大型DFIG风电场的LCC-HVDC并网及控制

针对大型双馈感应发电机(DFIG)风电场的相控换流器高压直流输电(LCC-HVDC)并网,分析了一种新型拓扑结构,其特点为由STATCOM稳定整流侧交流母线电压,为风电场中的DFIG提供定子励磁并保证整流器正常换向;由整流器跟踪风电场发出的有功功率,并将其送至高压直流母线.给出了该系统在同步旋转坐标系下动态数学模型,通过模型分析可知STATCOM具有非线性强耦合特性而整流器具有非仿射非线性特性.根据这2个方面特点,提出了系统控制策略:针对STATCOM模块,采用反馈线性化方法设计了动态解耦矢量控制器,完成整流侧交流母线电压和频率的控制.针对整流器模块,采用逆系统控制方法完成电流内环设计;以STATCOM直流侧电压为风电场与负载功率平衡指示,基于近似功率平衡动态模型完成电压外环的设计.经Matlab/Simulink仿真验证,系统能够顺利完成黑启动,且具有精确的功率跟踪和快速的功率响应能力.     

大容量STATCOM对于受端直流换流站运行与故障特性影响

500 kV永富直流工程富宁换流站安装了3套百兆乏级的STATCOM装置,以解决受端弱系统的动态无功不足问题。通过分析STATCOM在交流滤波器投入过程中的逆向控制及在交流瞬时故障恢复中的暂态支撑作用,对STATCOM的控制策略和响应特性进行详细阐述。通过整理STATCOM设计研究和现场试验过程中的数据,对STATCOM的特性进行验证,同时结合富宁换流站"01.10"人工交流短路试验引起的STATCOM跳闸事件,剖析STATCOM暂态闭锁和故障退出的原因。揭示了大容量STATCOM装置对受端直流换流站运行特性的影响。通过STATCOM的协调配合和暂态控制,降低直流换相失败和扰动的风险,同时提出了STATCOM的控制策略优化措施。通过对STATCOM在富宁换流站的响应特性研究,证明富宁换流站3套STATCOM对直流系统的稳定运行提供了支撑作用。     

远距离大型DFIG风电场的混合型HVDC建模及控制

针对远距离大型双馈感应发电机(DFIG)风电场,提出了一种混合型高压直流(Hybrid HVDC)输电方式并给了出其控制策略。在该方案中,HVDC整流侧采用基于晶闸管的相控换流器(LCC),并以STATCOM作为电压支撑为DFIG提供励磁和整流器换向电压;逆变侧采用基于全控器件的电流源型逆变器(CSI),从而达到对电网提供独立无功支撑的目的。文章首先建立了DFIG风电场及混合型HVDC并网系统的动态数学模型,然后针对其中的STATCOM子系统、整流器子系统和逆变器子系统给出了相应的控制器设计方法。经Matlab/Simulink仿真验证,该系统能够顺利完成黑启动,具有精确的功率跟踪和快速的功率响应能力,还能够向电网提供独立的无功支撑。     

级联STATCOM输出的单神经元解耦控制

级联STATCOM是一个强耦合的复杂非线性系统,实现对级联STATCOM精确控制的最有效途径是对级联STATCOM进行解耦控制。本文针对普通解耦控制难以实现级联STATCOM高性能控制的问题,利用神经元出色的学习能力以及不依赖于对象模型的优点,提出了一种基于单神经元的级联STATCOM交流输出的有功和无功解耦控制策略,深入探讨了单神经元解耦控制策略的Delta学习规则、解耦机理和控制器设计方法,并在matlab/simulink仿真平台上搭建了单神经元耦控制策略的级联STATCOM系统仿真模型,给出了仿真结果。理论研究和仿真结果表明,基于单神经元解耦的STATCOM输出控制方法,与普通的解耦控制方法相比,具有响应速度快、无静差、控制精度高的优点,是一种高效的级联STATCOM解耦控制方法。     

基于DSP+单片机的三相电压型PWM整流器控制系统设计

介绍了三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构,重点分析了交流侧电感和直流侧电容对系统性能的影响。基于DSP+单片机双控制器设计了一种三相电压型PWM整流器控制系统,提出了一种交流侧电感和直流侧电容的设计方法,并确定了二者的取值范围。最后针对交流侧电流谐波含量和直流侧电压动态响应速度进行了相关实验。实验结果表明:整流器交流侧电流谐波含量较少,直流侧电压脉动较小,系统响应速度快,抗干扰能力强。验证了所述控制系统和设计方法的有效性。     

均压电容与分层控制相结合的链式STATCOM直流侧电压控制方法

链式STATCOM在高压大功率场合下解决电能质量问题具有无可比拟的优势。但由于构成链式STATCOM的功率单元参数和工作状态的不一致性,使得功率单元的直流侧电压会发生不可避免的不平衡现象,严重影响了STATCOM的工作性能。控制功率模块直流侧电压均衡与稳定成为链式STATCOM的关键技术。在分析直流侧电压不平衡机理的基础上,结合硬件控制方法效果良好、软件控制方法成本低廉等优点,提出了基于均压电容与分层思想复合使用的链式STATCOM直流侧电压控制策略,以及控制策略实现的方法——等时遍历法与最值比较法,并研究了参数设计的方法。仿真实验表明:该方法控制效果优异,成本低廉,耦合度小,有利于系统扩展。     

基于矩阵整流器的直流调速系统研究

对采用矩阵式变换结构的可控整流器工作原理进行了分析研究,并将其与直流调速系统相结合,提出了基于电流空间矢量调制控制策略的矩阵整流器-直流可逆调速系统。借助Matlab软件搭建控制系统仿真模型,对系统的运行性能进行了仿真实验分析。实验结果表明基于矩阵整流器驱动的调速系统达到了良好的控制效果,系统具有动态响应快、4象限运行、能量回馈以及变换器输入侧电流正弦性好、功率因数高等显著特性。     

基于无源性理论的电压不平衡条件下PWM整流器非线性控制策略

针对PWM整流器在电网电压不平衡条件下直流侧电压出现二次谐波和交流侧出现负序电流的问题,在分析了PWM整流器数学模型的基础上,设计了一种基于无源性理论的PWM整流器非线性控制器。在Matlab下建立了PWM整流器仿真系统模型,对所设计的非线性控制器进行了仿真验证,并与传统的双dq-PI控制策略进行了比较。仿真试验结果表明,所设计的基于无源性理论的非线性控制器可以根据控制目标有效地抑制直流侧二次谐波或交流侧负序电流,与传统的双dq-PI控制器相比具有更好的动态性能。     

基于无源性理论的电压不平衡条件下PWM整流器非线性控制策略

针对PWM整流器在电网电压不平衡条件下直流侧电压出现二次谐波和交流侧出现负序电流的问题,在分析了PWM整流器数学模型的基础上,设计了一种基于无源性理论的PWM整流器非线性控制器。在Matlab下建立了PWM整流器仿真系统模型,对所设计的非线性控制器进行了仿真验证,并与传统的双dq-PI控制策略进行了比较。仿真试验结果表明,所设计的基于无源性理论的非线性控制器可以根据控制目标有效地抑制直流侧二次谐波或交流侧负序电流,与传统的双dq-PI控制器相比具有更好的动态性能。     

基于高阶滑模的STATCOM系统有限时间鲁棒控制

为提高静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)控制系统的动态性能和鲁棒性,提出一种基于高阶滑模控制的STATCOM有限时间鲁棒控制方法。该方法首先对强耦合、非线性的STATCOM系统采用逆系统的方法进行线性化解耦,根据解耦后的系统状态特性,对无功补偿电流与直流侧电容电压分别采用超螺旋与螺旋算法进行控制器设计,这2种控制方法不仅在有限时间内分别快速稳定无功补偿电流与直流侧电压,还对系统不确定性具有一定的鲁棒性。仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

含STATCOM的双馈电机风电场无功电压协调控制策略

为增强风电场并网点电压稳定性,提出了变速恒频双馈风电场与动态无功补偿装置STATCOM间的无功电压协调控制策略。电网故障导致风电并网点不同深度的电压跌落时,根据双馈风机Crowbar保护投切状态,对DFIG风电机组转子侧及网侧变流器与STATCOM进行无功功率分配,协调控制促进风电场LVRT期间风电并网点电压的快速恢复。最后,在DIg SILENT/Power Factory仿真软件中建立了风电场和STATCOM控制模型,通过仿真验证该控制策略的有效性。     

基于超级电容器储能的STATCOM对直驱风力机并网性能改善的研究

本文主要研究了采用基于超级电容器的静态同步补偿器(STATCOM)的永磁(PMSG)直驱变速风力机控制策略。基于Matlab/Simpower实现对风力发电机侧整流器最大功率提取、电网侧逆变器和STATCOM的控制策略,采用不同容量超级电容器储能的STATCOM系统在电网出现故障或者受到干扰时提升风力发电系统稳定状态和动态性能。大量仿真结果表明:与传统的STATCOM相比,采用基于超级电容器的STATCOM能有效改善并网过程中出现的电压闪变及波动,减小频率的波动,并能对故障期间的电流进行有效控制,从而较为显著地改善了直驱风力发电系统的有功、无功功率,提升了风电并网系统故障穿越能力和动态性能。     

基于改进型LADRC的STATCOM抑制双馈风电场次同步振荡策略

针对双馈风电场经串联补偿线路送出引发的次同步振荡问题,提出了一种基于改进型线性自抗扰控制(LADRC)的静止同步补偿器(STATCOM),实现对系统次同步振荡的抑制。LADRC设计时考虑延时因素,在控制计算中消除由信号测量、传输等延时导致的输入量之间时间轴上的不匹配。基于改进型LADRC设计了STATCOM的附加阻尼控制器、电压外环、电流内环控制器以及锁相环,使STATCOM为系统提供正阻尼,同时增强控制系统的速动性和抗干扰能力,以适应次同步振荡工况,并从阻抗角度分析了STATCOM抑制次同步振荡的作用机理。在MATLAB/Simulink中搭建了系统的时域仿真模型,实验结果证实了所提出的抑制策略在动态性能和抗干扰方面的优越性。     

风电场中静止同步补偿器的输入–输出反馈线性化控制

提出一种风电场中静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)的非线性控制方法,以提高其动态性能。首先给出STATCOM的动态模型,然后应用输入-输出反馈线性化方法得到精确的线性化模型。将STATCOM应用到风电场中,比较加入STATCOM前后的电压变化情况,结果表明,输入-输出反馈线性化方法对STATCOM具有良好的控制性能,同时STATCOM的应用也提高了风电场的电能质量。     

Firefly Optimization Algorithm for the Reactive Power Control of an Isolated Wind-Diesel System

This paper investigates the application of firefly optimization algorithm to design an optimal control for voltage stability of a stand-alone hybrid renewable generation unit based on reactive power control. The studied renewable generation unit mainly consists of a permanent magnet induction generator driven by wind turbine and a synchronous generator driven by diesel engine. A STATCOM is used to stabilize the terminal load bus voltage via compensating of reactive power. The main control objective aims to stabilize the terminal load voltage against any disturbances in load reactive power and/or input wind power by adjusting the total system reactive power. This is accomplished by controlling STATCOM phase angle and hence to control the load bus voltage and also by controlling the excitation voltage of the synchronous generator. The proposed renewable energy power system based on the proposed optimal controller has been tested through step change in input wind power and load reactive power. The system performance based on the proposed control is compared with model predictive control, a robust H_∞ control, and a classical PI control.     

直接驱动型风力发电系统低电压穿越控制策略

提出了直接驱动型永磁同步风力发电系统在电网故障前后的控制策略。采用基于二阶广义积分闭环电网电压跌落检测方法,可精确得出电网电压故障信号、正序分量幅值、相位角。电网电压故障信号送给变桨距执行机构,最大限度地调节桨距角,屏蔽部分输入功率,提高系统低电压穿越能力;探索直驱风电系统在电网电压跌落发生后的控制策略,并实现与正常运行模式的快速平滑切换。故障前,网侧变流器运行在单位功率因数状态,保持直流侧电压恒定;故障后运行在STATCOM模式,依据检测环节所提供的电网电压正序分量幅值和相位角来决定变流器所发无功电流的量值,为电网提供动态无功支持。基于超级电容器的双向DC/DC变换器作为直流侧保护电路,来快速维持直流侧电压稳定。     

Application of STATCOM/BESS for wind power smoothening and hydrogen generation

This paper proposes static synchronous compensator (STATCOM) incorporated with battery energy storage system (STATCOM/BESS) to smooth the line power of wind farm consists of fixed-speed wind generators. Constant output power reference is not a good choice because there may be some cases where wind speed is very low and then sufficient power cannot be obtained. In that case, energy storage device can solve the problem but large energy capacity may be needed. This paper proposes exponential moving average (EMA) to generate the reference output power, and thus the energy capacity of BESS unit can be small. Another salient feature of this study is the generation of hydrogen by using wind energy. At the wind farm terminal, two topologies of hydrogen generators are considered to be connected and their merits and demerits are analyzed. Finally, by taking the advantage of STATCOM/BESS, simple hydrogen generator topology composed of rectifier and electrolyzer is proposed. Detailed modeling and control strategy of hydrogen generator and STATCOM/BESS topologies are discussed and a cooperative control is developed. The effectiveness of the proposed system is verified by the simulation analysis using PSCAD/EMTDC.     

提高STATCOM/BESS风电系统频率与电压支撑的智能联调优化控制方法

针对风电并网系统运行中负荷突变引起的频率波动和并网点电压的骤升/骤降问题,提出一种基于储能型静止同步补偿器(STATCOM/BESS)的频率与电压智能联调优化控制方法,该方法在具体实施过程中分为实时监测层、动态决策层和执行控制层3层,各层之间紧密联系,形成可靠闭环。首先,在实时监测层,基于风速分区与模糊控制判断风机的调频能力、系统有功需求及无功需求;其次,在动态决策层,综合考虑惯性常数和并网点电压,结合风机无功可调范围,动态优化有功、无功分配策略;最后,在执行控制层,风电机组与STATCOM/BESS对功率指令进行控制执行,STATCOM/BESS强化虚拟惯性时,考虑蓄电池(BESS)荷电状态,基于反馈动态调整其工作模式,控制结束后将相关参数及时反馈。仿真结果表明,基于STATCOM/BESS的风电系统智能联调优化控制可有效改善频率与电压的动态响应,提高频率与电压支撑能力。     

接入LCC-HVDC的双馈风电场孤岛启动与并网控制策略

接入常规高压直流输电(LCC-HVDC)的双馈风电场系统,在直流送端无电压支撑的条件下无法孤岛启动,在传统并网控制方法下也无法稳定运行。为实现系统的孤岛启动及并网后的稳定运行,提出了一种接入LCC-HVDC的双馈风电场孤岛启动与并网控制策略,包括基于分布式储能的电路拓扑、孤岛启动的时序以及启动时序中每阶段系统的控制方法。在电路拓扑中,由配置于若干双馈风电机组变流器直流母线的储能为系统启动提供能量。基于此,风电机组采用空载启动方式,并网后风电机组采用基于无功功率的频率控制,直流系统采用基于有功功率的电压控制,两者共同维持送端交流母线电压及频率稳定。基于PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,系统不仅能够顺利完成孤岛启动,而且在正常工况下电压和频率能够维持稳定,从而验证了所提孤岛启动与并网控制策略的有效性。