定子匝间短路的永磁风电机组建模与低电压穿越分析

作     者：汪洋 

作者单位：新疆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何山

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：多回路理论 滑模速度控制 永磁风力发电系统 定子匝间短路 低电压穿越 

摘      要：随着风力发电市场的发展,风电机组的装机容量越来越大,风力发电在电力系统中的穿透率逐渐提高,大规模的风电并网对电网的稳定性和安全性带来了愈来愈大的挑战。一方面,风力发电低电压穿越现象极易导致机组脱网,严重影响电力系统的安全稳定运行;另一方面发电机内部故障不易察觉,如定子匝间短路通常表现为定子绕组绝缘能力缓慢退化的渐变过程。本文基于此,以具有一定的低电压穿越能力的永磁同步风力发电机为研究对象,基于永磁同步风力发电系统进行建模仿真,提出了基于超级电容储能的过电压保护方案,并验证了其具备提高低电压穿越运行能力的作用。对发电机发生定子匝间短路故障进行建模仿真,研究了定子匝间短路故障对永磁同步风力发电系统低电压穿越能力的影响。论文的主要工作如下:首先,构建了正常状态的永磁同步发电机在ABC和dq坐标系下的数学模型。随后,基于多回路理论,在两种坐标系下分别建立了永磁发电机在定子绕组匝间短路故障下的数学模型,并利用MATLAB/Simulink平台进行仿真建模分析。进而,基于永磁同步发电机矢量控制系统验证故障状态下永磁电机模型的正确性。然后,提出了机侧变流器和网侧变流器的拓扑结构,基于匝间短路下的三相非平衡系统,介绍了滑模速度控制的基本原理,提出了满足电机内部参数发生变化的基于滑模速度控制器的PMSG矢量控制策略,以实现机侧功率控制。同时基于锁相技术构建了定向矢量控制母线电压的网侧控制策略。根据上述控制策略分别搭建了直驱永磁风力发电系统机侧控制功率和网侧控制母线电压的仿真模型,通过仿真分析,验证了控制策略的优越性。最后,主要介绍低电压穿越的基本原理,并提出基于超级电容储能的直流侧过电压保护策略,联合网侧和机侧模型构建完整的永磁风力发电系统。在电网发生三相对称短路故障致使电压跌落的情况下,对是否加入超级电容储能系统和定子绕组匝间短路故障发生与否的永磁风力发电机的动态响应进行了仿真研究,分析了匝间短路故障严重程度对永磁风力发电机组的低电压穿越能力的影响。