风力发电系统低电压运行技术

序

前言

第1章绪论

1.1风力发电的发展情况

1.2电网电压跌落对风力发电系统的影响

1.3风力发电机组的研究现状

1.3.1双馈型风力发电机组的研究现状

1.3.2直驱型风力发电机组的研究现状

1.3.2.1直驱型风力发电系统拓扑结构

1.3.2.2直驱型风力发电系统的低电压运行和无功功率控制能力

1.4国内外风力发电系统LVRT的相关规定

15小结

第2章典型风力发电系统的数学建模及暂态分析

2.1DFIG风力发电系统的数学建模及暂态分析

2.1.1DFIG风力发电系统的稳态数学模型及控制方法

2.1.2DFlG风力发电系统的暂态数学模型及控制方法

2.2直驱型风力发电系统的数学建模及暂态分析

2.2.1直驱型风力发电系统的稳态数学模型及控制方法

2.2.1.1背靠背双PWM变流器的基本控制策略

2.2.1.2永磁同步发电机的新型控制策略

2.2.2直驱型风力发电系统的暂态数学模型及控制方法

2.3小结

第3章双馈型风力发电系统的低电压运行特性

3.1电压跌落情况下DFIG的响应特性分析与仿真验证

3.1.1电压跌落期间

3.1.2电压恢复后

3.1.3仿真验证

3.2不同电压跌落情况下的DFIG响应特性

3.2.130％28电压跌落特性

3.2.250％O.5s电压跌落特性

3.2.385％0.2s电压跌落特性

3.3DFIG应对电网故障的无功功率支持策略分析

3.3.1电网电压跌落时不同无功功率补偿时刻对DFIG系统的影响

3.3.2电网电压跌落时不同无功功率补偿方法对DFIG系统的影响

3.3.3电网电压跌落时不同系统运行条件对DFIG系统的影响

3.3.4仿真分析

3.4DFIG低电压运行实验研究

3.4.1电压跌落发生器的实验结果

3.4.2转子侧Crowbar(保护)电路的实验结果

3.4.3跌落持续ls，未进行电压跌落检测的实验结果

3.4.4跌落持续200ms，未进行电压跌落检测的实验结果

3.4.5跌落持续1s，进行电压跌落检测的实验结果

3.4.6电压跌落期间进行无功功率补偿的实验结果

3.4.7实验分析

3.5小结

第4章直驱型风力发电系统的低电压运行特性

4.1两种典型直驱型风力发电系统的结构

4.1.1不可控整流+交错Boost+逆变器结构

4.1.2背靠背双PWM变流器结构

4.2提高直驱型风力发电系统低电压运行能力的直流侧卸荷电路控制策略分析

4.2.1直驱型风力发电系统在电网故障条件下的特性分析

4.2.2直流侧卸荷电路工作原理

4.2.3直流侧卸荷电路实现方法

4.3不可控整流+交错Boost+逆变器直驱型风力发电系统LVRT特性分析

4.3.1三种典型电压跌落情况下的响应特性仿真分析

4.3.1.130％2s电压跌落特性仿真

4.3.1.250％0.5s电压跌落特性仿真

4.3.1.385％0.2s电压跌落特性仿真

4.3.2低电压运行实验分析

4.3.2.1双管Boost同相驱动实验

4.3.2.2双管Boost移相驱动实验

4.3.2.3三相电压型逆变器在电压跌落情况下运行特性的验证

4.4背靠背变流器直驱型风力发电系统LVRT特性分析

4.4.1背靠背变流器直驱型风力发电系统仿真模型介绍

4.4.2运行在不同功率因数条件下的电压跌落特性分析

4.4.3电压跌落条件下风力发电机组对电网的无功功率支持分析

4.5直驱型风力发电系统故障条件下sTATCOM运行模式分析

4.5.1STATCOM运行模式工作原理分析

4.5.2STATCOM运行模式仿真验证

4.5.3STATCOM运行模式实验验证

4.6小结

第5章风力发电网侧变流器低电压运行控制技术

5.1稳态时网侧变流器的运行特性

5.1.1单位功率因数运行

5.1.2非单位功率因数运行

5.2电网电压跌落和负载突变时网侧变流器的响应特性

5.2.1电网电压跌落50％时的仿真结果

5.2.2负载突变时的仿真结果

5.3前馈控制策略原理

5.3.1传统前馈控制策略

5.3.2改进的前馈控制策略

5.4加入前馈控制的仿真结果

5.4.1电网电压跌落50％时的仿真结果

5.4.2负载电阻从200Ω变为100Ω时的仿真结果

5.5网侧变流器应对电网电压跌落的实验结果

5.5.1实验系统介绍

5.5.2电网电压稳定情况下的实验结果

5.5.3电网电压跌落情况下的实验结果

5.5.4电网电压前馈控制的实验结果

5.5.5负载前馈控制的实验结果

5.6小结

第6章网侧变流器在电网电压不平衡情况下的控制技术

6.1网侧变流器的数学模型

6.1.1电网电压平衡情况下网侧变流器的数学模型

6.1.2电网电压不平衡情况下网侧变流器的数学模型

6.1.2.1基于两相静止坐标系下的数学模型

6.1.2.2基于同步坐标系下的数学模型

6.1.2.3交流侧电流控制算法

6.2电网电压不平衡情况下网侧变流器的控制方法

6.2.1抑制交流侧负序电流的控制方法

6.2.2抑制直流侧电压波动的控制方法

6.2.3基于预测电流的控制方法

6.2.3.1电压不平衡情况下的预测电流控制方法

6.2.3.2电压平衡情况下的预测电流控制方法

6.2.4恒功率控制方法

6.2.5双闭环控制策略

6.3仿真结果

6.3.1基于预测电流的仿真波形

6.3.2恒功率控制方法的仿真波形

6.3.3双电流闭环控制的仿真波形

6.3.4控制方法对比讨论

6.4小结

第7章风力发电系统低电压运行外围设备

7.1电网故障时风力发电系统的保护电路

7.1.1DFIG风力发电系统的保护电路

7.1.1.1转子侧保护电路

7.1.1.2定子侧保护电路

7.1.1.3直流侧保护电路

7.1.1.4组合保护电路

7.1.2直驱型风力发电系统的保护电路

7.1.2.1直流侧保护电路

7.1.2.2采用辅助变流器的保护电路

7.2电网电压跌落发生器的研制

7.2.1几种常用的VSG拓扑结构

7.2.1.1基于阻抗形式实现的VSG

7.2.1.2基于变压器形式实现的VSG

7.2.1.3基于电力电子变换形式实现的VSG

7.2.2基于变压器和接触器的VSG实验

7.2.2.1小功率模式实验结果

7.2.2.2大功率模式实验结果

7.2.3基于变压器和晶闸管的VSG实验

7.2.4基于变压器和IGBT的VSG实验

7.3电压跌落的检测技术

7.3.1检测方法讨论

7.3.2仿真验证

7.3.3实验验证

7.4小结

缩略语

参考文献

　　基于全功率变流器的永磁同步发电机构成的直驱型变速恒频风力发电系统已被证实在低电压运行特性方面拥有出色的性能。同时电网也要求风力发电系统能像传统火力发电一样，可以方便地控制输出功率因数，安全地运行在一定的功率因数范围内，并且能够在电网故障如电压跌落等情况下，快速向电网提供无功功率，调节系统电压。国内外学者对双馈感应发电机的低电压运行特性进行了深入的研究，但是有关直驱型永磁风力发电机的低电压运行特性方面的正式文献报道寥寥无几。本书对这些关键问题进行了初步探索，得出了一些有益的结论。本书旨在对风力发电系统的低电压运行特性进行探讨，以期通过本书的研究，为今后我国风力发电系统与电网之间的关系，乃至我国风力发电行业相关标准的制定提供一定的理论依据和技术基础。本书重点介绍了双馈型和直驱型风力发电系统的低电压运行特性，题材来源实际，具有前沿性和先进性，遵循了深入浅出、循序渐进的写作风格与理论联系实际的原则。书中涉及的内容均进行了严格推导，通过了仿真和实验双重验证，力争准确无误。　　作为《风力发电中的电力电子变流技术》一书的姊妹篇，本书从数学角度出发，针对典型的双馈型风力发电系统和直接驱动型风力发电系统进行了数学建模及暂态分析；通过仿真和实验双重方法，对电压跌落情况下双馈型和直接驱动型风力发电系统的低电压运行特性进行了验证，并对两种系统中的网侧PWM变流器低电压运行控制技术及在电网电压不平衡情况下的控制技术进行了深入分析。本书还对电网电压跌落相关的保护电路、电网电压跌落发生器及电压跌落检测方法进行了汇总剖析。本书对上述这些关键问题进行了初步探索，得出一些有益的结论，旨在对风力发电系统的低电压运行特性进行探讨，以期通过本书的研究，为今后我国风力发电系统与电网之间的关系，乃至我国风电行业相关标准的制定提供一定的理论依据和技术基础。　　本书可作为电力电子技术专业，尤其是新成立的风力发电专业的研究生教材，也可作为从事本专业科技工作人员的参考书。