直驱风力发电机组故障机理与暂态模型研究

论文总字数：21266字

摘 要

首先依据永磁直驱发电机组的结构图，分析了永磁直驱发电系统的基本组成部分和其作用，阐述了风力发电系统是如何将机械能转化成电能的过程。介绍了永磁直驱发电机和双馈型风力发电机，列举了永磁直驱发电机相比于双馈型风力发电机的优点。紧接着对机组的核心部件变流器的拓扑结构进行了详细介绍，推导了风力机的等值数学模型和永磁同步发电机的数学模型，本文采用的是双PWM拓扑结构，因此重点分析了双PWM型网侧变流器和机侧变流器的拓扑结构，作用和控制原理。描述了此种拓扑结构的优点，阐述了何为机侧转子磁场定向控制和网侧电网电压定向控制，这是后续建模和故障分析的重要基础。

本文在第三章机组的分析了机组在发生故障时的暂态特性，推导了全电流和短路电流公式，根据公式分析了影响短路电流的因素分别为短路故障类型，电机侧输出功率的大小，电容值，电压跌落程度，在分别对这个4种影响因素进行了仿真，对比分析波形图，验证其对短路电流的影响。

关键词：永磁直驱风力发电；变流器；短路电流，故障分析

Abstract

Firstly, according to the structure diagram of the permanent magnet direct drive generator set, the basic components and functions of the permanent magnet direct drive generator system are analyzed, and the process of how the wind power generation system converts mechanical energy into electric energy is expounded. This paper introduces the permanent magnet direct drive generator and doubly fed wind turbine, and lists the advantages of permanent magnet direct drive generator compared with doubly fed wind turbine. Then the topology of the core parts of unit converter are introduced in detail, the equivalent mathematical model of wind machine was deduced and the mathematical model of permanent magnet synchronous generator, this paper USES a double PWM topology structure, thus analyzed the double PWM type network side converter and machine side converter topology, function and control principle. The advantages of this topology are described, and the definition of rotor field-oriented control and grid-side grid voltage-oriented control are expounded, which are important bases for subsequent modeling and fault analysis.

In this paper, in the third chapter analyzes the unit in the event of a failure of the unit the transient characteristics of all current and short-circuit current formula was deduced and analyzed the influence factors of short-circuit current, respectively according to the formula for short circuit fault type, the size of the motor output power, capacitance value, voltage sags, respectively for the four influence factors in the simulation, analysis of waveform figure, Verify its effect on short-circuit current.

Key words: permanent magnet direct drive wind power generation; Converter; Short circuit current, fault analysis

目录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1风电研究的意义 1

1.2国外对风电的研究 2

1.3国内对风电的研究 2

第二章 直驱风力机组结构与原理 4

2.1永磁直驱发电机组的原理 4

2.2风力机的数学模型 4

2.3磁同步发电机的数学模型 5

2.4双PWM型全功率变流器拓扑结构 6

2.4.1网侧变流器的控制策略及其作用 7

2.4.2机侧变流器的控制策略及其作用 9

2.4.3并网变压器 11

2.5 小结 11

第三章 永磁直驱式风机故障暂态特性 12

3.1 PMSG的暂态数学模型和特性分析 12

3.2全电流定律的推导 13

3.3 PMSG暂态特性研究 15

3.3.1永磁直驱风力发电机短路电流表达式的推导 16

3.3.2 影响短路电流的因素分析 18

3.4 仿真验证永磁直驱式风机的暂态特性分析 18

3.4.1不同故障类型 19

3.4.2网侧电压跌落深度对短路电流的影响 21

3.4.3电容大小对短路电流的影响 22

3.4.3滤波电感对短路电流的影响 23

3.5 小结 23

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1风电研究的意义

能源是当今人类赖以生存的基础。能源发展和环境冲突已经成为了不可避免并急需解决的问题，其中电能是人类需求最大的二次能源。 近几十年来，工业和日常生活得到了蓬勃发展，但同时也带来了环境恶化和不可再生能源的枯竭的问题 例如，石油，天然气和煤炭的存储越来越少，燃烧产生的大量烟尘，颗粒物和有害气体会引起雾，酸雨，臭氧层破坏等环境问题， 同时带来人类健康带来许多负面影响。而目前火力发电仍然是全世界主流的发电方式，其带来的以上不可逆转的环境问题如果不积极解决只能趋于严重。 因此，清洁和可再生能源逐渐受到了越来越多的关注，已成为世界各国的重要和必然的发展的方向。

其中，风力无疑是一种绿色，清洁和可持续的资源，不会像火力发电，核电一样引起环境污染问题。 而且，风能在全世界范围内的储存量都很高，我国的国土面积辽阔，海岸沿线长，风能资源也非常丰富，平均风速每年都在4 m/s以上的的时间几乎接近5000小时，另外我国还广泛分布有平原，高原和沿海地区，平均风速每年都在7m/s以上的的时间几乎接近10000小时。 因此我国的风力发电的应用有很好的地理优势，已经有非常多的企业致力于风电企业的发展，另外，风电技术在我国经过多年的研究，发展和应用，在过去20年已经具有相对成熟的开发和应用技术，其成本也在不断降低。 因其优秀的商业开发条件，风力发电的装机容量每年都在增加多，它为商业，工业和人们的生活提供了稳定的动力，也就是说，它在大力发展和利用能源的现代社会中发挥着绝对重要的作用，另外，因为我们是发展中国家，能源的消耗十分巨大，因为大力发展工业，导致环境问题在各地都日益明显的突显，所以新能源的规划和应用对于保护自然环境，减少温室气体排放，实现人与自然的和谐，也具有重要意义。随着电力电子技术在近几十年的的迅猛发展，变速恒频风电机组渐渐代替了恒速恒频电机。如今的恒速恒频机组主要有励磁交流恒频恒速的双馈型感应电机(Doubly．Fed Induction Generator，DFIG)和 直驱永磁式同步发电机系统(Direct．drive Permanent Magnet Synchronous Generator， D．PMSG)，这也是目前国内应用最多，研究资源投入最对，商议应用最广泛的风电机型。双馈感应发电机的结构同时由有定，转子绕组构成，定子绕组直接接入电网， 再将转子绕组连接到逆变器上实现交流励磁，这样一来 机组的定子绕组和转子绕组都参与了发电机的励磁过程，并且流过转子绕组的功率仅是定子额定功率的一部分导致机组需求的变频器容量大大减低，以此减少了成本。因而DFIG因其优越的性能和较低的成本而得到大量的研究投入和市场青睐。而直驱永磁同步发电机也再近几年逐步得到重视，虽然变流器的容量比同功率的双馈式机组更大，要求更高的建设成本，但是却具有更高的可控性，风电机组经变流器与电网相互隔离，发电机不在受电网故障的影响，这对于风力发电越来越大规模的应用趋势由决定性的作用，在电网电网发生故障时保持不脱网运行的能力已经成为了必要条件和研究的重点方向。直驱永磁同步发电机则可通过网侧变流器的控制在电网穿越故障时期向电网注入无功功率，以此帮助电网电压加快稳定性的恢复。因此PMSG有很好的应用前景。

1.2国外对风电的研究

在过去三十年中，国内，国外的风电在商业上的应用成指数增长，和光伏发电一样是如今炙手可热的能源来源。风电机组在全球的总共投入使用的装机容量已于2021年达823GW，其在工业，生产上的应用让二氧化碳排放量减少了超过13亿吨，为全球变暖的遏制做出了重要贡献。 如今，德国，中国，法国，美国和其他国家的装机容量和风力发电技术处于世界领先地位。 因为德国对于性能源的有效利用使得德国是人均碳排放量唯一降低的国家，到2021年止，全球风电行业取的了令人可喜的成绩：全球新增风电机组102GW，同比去年涨幅达到62％。中国和美国因其国土辽阔和风电技术的发展优势，在2021年创造了风电装机同比增长的新纪录，仅中美两国的新增机组就占据全球新增的60%，累计两国所有风电装机超过了全球总装机的50%以上。同时海上是风力资源最丰富的区域，其风力发电系统的投入容量的增长量在今年已经超过8GW，。英国的海上风电装机容量为3.206GW，稳居第一，而中国以仅少于英国308MW的2.898GW装机总量，超过美国占到世界第二的位置。引如今欧洲国家向新能源发电的逐步转型，新增容量由越来越多的欧洲国家贡献。其中，荷兰，比利时，丹麦的装机都在逐年增长，其总装机容量达到了1.3GW左右。

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