突然短路对双馈电机和变流器的影响分析

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随着能源危机的加剧和人类生存环境的恶化,世界各国对可再生能源的利用与开发越来越重视。风力发电作为一种可再生的清洁能源,因其蕴含量丰富与可大规模开发等优点,近几年来成为发展势头非常迅猛的能源。就其装置而言,当前市场中,占有率较高的是双馈风力发电系统,双馈风力发电系统采用双PWM变流器控制,定子绕组与电网直接相连,转子绕组经变流器与电网间接相连,导致当电网出现突然短路故障时,双馈电机与变流器也会受其影响。为了弄清楚突然短路故障对双馈电机与变流器造成何种影响,本文进行了以下研究:(1)依次分析了风力机的模型,介绍了双馈电机与变流器的工作原理以及拓扑结构,推导了双馈电机与变流器的数学模型,在此基础上研究了双馈电机与变流器的控制策略,其中网侧控制策略采用电网电压定向电压与电流双闭环控制策略,机侧控制策略采用定子磁链定向电流与功率双闭环控制策略。(2)研究了突然短路故障下双馈电机与变流器的暂态性能,并利用对称分量法推导了暂态下双馈电机与变流器的数学模型,包括定子暂态磁链的数学表达式、转子暂态磁链的数学表达式、定子暂态电流的数学表达式、转子暂态电流的数学表达式以及转子暂态电压的数学表达式。同时以Matlab编程的方式对上述表达式进行了数值分析,分析结果表明在短路电流中存在稳态直流分量、暂态直流分量和暂态交流分量,各分量的变化规律由双馈电机的参数、相位角决定,而短路电流的大小主要取决于交流分量。(3)针对本文提供的双馈电机参数,利用Matlab Simulink搭建了双馈风力发电系统仿真平台,并利用该平台对双馈风力发电系统网侧单相短路故障、相间短路故障、三相短路故障进行了仿真分析。分析结果表明短路故障发生后,双馈电机定子侧与转子侧均会产生3~4倍的过电流,直流母线电压会骤升。此时,如果没有采取相应的保护措施,过大的电流电压可能会击穿绕组绝缘与母线电容,对双馈电机与变流器造成不可修复的危害。
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