双馈风力发电系统电磁暂态分析
作者：欧阳金鑫，熊小伏著
出版时间： 2018年版
内容简介
变速恒频双馈异步风电机组是风力发电的主力机型，具有与同步发电机完全不同的运行控制原理。电力系统传统故障分析理论以同步发电机为对象，难以计及双馈风电机组快速闭环及高阶强耦合的暂态反应，使得风电接入形成的新型电力系统暂态特性不明确、故障机理不清晰，造成保护整定计算困难、设备安全面临威胁等问题。本书以双馈风电机组并网系统为对象，围绕风电机组及其并网系统的故障反应特征、物理机理、分析方法及等值计算模型等关键理论问题进行深入研究。主要内容包括：双馈风电机组矢量模型、故障暂态的矢量分析方法、双馈风电机组的单机和多机暂态电气量特征、电网故障时双馈风电机组对电网的影响、双馈风电机组的正、负序故障计算等值模型。
目录
目录
第1章 基于空间矢量的电力系统暂态分析 1
1.1 空间矢量的内涵 1
1.1.1 三相坐标系下的空间矢量 1
1.1.2 同步旋转坐标系下的空间矢量 2
1.1.3 相量的内涵与扩展 3
1.2 空间矢量的特点 4
1.2.1 空间矢量与相量 4
1.2.2 空间矢量与序分量 6
1.2.3 非工频空间矢量 8
1.2.4 非工频正负序矢量 10
1.3 电力系统元件的矢量表示 13
1.3.1 电阻元件 13
1.3.2 电感元件 16
1.3.3 电容元件 17
1.3.4 基尔霍夫定律的矢量表述 18
1.4 电力系统的正负序矢量表示 20
1.4.1 电阻元件 20
1.4.2 电感元件 21
1.4.3 电容元件 22
1.5 空间矢量在电力系统分析中的应用 23
1.5.1 对称短路分析 23
1.5.2 不对称短路分析 25
第2章 双馈风电机组的原理与动态模型 29
2.1 双馈风电机组的运行原理 29
2.1.1 双馈风电机组的基本结构 29
2.1.2 双馈风电机组的运行特性 30
2.2 风力机数学模型 32
2.2.1 风力机气动特性 32
2.2.2 机械轴系模型 34
2.3 双馈发电机的电磁暂态模型 35
2.3.1 三相静止坐标系下的瞬时值模型 35
2.3.2 同步旋转坐标系下的瞬时值模型 37
2.3.3 三相静止坐标系下的矢量模型 40
2.3.4 同步旋转坐标系下的正负序矢量模型 41
2.4 双馈风电机组变流器及其数学模型 42
2.4.1 双馈风电机组变流器结构 42
2.4.2 开关函数描述的变流器模型 44
2.4.3 占空比形式的变流器模型 46
2.4.4 同步旋转坐标系下变流器模型 47
第3章 双馈风电机组暂稳态控制及其建模 50
3.1 双馈风电机组机械控制 50
3.1.1 桨距角控制 50
3.1.2 最大功率跟踪控制 51
3.2 理想电网条件下双馈发电机组控制 52
3.2.1 变流器控制的参考坐标系 52
3.2.2 转子侧变流器控制 53
3.2.3 电网侧变流器控制 56
3.3 非理想电网条件下双馈发电机组控制 58
3.3.1 低电压穿越及其实现 58
3.3.2 发电机转子保护 59
3.3.3 无功功率输出控制 61
3.3.4 负序分量控制 61
3.4 计及控制的双馈风电机组暂态模型 62
3.4.1 电压跌落初瞬阶段 62
3.4.2 变流器闭锁阶段 64
3.4.3 Crowbar投入阶段 64
3.4.4 低电压穿越控制阶段 64
第4章 计及转子保护的双馈感应风电机组暂态分析 66
4.1 常规感应发电机的故障特性 66
4.1.1 三相对称短路 66
4.1.2 不对称短路 68
4.2 带Crowbar运行的双馈发电机对称故障特性 70
4.2.1 定子磁链 70
4.2.2 转子磁链 72
4.2.3 定子电流 74
4.3 带Crowbar运行的双馈发电机不对称故障特性 75
4.3.1 定子磁链 75
4.3.2 转子磁链 77
4.3.3 定子电流 78
4.4 Crowbar保护对双馈发电机故障特性的影响 79
4.4.1 Crowbar电阻的影响 79
4.4.2 Crowbar电阻设计 82
第5章 计及转子励磁控制下双馈感应风电机组暂态分析 85
5.1 定子侧对称故障特性 85
5.1.1 转子绕组电磁暂态过程 85
5.1.2 变流器暂态响应特性 88
5.1.3 转子短路电流 90
5.1.4 定子短路电流 92
5.2 定子侧非对称故障特性 93
5.2.1 负序电磁暂态过程 93
5.2.2 变流器负序响应特性 95
5.2.3 转子负序短路电流 96
5.2.4 定子负序短路电流 97
5.3 转子励磁控制的影响 98
5.3.1 转子侧变流器暂态模型 98
5.3.2 网侧变流器暂态模型 100
5.3.3 基于内模控制的PI参数设计 101
5.3.4 不同控制方式下暂态过程 102
5.3.5 控制方式对短路电流的影响 105
5.3.6 仿真分析 107
5.4 转子励磁回路故障特性 113
5.4.1 定转子绕组电磁暂态过程 113
5.4.2 变流器直流母线暂态特性 114
5.4.3 网侧变流器交流暂态特性 116
5.4.4 仿真分析 118
第6章 双馈风电机组故障暂态输出特性 125
6.1 双馈发电机暂态输出特殊性 125
6.1.1 短路电流的受限性 125
6.1.2 短路电流多态性 127
6.2 双馈发电机短路电流低次谐波特性 130
6.2.1 短路电流谐波产生机理 130
6.2.2 对称短路电流低次谐波特征 133
6.2.3 非对称短路电流低次谐波特征 137
6.2.4 仿真分析 141
6.3 双馈发电机组机端电压特性 144
6.3.1 稳态运行时机端电压解析表达式 144
6.3.2 电网短路下机端电压解析表达式 145
6.3.3 双馈发电机暂态电压支撑特性 146
6.3.4 仿真分析 148
第7章 含双馈异步风力发电机的电力系统短路电流实用计算 152
7.1 电压非深度对称跌落下的短路电流计算 152
7.1.1 双馈发电机组短路电流解析分析 152
7.1.2 短路电流工频交流分量初始值和稳态值计算 157
7.1.3 仿真分析 158
7.2 电压非深度不对称跌落下的短路电流计算 165
7.2.1 非深度不对称短路定子电流的特性 165
7.2.2 仿真分析 167
7.3 低电压穿越全过程的短路电流计算 171
7.3.1 Crowbar对机端电压的影响 171
7.3.2 Crowbar投入对定子磁链的影响 172
7.3.3 Crowbar投入对转子电流的影响 173
7.3.4 转子侧变流器无功控制对机端电压的影响 174
7.3.5 短路电流计算方法 175
7.3.6 仿真分析 176
第8章 电网电压跌落下双馈式风电机群暂态分析 183
8.1 电压深度跌落下双馈发电机暂态相关性 183
8.1.1 双馈发电机单机矢量等效 183
8.1.2 双馈发电机多机矢量等效 186
8.1.3 双馈发电机相互影响特征 186
8.1.4 仿真分析 188
8.2 电压非深度跌落下双馈发电机暂态相关性 193
8.2.1 故障初期双馈发电机相互影响 193
8.2.2 故障初期双馈发电机多机交互 195
8.2.3 故障持续阶段双馈发电机多机交互 196
8.2.4 仿真分析 199
8.3 双馈风电场电磁暂态过程等值建模 205
8.3.1 双馈发电机暂态相关性指标 205
8.3.2 轨迹结构相似度指标 206
8.3.3 暂态同调机群聚类 208
8.3.4 暂态同调机群聚合 209
8.3.5 仿真分析 211
参考文献 215
附录 216
