双馈风电机组零电压故障穿越技术与控制策略研究.pdfVIP

论文答辩日期：2023年5月27日

摘要

摘要

为实现“2030碳达峰”和“2060碳中和”的宏伟目标，我国对新能源相关设施

的投资规模和建设力度将会持续加大。风力发电作为新能源发电中重要的组成部分，

其占比也随着全国风电机组装机容量的上升而逐步增大。而双馈感应电机（Doubly-

fedInductionGenerator，DFIG）作为风力发电使用的主力机型之一，在风能利用领

域扮演着极其重要的角色。但是，由于DFIG的定子与电网直接相连，其背靠背变流

器的容量仅有风机额定容量的三分之一左右，因此电网故障期间的电压波动可能造

成双馈风机转子侧绕组的电压、电流越限，威胁风电机组安全、稳定地运行。并且，

随着风电渗透率的攀升，上述现象将变得不可忽视，保障风机在电网故障期间连续

不脱网运行是避免高比例新能源电网发生解列事故的有效途径。而属于低电压故障

中的极端情况，即零电压故障，将会给双馈风机带来数倍于安全阈值的过电压、过

电流的瞬间冲击，这将对风机内部造成极大的破坏。面对大深度电压暂降故障时，

大部分场站使用的撬棒硬件电路会在保护启动的时候使DFIG的机侧变流器失控，同

时从电网侧吸收无功功率，这将导致并网点电压的进一步恶化，不利于电压恢复。

这种被动式的保护方式不利于高比例风电并网地区电网的安全稳定运行。因此，本

文提出一种基于高温超导故障电流限制器配合自适应虚拟阻抗控制和主动动态无功

支撑控制策略的综合故障穿越方案，可实现在100%电压暂降故障下的不间断运行，

并主动为电网提供动态无功支撑，帮助并网点电压的恢复。经过基于

MATLAB/Simulink平台的仿真和对比实验，验证了本文所提故障穿越方案的合理性

和有效性。本文主要的研究内容以及工作有：

首先对双馈风力发电系统的拓扑结构，控制策略进行数学建模和分析。利用建

立的同步旋转坐标系d-q下的数学模型进一步分析100%电压暂降故障下DFIG的暂

态特性，为故障穿越方案的指标设计提供理论依据。

然后对多种串联型硬件保护方案进行简述并比较，选定以高温超导故障电流限

制器作为本文所设计方案中的硬件保护装置，并对其作用机理给出了详细的推导和

分析。

针对转子电流和转子电压越限问题，分析了虚拟阻抗对故障期间双馈风机转子

电流、电压抑制机理，并验证其有效性。为避免固定阻抗值的设定带来的控制效果

不理想，本文提出可根据双馈风机暂态情况动态调整阻抗值的自适应虚拟阻抗控制

策略，分析和推导阻抗值的设定边界，使得在不改变控制器结构和无需投切的情况

下参与故障穿越的控制中。为尽可能利用风机自身容量为电网提供无功支撑，本文

在充分分析定子侧和网侧的无功出力极限后，提出主动动态无功支撑控制策略来尽

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重庆理工大学硕士学位论文

可能提升故障期间为电网提供无功支撑的能力，且根据并网点电压动态调整无功出

力的数值，使得快速恢复并网点电压的同时避免因无功过剩引起的高压故障的发生。

最后，基于MATLAB/Simulink建立了仿真模型，验证了本文提出的零电压穿越

方案的合理性和有效性，经过对比实现后，进一步佐证了本文提出方案的工程运用

价值。

关键词：双馈感应电机；零电压穿越；高温超导故障电流限制器；自适应虚拟

阻抗控制；主动动态无功支撑控制

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Abstract

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Forthepurposeofachievingtheambitiousgoalof2030carbonpeakand2060

carbonneutrality,Chinasinvestmentinnewenergy-relatedfacilitiesandconstructionwill

continuetoincrease.Asanimportantpartofnewenergy,the