电网电压不平衡下PMSG风电场可控运行区域研究

针对电网电压不平衡下永磁直驱风电场实现其并网有功功率无波动、并网无功功率无波动以及平衡并网电流3个传统控制目标,推导了永磁直驱风电场中网侧变换器输出负序电流能力以及为实现各控制目标所需的负序电流幅值,通过将二者结合,进而得到了基于不同电网电压不平衡度和系统有功出力的永磁直驱风电场实现各传统控制目标的可控运行区域,并利用仿真和实验对其进行验证,为实际永磁直驱风电系统在电网电压不平衡下控制策略的合理选取提供理论依据。     

电网电压不平衡时永磁直驱风电机组的控制策略

详细分析了电网电压不平衡条件下永磁直驱风电机组的运行情况,根据电网电压不平衡条件下风力发电机组不同的运行要求,提出基于三种可选控制目标的网侧变换器控制方案,同时采用正序电网电压定向方式简化得到网侧变换器的正、负序电流参考量。所提方案可实现在不平衡电压条件下抑制并网有功功率/直流链电压二倍频波动,抑制并网无功功率二倍频波动或抑制网侧负序电流的控制目标,进一步提高了电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行的稳定性和可靠性。通过对电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行行为进行仿真计算和对比分析,验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

电网电压不平衡时永磁直驱风电机组的控制策略

详细分析了电网电压不平衡条件下永磁直驱风电机组的运行情况,根据电网电压不平衡条件下风力发电机组不同的运行要求,提出基于三种可选控制目标的网侧变换器控制方案,同时采用正序电网电压定向方式简化得到网侧变换器的正、负序电流参考量.所提方案可实现在不平衡电压条件下抑制并网有功功率/直流链电压二倍频波动,抑制并网无功功率二倍频波动或抑制网侧负序电流的控制目标,进一步提高了电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行的稳定性和可靠性.通过对电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行行为进行仿真计算和对比分析,验证了所提控制策略的正确性和有效性.     

不平衡电网电压下双馈感应发电机转子侧变换器的比例–谐振电流控制策略

为了研究不平衡电网电压条件下双馈感应风力发电机(doubly-fedinduction generator,DFIG)系统增强运行能力的有效控制策略,提出了网侧、转子侧变换器的比例–谐振电流控制方案以及两者之间的协同控制策略。针对电网电压不平衡条件下DFIG转子侧变换器,提出了一种在两相定子静止αβ坐标系中实施的比例–谐振(proportional-resonant,P-R)电流控制方案,以实现对DFIG转子电流无需正、负相序分解的统一调节。采用正序d+轴电网电压定向简化了各种增强运行能力控制目标下的转子正、负序电流指令值算法,设计了相应的DFIG不平衡控制策略。实验研究表明,这种P-R电流控制方案能够实现转子侧变换器选定控制目标,具备优良的动态调节性能,可增强不平衡电网电压故障下DFIG风力发电机系统的不间断运行能力。     

电网电压不对称时基于预测电流的双馈风电系统优化控制

电网电压不对称下双馈感应发电机(doubly fedinduction generator DFIG)转子侧变流器(rotor side converter,RSC)和网侧变流器(grid-side converter,GSC)的有效控制对风电场并网运行有着重要意义。提出了基于预测电流的DFIG系统优化控制策略:针对DFIG,构建了电网电压不对称下预测电流控制模型;对GSC,在常规预测电流模型上进行改进;分析了RSC和GSC优化控制目标。在实时数字仿真(real time digital simulator,RTDS)平台上搭建了一台2MW DFIG风电系统完整仿真模型,验证了上述控制策略的正确性和有效性。     

电网不平衡时采用串联网侧变换器的DFIG风电系统协调控制

针对采用串联网侧变换器的双馈感应发电机(doubly fed induction generators, DFIG)风电系统,详细分析电网电压不平衡条件下该系统的运行情况,从抑制不平衡定子电压及维持系统有功功率平衡的角度出发,分别提出电网不平衡时串联网侧变换器和并联网侧变换器的控制策略.与电网不平衡下DFIG系统的传统运行控制方案相比,所提系统协调控制策略无需改变电网不平衡下转子侧变换器的控制策略,简化转子侧变换器的控制并有效提高其运行可靠性;所提方案在实现DFIG系统电磁转矩、直流链电压及系统总输出有功功率无二倍频波动的同时,实现电网不平衡下DFIG定、转子三相电流平衡,进一步提高了DFIG系统运行的稳定性和可靠性.通过对电网不平衡下采用串联网侧变换器的DFIG风电系统和采用传统控制策略的DFIG系统进行了仿真计算和对比分析,验证所提协调控制策略的正确性和有效性.     

电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应风电系统改进控制

为进一步提高电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)风电系统的运行性能,研究了适用于该系统的改进运行控制策略。提出电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的DFIG系统的3种可选运行方案,以此为基础提出串联网侧变换器与并联网侧变换器的协调控制策略,并建立了在双同步dq旋转坐标轴系下两者的控制模型。所提系统协调控制方案无需改变电网电压不平衡下转子侧变换器的控制策略,在实现发电机输出功率无二倍频波动、电磁转矩无二倍频波动以及定、转子三相电流平衡的同时,可实现电网电压不平衡下整个系统或总输出有功功率无二倍频波动(同时可实现直流链电压无二倍频波动)或总输出无功功率无二倍频波动或整个系统无负序电流注入电网的不同运行功能,进一步增强了不平衡电压下DFIG风电系统的运行能力。对一台采用串联网侧变换器的DFIG风电模拟系统在不平衡电压条件下的运行进行了相关实验,实验结果验证了该文所提改进控制策略的可行性。     

不平衡电网电压下双馈感应发电机网侧和转子侧变换器的协同控制

建立了不平衡电网电压下双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)网侧变换器的数学模型,讨论了交流输入电抗对瞬时有功功率的影响,在此基础上,提出4种可供选择的网侧变换器协同控制目标。为了验证网侧、转子侧变换器协同控制策略的有效性,提出静止αβ坐标系中比例?谐振控制器,使网侧变换器正、负序电流无需分解调节,并构建了DFIG网侧变换器的不平衡控制系统。仿真和实验研究结果表明,所提网侧、转子侧变换器协同控制策略可实现风电机组更为优化的不对称故障穿越(不间断)运行控制;所设计的网侧、转子侧变换器P-R电流控制方案不仅能够在稳态不平衡电网下提供精确的电流调节,而且在瞬态不平衡下体现优良的动态响应特性。     

不平衡电网下基于降阶谐振器的双馈风电系统网侧变换器辅助控制策略

电网电压不平衡条件下,为了最大限度提升双馈发电系统综合运行能力,需考虑网侧变换器的辅助控制功能。本文提出一种采用降阶谐振器的电流控制方案,可实现以消除整个双馈发电系统输出有功、无功功率脉动为目标的辅助控制功能。该控制方案以整个系统输出的有功、无功功率直接作为被控对象,在正转同步旋转坐标系中通过2倍频降阶谐振器对其进行直接调节,可消除以正、负序电压分量为基础的网侧变换器负序电流指令计算环节,并完全无需对电压、电流进行相序分离,即可实现所设定的网侧变换器辅助控制目标。仿真和实验结果表明:所提出采用降阶谐振器的电流控制方案,在电网电压不平衡条件下,既实现消除整个发电系统输出有功、无功功率的脉动的网侧变换器既定控制目标,又可提高双馈系统在不平衡故障下的动态控制性能。     

电网电压不对称故障条件下DFIG风电机组控制策略

提出了一种可应用于双馈异步发电机(DFIG)转子侧变换器的新型电流控制器,即双dq-PI转子电流调节器.在电网电压不对称故障条件下,该电流调节器可对DFIG的转子电流正、负序分量同时进行控制.推导了电网电压不对称故障条件下DFIG的数学模型,根据风力发电机在电网电压不对称故障条件下的运行规程,提出了4种控制目标,同时基于正序定子电压定向简化并得到了转子电流调节器的正、负序电流参考给定量.在一台额定功率为10 kW的DFIG实验机组上,对所提出的转子电流控制器进行了实验验证,结果表明基于该控制器的控制方案可大大改善DFIG系统在电网电压不对称故障条件下的运行性能,提高系统的故障穿越能力.     

Operation and control of a grid-connected DFIG-based wind turbine with series grid-side converter during network unbalance

This paper proposes a control scheme of a grid-connected doubly-fed induction generator (DFIG) wind turbine with series grid-side converter (SGSC) to improve the control and operation performance of DFIG system during network unbalance. The behaviors of DFIG system with SGSC under unbalanced grid voltage conditions are described. The SGSC is controlled to inject voltage in series to balance the stator voltage. Therefore, the adverse effects of voltage unbalance upon the DFIG such as large stator and rotor current unbalances, electromagnetic torque and power pulsations are removed and the conventional vector control strategy for the rotor-side converter (RSC) remains in full force under unbalanced conditions. Meanwhile, three selective control targets for the parallel grid-side converter (PGSC), such as eliminating the oscillations in total active or reactive power, or no negative-sequence current injected to the grid are identified and compared. Besides, the proportional resonant controllers in the stationary reference frame are designed for both the SGSC and PGSC to further improve the dynamic performance of the whole system. Finally, the ratings and losses of the SGSC and the injected transformer are discussed and the effectiveness of the proposed control scheme is verified by the simulation results of a 2 MW DFIG-based wind turbine with SGSC under steady state and small transient grid voltage unbalance.     

Modeling and enhanced control of DFIG under unbalanced grid voltage conditions

This paper presents a mathematical model of a doubly fed induction generator (DFIG) based on stator voltage orientation (SVO) in the positive and negative synchronous reference frames under unbalanced grid voltage conditions. The oscillations of the DFIG electromagnetic torque and the stator active and reactive powers are fully described during grid voltage unbalance. A new rotor current controller implemented in the positive synchronous reference frame is proposed. The controller consists of a proportional integral (PI) regulator and a harmonic resonant (R) compensator tuned at twice the grid frequency. Thus, the positive and negative sequence components of DFIG rotor currents are directly regulated by the PI + R controller without the need of involving positive and negative sequence decomposition, which indeed improves the dynamic performance of DFIG-based wind power generation system during small steady-state and relatively larger transient network unbalances. The theoretical analysis and the feasibility of the proposed unbalanced control scheme are validated by simulation studies on a 1.5-MW wind-turbine driven DFIG system. Compared with conventional single PI current control design, the proposed control scheme results in significant elimination of either DFIG power or torque oscillation under unbalanced grid voltage conditions.     

适用于弱电网的双馈风电机组新型故障穿越控制方法

弱电网下系统的电压稳定裕度较低,而风电场的故障穿越性能对系统的暂态电压稳定性有显著影响。传统的双馈风电机组故障穿越控制方法都是基于适用于强电网的定功率控制,不利于维持弱电网下的电压稳定性。提出一种适用于弱电网中双馈风电机组的新型故障穿越控制方法。这种新型控制方法基于同步控制,通过有功电流和无功电流下垂控制风电机组出口电压的角度和幅值,使双馈风电机组以可控电压源的外特性运行。该控制方法能使双馈风电机组在弱电网的对称故障和不对称故障中均提供无功和有功电流,并且能在故障清除后的重励磁暂态过程中提高系统的电压稳定性。该方法同样适用于需要在联网和孤网运行之间进行无缝切换的双馈风电机组。最后,通过双馈风电机组接入无穷大电网实际电网、孤网的仿真算例验证了该故障穿越控制方法的有效性及优越性。     

风电场VSC-HVDC并网不平衡运行改善控制策略

风电场柔性高压直流输电(VSC-HVDC)系统交流不平衡运行时,并网输出功率存在二倍电网频率波动,并网电压、电流波形畸变,恶化风电场并网的电能质量。为改善风电柔性高压直流输电系统在交流不平衡状况下的并网性能,针对双馈风电场侧交流不平衡运行状况提出了一种改善控制策略。该改善控制策略在计及相关平波电抗器、变压器等值阻抗影响的基础上,建立了风电场VSC-HVDC系统不平衡运行数学模型,并提出基于正负序双dq解耦轴系下的正负序控制给定电流策略。最后,通过Matlab/Simulink仿真平台对比仿真引入改善控制策略前后的系统运行性能,对比结果表明所提改善控制策略可以有效抑制风电场并网功率波动,改善系统并网电压、电流波形。     

不平衡电网电压下双馈风力发电系统的比例–积分–谐振并网控制

提出双馈发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的比例–积分–谐振(proportional integral resonant,PIR)并网控制方法,以实现电网电压不平衡工况下 DFIG 风力发电系统的并网控制.并网控制器由同步旋转坐标系中的比例–积分控制器和谐振控制器组成,比例积分控制器控制定子 d-q轴电压的直流分量,谐振控制器控制定子 d-q 轴电压的交流分量,使其分别实现对电网 d-q 轴电压直流、交流分量的精确跟踪.该比例–积分–谐振并网控制策略具有无需采用正负序分离算法,无需设计负序控制器等优点.仿真结果表明,该并网控制策略在电网电压平衡和不平衡条件下,均可控制DFIG 定子电压实现对电网电压的精确跟踪.     

电网电压不平衡度对DFIG运行特性的影响

分析了电网电压不平衡理论以及常见的电压不平衡情况,推导了电网电压不平衡时双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的输出功率,研究了电网电压不平衡时双馈感应发电机的运行特性。在Matlab/Simulink中搭建DFIG并网模型,进一步仿真研究了电网电压不平衡情况下DFIG的运行特性。研究表明,随着不平衡度的增加,风机输出有功功率和无功功率、定子侧有功功率和无功功率、转子侧有功功率和无功功率的脉动幅值近似线性增大。在同一不平衡度下,有功功率的脉动幅值高于无功功率的脉动幅值。     

基于可变系数的双馈风电机组与同步发电机协调调频策略

双馈风电机组的解耦控制决定了其输出的有功功率无法响应电网的频率变化,当风电的渗透率不断升高时,电网的调频压力不断增大。当风电作为一种新的调频电源并入电网时,为使其更好地为电网调频服务,提出一种基于可变系数的双馈风电机组与同步发电机协调一次调频策略。在不同的运行模式下,定义并整定了双馈风电机组的可变调差系数,使其可以根据当前备用容量决定其调频出力深度;兼顾风电机组的调频备用与经济性,在频率偏差允许范围内通过协调双馈风电机组与同步发电机的调频出力,实现了既能减轻同步发电机的调频压力,又能间接减少风电机组弃风量的双重目标。仿真结果表明,所提出的调频策略可使风电机组的储备功率更加充分地参与调频,有效减轻同步发电机的调频压力。     

An Enhanced LVRT Scheme for DFIG-based WECSs under Both Balanced and Unbalanced Grid Voltage Sags

Due to the latest grid codes, wind energy conversion systems (WECSs) are required to remain connected to grid under grid voltage sags and supply reactive power into the grid. So, this paper proposes an enhanced scheme to improve low-voltage ride through (LVRT) capability of doubly fed induction generator (DFIG)-based WECSs under both balanced and unbalanced grid voltage sags. The proposed scheme is composed of active and passive LVRT compensators. The active compensator is performed by controlling the rotor- and grid-side converters of the DFIG to decrease the stator flux oscillations and inject reactive power into the grid. The passive compensator is based on a three-phase stator damping resistor (SDR) located in series with the stator windings. The proposed scheme decreases the negative effects of grid voltage sags in the DFIG system including the rotor over-currents, electromagnetic torque oscillations, and DC-link over-voltage and also injects reactive power into grid to support the grid voltage. So, the LVRT capability of DFIG is enhanced and new grid code requirements are addressed. Simulation results on a 1.5-MW DFIG-based WECS using MATLAB/Simulink demonstrate the effectiveness of the proposed LVRT scheme under both balanced and unbalanced grid voltage sags.     

基于定子虚拟阻抗的双馈风电机组虚拟同步控制策略

随着可再生能源的渗透率越来越高,分布式电源面临多重挑战,虚拟同步发电机技术模拟同步发电机运行机制,成为有效解决方法之一。以双馈风电机组为研究对象,研究分析其虚拟同步控制策略,使双馈风电机组具有更大的惯性和频率支撑能力。内环采用改进型双馈风电机组定子电压、转子电流双闭环控制结构,并且建立定子电压控制模型及发电机输出阻抗模型。针对并网时功率存在的耦合问题,采用基于自适应的定子虚拟阻抗控制策略,实现了双馈风电机组并网功率的解耦。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。     

电网短路故障对并网双馈风电场的影响

分析了电网发生短路故障对并网运行风电场的影响。从双馈风电机组的单机模型出发,研究了由双馈风电机组构成的风电场单机等值方法。在仿真软件EMTP-RV中搭建了包含双馈风电机组构成的风电场电力系统模型。分析了电网发生三相接地短路和单相接地短路故障时,风电场的有功功率和无功功率输出特性、并网公共连接点母线电压波动以及系统频率等暂态变化。研究结果对未来风力发电工程的建设有参考价值。