VSC-MTDC联网风电场的交流故障穿越控制

研究了用于风电场并网的柔性多端直流输电系统(VSC-MTDC)交流故障穿越协调控制策略。考虑到实际风电机组的故障保护阈值,提出将升频法/降压法和直流卸荷电路相结合的故障穿越协调控制策略,同时故障期间受端站控制方式由有功电流控制优先切换到无功电流控制优先,根据电网电压跌落深度,按一定比例向电网提供无功功率,以帮助电网电压故障后迅速恢复。基于MATLAB/Simulink搭建了风电场经三端柔性直流输电并网系统模型,验证了所提控制策略的有效性。     

海上风电场并网柔直系统的故障穿越协调控制策略

分析了基于H桥换流单元与集中式斩波电阻的多电平集中式卸荷电路(dynamic braking resistor,DBR),介绍了其结构拓扑、参数设计与控制方法,并对比模块化多电平卸荷电路,验证其故障穿越(fault ridethrough,FRT)性能。针对海上风电场并网柔性直流输电系统,结合双馈与永磁直驱风场侧换流站的交流电压降压法,利用风电机组(wind turbine generator,WTG)自身功率调节能力,设计FRT协调控制策略,在保证系统故障穿越性能的前提下,缩减卸荷电路所需容量,适用于高压大容量场合。依据德国已投运Borwin1工程的参数,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中搭建三端柔性直流输电系统模型,验证了所提协调控制策略具有良好的FRT控制效果。     

风电场柔性直流输电的故障穿越方法对风电机组的影响

柔性直流输电(VSC-HVDC)系统是大型风电场并网的较好选择,当发生交流系统故障时,故障穿越控制器可维持该系统的稳定性。然而,控制器会对风电机组造成一定影响。针对大型风电场VSC-HVDC系统接入的故障穿越问题,文中首先在PSCAD/EMTDC中建立了含有普通异步/双馈风电场详细模型的两端VSC-HVDC系统仿真模型,并验证了升频法和降压法两种典型的故障穿越方法。然后进一步研究了不同类型风电机组在不同的故障穿越方法下的特性和差异,从而得出风电场VSC-HVDC系统的故障穿越方法对风电机组的影响规律。研究得出的结论可以为不同类型的风电机组接入VSC-HVDC系统时故障穿越方法的选择提供一定的参考依据。     

机组协同-分布卸荷的风电场-柔直并网系统故障穿越方法

为降低风电场-柔性直流并网系统在交流主网发生低电压故障时的穿越成本,提出一种直流耗能装置与风电机组卸荷电路协同作用的电网故障穿越策略,在电网故障时送端换流器配合风电场快速降低直流功率输出.由于直流耗能装置仅在故障发生的前期、风电场输出功率下降前起到限制直流电压升高的作用,该策略能够显著降低直流耗能装置的体积.在此基础上,该策略将直流耗能装置中的耗能电阻分散置入到受端模块化多电平换流器中,进一步降低了卸荷成本.最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中,构建了风电场-柔性直流并网系统的仿真算例,对所提出的故障穿越方法的正确性和有效性进行了验证.     

海上风电送出交流故障穿越控制策略研究

对于大规模海上风电场经MMC型柔性直流输电并网系统,在陆上侧交流故障穿越过程中,由于卸荷电路是在直流电压达到一定基准电压时才开始工作,导致陆上侧换流器子模块电压存在过大的冲击,有损坏功率元器件的风险.为解决该暂态过程中子模块电容电压过高的问题,分析了模块化卸荷电路的拓扑结构与控制方法,并根据交流故障期间的系统特性对控制策略进行改进,通过控制模式的切换并配合改变参考波定值,充分利用MMC自身特性,在保证系统故障穿越性能的前提下对子模块电压进行抑制.根据荷兰海上风电柔直外送项目的参数,在PSCAD/EMTDC中搭建了两端双极柔性直流输电系统模型,验证了所提改进控制策略可有效抑制子模块的过电压水平.     

提高直驱永磁风机低电压穿越能力的控制策略

为提高直驱风电机组低电压穿越能力和改善故障穿越后风电机组的稳定运行能力,提出了一种基于变阻值和变功率因数无功控制的直驱风电机组低电压穿越综合控制策略(the comprehensive control strategy, CCS)。在直流侧采用IGBT与变阻值卸荷电阻串联构成变阻值卸荷电路,且在长时故障时引入磁控型动态无功补偿装置进行无功补偿,根据实际电压值与预设电压阈值的比较结果动态投切卸荷电路。在网侧根据电压跌落程度所处的阶梯范围,动态调整直驱风电机组发出的无功功率。在PSCAD/EMTDC中搭建了直驱风电场的仿真模型,应用某实际运行的1.5 MW直驱风机参数,在卸荷电阻值、无功功率因数分别不同时仿真验证了该控制策略的有效性。结果表明:该控制策略不仅能够提升机组的LVRT能力,而且可以改善故障穿越结束后机组的稳定运行特性。     

直驱风机HVRT两种直流侧卸荷方法对比仿真研究

近些年来,国内外学者对风电机组低电压穿越进行了研究,但对于并网风电机组高电压穿越研究较少。为提高直驱风电机组高电压穿越能力,以2.5MW直驱风电机组为研究对象。本文首先对比分析了国外的风电机组高电压穿越标准,然后提出对网侧变流器采用稳态时单位功率因数控制、暂态时提供无功的控制策略。最后,在Matlab/Simulink中分别建立了斩波电路和超级电容储能系统两种直流侧卸荷电路模型,在相同工况下,仿真分析了两种卸荷电路对机组暂态特性的影响。研究结果表明：两种卸荷方式均能实现直驱风电机组高电压穿越,相比斩波电路,超级电容储能系统不仅能够提升风电机组的高电压穿越能力,而且能够改善机组故障穿越结束后机组稳定运行特性。     

海上风电柔性直流输电系统故障穿越安全研究

对比国内外新能源、直流输电技术相关标准,根据现有标准情况,分析国内外在海上风电经柔性直流输电系统并网故障穿越方面的安全要求。基于电磁暂态仿真程序EMTP-RV,对欧洲某±320 kV柔性直流输电系统及其连接的海上风电进行仿真分析,研究交流系统强度、换流器控制模式、过电压特性和换流器电磁暂态模型对故障穿越的影响,由仿真结果交叉验证现有安全标准,为海上风电经柔性直流输电系统并网的安全稳定运行和相关标准更新提供参考。     

适用于架空线路的双极混合MMC-HVDC拓扑

为应对柔性直流输电在远距离大容量架空线输电领域应用问题,基于钳位双子模块和双晶闸管子模块拓扑构成的两种模块化多电平换流器,设计了串联双极混合直流输电系统,既提高了输电容量,又能缓解单种拓扑能耗较大或直流故障抑制时间较长问题。重点分析了双极混合拓扑在不同直流故障下等值电路和直流故障穿越机理及其抑制特性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建双极混合直流输电模型,对系统稳态运行工况和直流故障穿越特性进行了对比研究。仿真结果表明,双极混合系统既体现出灵活多样的稳态运行特性,又具有直流故障穿越与快速恢复能力,较好地适用于远距离大容量架空线路输电应用领域。     

直驱式VSCF风电系统直流侧Crowbar电路的仿真分析

为提高直驱式变速恒频风电系统的故障穿越能力,采用直流侧过压保护（crowbar）电路,使电网电压跌落时风力机能够保持正常运行,故障消除后系统快速恢复至额定输出。基于对几种常用直流侧crowbar方案的分析比较,选择卸荷负载作为crowbar电路,对网侧变换器和卸荷负载的控制原理及其配合进行了详细说明,对采用和不采用crowbar电路时变换器的跌落特性进行了仿真分析和对比。仿真结果显示采用卸荷负载控制简单,容易实现与网侧变换器的配合,可有效增强直驱式风电系统的低电压穿越能力。     

风电场经MMC-MTDC系统并网的几个关键问题

随着风电大容量远距离输送需求的增长,柔性直流输电技术的快速发展,基于模块化多电平换流器(module multilevel converter,MMC)的多端柔性直流系统在大规模风电场并网应用中优势凸显,前景广阔。为此,首先考虑2种直流线路保护方案,从经济性和技术性2方面阐述了3类多端柔性直流风电并网系统的拓扑结构以及优缺点;接着,分析了3种系统级协调控制策略在风电并网多端系统中的应用与改进,包括主从控制、直流电压裕度控制和直流电压下垂控制;然后,针对风电并网运行中较为突出的故障穿越问题,从交流故障和直流故障2方面,讨论了提高含风电并网多端柔性直流系统故障穿越能力的方法;最后,对未来大规模风电并网其他关键技术问题进行了展望。     

直驱风电系统变流器建模和跌落特性仿真

为增强直驱型变速恒频风电系统的低电压穿越能力,采取了变流器直流侧增加卸荷负载以在故障时消耗掉直流侧多余的能量,使风电机组的正常运行基本不受电压跌落影响的应对措施。通过对发电机侧变流器、电网侧变流器和直流侧卸荷负载工作原理的详细分析,变流器采用背靠背双PWM结构,实现了变流器的整体建模。基于Matlab7.3/simulink6.5构建了变流器的仿真模型,对电网电压跌落时系统的跌落特性进行了变流器模型及其分析正确性的仿真验证,结果表明,采用直流侧卸荷负载可有效提高直驱系统的故障穿越能力,具有较快的动态响应速度。     

双馈风电机组低电压穿越综合控制策略研究

针对双馈风电机组(DFIG)低电压穿越问题,为克服传统撬棒(Crowbar)电路保护的不足,以抑制故障期间转子电流并兼顾防止直流母线过电压为目的,提出一种“电阻串联电容撬棒保护电路+直流卸荷(Chopper)电路”的综合控制策略。建立在转子侧Crowbar电路电阻串联电容,在直流母线侧加入Chopper电路的改进双馈机组模型,给出Crowbar电路电阻值及串联的电容值的取值方法,并对其控制策略进行分析。在Matlab/Simulink仿真平台上搭建系统模型进行仿真验证,结果表明该低电压综合穿越策略能够有效提升双馈风电机组低电压穿越能力。     

风机低电压穿越控制对系统暂态过电压的影响及优化

特高压直流输电工程及近区大规模风电场的陆续投运使系统交直流故障扰动后的暂态过电压问题愈发凸显,严重威胁交直流设备安全,已成为严重制约特高压直流输电能力及风电场并网功率的关键因素,其中风电机组在系统交直流故障扰动后低电压穿越过程中的有功/无功功率动态特性是引起系统暂态电压进一步升高的重要因素。鉴于此,结合我国风电机组并网技术规范,首先阐明了风电场在电网故障穿越过程中的控制切换逻辑,并详细分析了风电机组在低电压穿越期间及恢复过程中的暂态有功及无功输出特性。其次,探讨了风电场低穿过程恶化系统暂态过电压的作用机制,在此基础上,对比分析了不同低穿控制方式对风电机组功率特性及对系统暂态电压的影响,并指出了敏感影响因素。最后,提出了风电机组低穿控制性能优化建议,可用于指导实际并网风电机组低穿控制策略优化,以有效抑制系统暂态过电压水平。     

柔直与风电机组协调故障穿越控制策略设计

针对柔性直流输电的含风电机组的受端系统,为维持直流故障后系统的功率平衡,提出柔性直流与风电机组协调控制策略。切除直流单极短路故障后,依据非故障极模块化多电平换流器（MMC）的功率调节裕量,设计了不同工况下的换流站运行方式切换和双馈风机（DFIG）风电场功率调整协同的控制策略。通过增大非故障极MMC功率,以及风电机组精确增载控制,实现含风电场的孤岛受电系统功率平衡。实验结果表明,所提控制策略可行,具有工程适用性。     

两种直流侧卸荷直驱风机LVRT分析

随着并网风电机组的日益增加,风力机组与电网间的相互影响日益突出。国家电网企业标准Q/GDW 392-2009及国标GB/T19963-2001均对风电机组的低电压穿越能力提出了明确的技术要求。分析了大功率永磁风力发电系统在电网电压跌落时的暂态特性,建立了基于Chopper与超级电容器的两种直流侧卸荷电路及相应的控制策略。并在PSCAD/EMTDC软件环境下搭建了相应的并网仿真模型,仿真对比了在电网电压严重跌落时两种卸荷电路对机组暂态特性的影响。仿真结果表明在网侧电压跌落的时候,两种卸荷方式在稳定直流侧电压和系统恢复方面,各有优势。     

考虑Chopper动作的双馈风电机组三相短路电流分析

直流母线并接直流卸荷电路(Chopper)以保护转子侧变频器(RSC)是一种较常用的双馈风电机组低电压穿越改造方案。目前对称故障下双馈风电机组短路电流特性研究以故障后投入撬棒(Crowbar)电阻为主,Chopper动作下双馈风电机组短路电流特性研究几乎没有,故而难以分析其作用下双馈风电机组短路电流特性对系统中保护动作可靠性和设备安全的影响。类比双馈风电机组故障后投入Crowbar电阻的分析思路——转子回路串入电阻,通过分析对称故障后Chopper动作下的转子电流回路,将被闭锁的RSC和Chopper等效为可变电阻,分析了该等效电阻阻值随电压跌落程度和故障前转差率的变化规律。根据故障后双馈感应发电机的磁链、电压关系,通过数学解析得到Chopper动作下对称短路电流解析表达式。在MATLAB/Simulink中搭建配置Chopper的双馈风电机组模型,仿真验证了该表达式的有效性。     

基于转子串电阻的双馈风电机组故障穿越技术

针对撬棒保护技术存在的双馈风电机组失控问题,提出了转子串电阻和直流侧卸荷电路协调控制的故障穿越方案。该方案不仅能够保证双馈风电机组满足电网规范的穿越要求,同时也抑制了系统机组转速的过快增加,从而有效地改善了机组的转速稳定性和瞬态行为。首先分析了转子串电阻的理论依据,评估了不同限流电阻对机组瞬态特性的影响,选择了合适的电阻值,并分析了所提方案的工作原理。最后基于PSCAD/EMTDC仿真软件对所提方案的有效性进行验证。仿真结果表明,所提方案能保证双馈风电机组成功穿越低压故障,且具有较好的转速稳定性和瞬态特性。     

基于储能的风电柔直并网系统直流故障穿越协调控制策略

采用具有明显技术和经济优势的架空线柔性直流输电是大规模可再生能源并网的理想方案。然而,架空线故障率较高且直流系统故障发展迅速，仅靠直流断路器隔离故障线路并不能完善地解决系统的故障穿越问题。为解决该问题，针对大规模风电场经柔性直流输电并网系统的直流线路故障工况，充分利用风电场中广泛配置的储能系统，提出从故障定位隔离到故障类别判断，再到储能系统与换流站、风电场之间协调控制的一套完整直流故障穿越策略，并从能量角度展开故障特性分析。与现有工程中采用的耗能电阻方式相比，所提策略调节系统不平衡功率的灵活性更高，控制效果更优，且对所储存能量可以再利用，避免能量浪费。此外，为降低对储能系统的功率及容量需求，提出风电机组转子加速控制以减少风电场出力的方案。最后，在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提方法的有效性。     

半/全桥混合型DC Chopper拓扑及其控制策略

DC Chopper能在海上风电柔性直流输电系统主网侧发生短路故障时耗散系统的盈余功率,并实现故障穿越.针对全桥型集中式模块化DC Chopper使用IGBT和二极管数目多的问题,提出了一种半桥/全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑.该拓扑采用半桥子模块替换桥臂中一部分仅起到电压支撑作用的全桥子模块,并根据桥臂电流单向性的特点,省略掉子模块中部分IGBT,仅保留其反并联二极管,大幅降低了设备的成本.在此基础上,针对现有的集中式模块化拓扑控制策略精确度低的问题,进而提出了一种利用方波正半波幅值调节耗散功率、利用占空比平衡桥臂能量的控制策略,实现了对耗散功率和桥臂能量的精确控制.在Matlab/Simulink中开展了海上风电柔性直流输电系统故障穿越的仿真研究,验证了所提出的DC Chopper拓扑及控制方案具有良好的故障穿越效果.