.625s。 b)风 电 场 并 网 点 电 压 在 产 生 跌 落 的 2s 内 ， 可 以 恢 复 到 额 定电 压 的 90%， 并 且 风 电 机 组 保 证 不 脱 离 电 网 继 续 运 转 。3 图 1-3 低 电 压 穿 越 规 定 时 间 图2 直驱式风力发电系统数学模型2.1 直驱式风力发电机组概述直驱式风力发电机是一种直接由风力驱动的发电机，采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，避免了通过齿轮箱连接。齿轮箱这一部件在兆瓦级风力发电机中属于易于过载及损坏的部件，因此直驱式风力电机具有低风速时高效率，高寿命，低噪音，电网接入性

25、能优异，运行维护成本低等优点。但是同时为了提高发电效率，发电机的极数通常在 100 极左右，故发电机结构变得复杂，且永磁材料和稀土使用的增加了一些不确定因素。直驱永磁风力发电机组由风轮，永磁发电机，整流器，逆变器，滤波电感，变压器组成。风轮吸收风能转化为机械能通过主轴传递给永磁发电机发电，发出的电能通过全功率变流器后通过升压变压器并入电网。图 2-1 直驱式风力发电机拓扑结构2.2 风轮的数学模型与分析风轮从气流中吸收的能量的方程可表示为：（2-1 ）),(2132pwCVRP公式中：（kg/m3）指空气密度;R（m）指风轮半径;Vw （m/s）指风速;C p 指的是风4 能利用系数; 指桨叶

26、节距角; 指叶尖速比,是风轮叶尖线速度与风速的比值，叶片越长同风速下叶尖速比越大。图 2-2 风能利用系数关系图其中风能利用系数是评定风轮气动特性优劣的主要参数，表示了风力发电机将风能转化为电能的转化效率，其大小与叶尖速比与桨叶节距角有关。具体的关系可见图 2-2，由图可以看出在叶尖速比不变的条件下，桨叶节距角越小，风能利用系数越大，而且有凸型曲线可以看出，在特定桨叶节距角的条件下，存在最大风能利用系数。而且由图 2-2还可以得出，风能利用系数并不是任意上升的，根据贝茨理论，对于水平轴风力发电机，理想情况下风能转化为机械能的极限比值为 60%。Cp 的数学表达式为（2-2）ieCp 5.12i

27、4.016.2)( ）（，（2-3）35.8.01i由式 2-2 可以看出 Cp 是随叶尖速比和桨叶节距角变化而变化的，通常桨叶节距角是不变化的，在某一风速的情况下，通过调整风机的转速使叶尖速比处于最优比值，从而使风轮捕获最大的风能。2.3 永磁发电机的数学模型2.3.1 永磁发电机于三相静止坐标下的数学模型永磁发电机的转子采用高磁场永磁体代替电磁线圈，为了提高发电效率，发电机的极数通常非常大，通常在 100 极左右，且大多为稀土制作而成。为简化数学分析的过程，要做以下的假设：1)忽略谐波效应，定子三相绕组互差 120 度，产生理想正弦磁动势。2)假设各相绕组的电感，阻值是恒定的。3)不计永磁发电机的涡流损耗和磁滞损耗。4)转子上无阻尼作用。本文在分析永磁发电机的电磁关系时，依照惯例，正电流由端电压正极性端流出，定子绕组正电流产生对应负磁链，各绕组正方向即轴线正方向。电压方程为：