Low voltage ride-through enhancement of DFIG-based wind turbine using DC link switchable resistive type fault current limiter

Doubly-fed induction generator (DFIG)-based wind turbines utilise small-scale voltage sourced converters with a limited overcurrent withstand capability, which makes the DFIG-based wind turbines very vulnerable to grid faults. Often, modern DFIG systems employ a crowbar protection at the rotor circuit to protect the rotor side converter (RSC) during grid faults. This method converts the DFIG to a squirrel cage induction generator, which does not comply with the new grid codes. The recent grid codes need wind turbines to stay connected to the utility grid during and after power system faults, especially in high penetration level of wind power. Furthermore, the crowbar switch is expensive. This paper proposes a novel DC-link switchable resistive-type fault current limiter (SRFCL) to improve the LVRT capability of the DFIG. The proposed SRFCL is employed in the DC side of the RSC. The SRFCL solves crowbar protection activation problems and eliminates subsequent complications in the DFIG system. The proposed SRFCL does not have any significant impact on the overall performance of the DFIG during normal operation. Whenever the fault, whether symmetrical or asymmetrical, occurs, the SRFCL not only limits rotor over-currents but also prevents rotor speed acceleration and restricts high torque oscillations even during zero grid voltage, as recommended by some grid codes. To prove the effective operation of the SRFCL on the RSC fault current limitation, analytical analysis is performed in each switching interval. The proposed approach is compared with the crowbar-based protection method. Simulation studies are carried out in PSCAD/EMTDC software. In addition, a prototype is provided to demonstrate the main concept of the proposed approach.     

基于磁屏蔽型超导限流器的双馈感应风力发电机低电压穿越

风能并网导则要求并网风电机组需具备低电压穿越能力。针对双馈感应风力发电机在故障期间保持并网运行问题,提出一种磁屏蔽型超导限流器串于定子侧的解决方案。基于该限流器正常运行时阻抗极小、故障瞬间立即响应为一定阻抗,结合短路故障分析,建立限流器物理仿真模型,并对低电压穿越指标进行数学推理分析论证。该限流器可以减弱定子磁链暂态分量的冲击,改善转子过电流,削减电磁转矩振幅与振荡时间,整体提高双馈感应风力发电机故障穿越能力。最后通过Matlab/Simulink仿真验证该限流器的有效性。     

基于保障低压穿越能力的风电机组撬棒自适应投切策略研究

针对风电场低压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力提升问题,以并网型中大规模风电场为研究对象,从整个风电场层面出发,分析了故障扰动场景下双馈风机(Doubly-fed Induction Generator, DFIG)的暂态特性及LVRT能力。利用RBF(Radial Basis Function)神经网络对切除后的DFIG转子电流暂态过程进行有效拟合,提出了一种撬棒保护自适应投切策略。算例仿真结果表明,RBF神经网络对故障后转子侧最大电流预测较为准确,能够有效避免撬棒的重复投切。该策略进一步提升了故障场景下风电场的无功支撑和LVRT能力,显著提高了风电场运行的安全稳定性水平。     

改善基于双馈感应发电机的并网风电场暂态电压稳定性研究

提出了改善基于双馈感应发电机的并网风电场暂态电压稳定性的措施以实现风电场的低电压穿越(low voltage ride through, LVRT)功能。目前，大部分基于双馈感应发电机的变速风电机组不具有故障情况下的暂态电压支持能力，当电网侧发生严重短路故障时，风电场的暂态电压稳定能力会影响到电网安全稳定。该文在DIgSILENT/PowerFactory中建立了具有暂态电压支持能力的变速风电机组转子侧变频器控制模型及用于故障后稳定控制的桨距角控制模型，通过包含风电场的电力系统仿真计算验证了模型的有效性及其对风电机组和电网暂态电压稳定性的贡献。仿真结果表明，当电网侧发生三相短路故障时，风电机组转子侧变频器暂态电压控制能够控制风电机组发出无功功率支持电网电压；桨距角控制能有效降低变速风电机组机械转矩，避免出现风电机组超速及电压失稳。得出结论：采用变频器暂态电压控制及桨距角控制能够改善基于双馈感应发电机的并网风电场的暂态电压稳定性，确保风电机组低电压穿越(LVRT)功能的实现及电网安全稳定。     

储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制

针对传统双馈风电机组(DFIG)低电压穿越(LVRT)能力不足问题,提出了储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制。该控制是在网侧变流器（GSC）原有的模型上将超级电容经隔离型DC/DC变换器并联到风机直流侧,以此吸收故障期间直流侧产生的不平衡功率;在发生低电压故障时,根据超级电容投入情况,对两侧变流器和并联在风机出口母线上的STATCOM进行无功协调控制来支撑电网电压;同时超级电容储能装置采用电压电流双闭环控制,满足了系统稳定性和经济性的要求。仿真结果表明：该方法应用在风电并网系统中可以使DFIG的LVRT能力得到极大的提升。     

基于磁链追踪的双馈风力发电系统低电压穿越控制

根据当今世界对风能转换系统提出的必须具有低电压穿越能力的要求,研究了电网跌落对双馈风力发电机的影响。在电网跌落时双馈风力发电机运行特点的基础上,分析并提出了一种基于磁链追踪的双馈风力发电系统低电压穿越控制策略,有效地抑制了双馈风力发电机定、转子过电流,保证了变流器的安全运行,实现了双馈风力发电机在电网跌落时的低电压穿越。依据理论分析,建立了双馈风力发电机磁链追踪控制模型,并通过MATLAB/SIMULINK平台进行仿真研究,仿真结果证实了所提控制策略的可行性和有效性。     

风电场联络线短路电流特性的研究

为了对包含双馈感应风力发电机风电场的联络线保护进行研究,有必要对联络线发生故障时的短路电流特性进行分析。对于联络线对称短路故障,利用双馈风力发电机定、转子磁链的暂态变化机理,推导了双馈风力发电机组在联络线远端和近端故障情况下的定子暂态电流解析表达式。对于不对称短路故障,通过利用对称分量法和双馈感应风力发电机简化正负序等效电路,定性地分析了联络线发生不对称故障时的短路电流特性。仿真结果表明含双馈感应风力发电机的风电场联络线短路电流特性与常规电力系统短路电流特性有明显差别。     

基于PSCAD的风电场低电压穿越无功支撑仿真研究

首先分析风电场低电压穿越(low voltage ride-through,LVRT)能力,然后介绍以双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)为主体的风电场模型以及静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)的控制策略。最后将STATCOM和静止无功补偿器(static var compensator,SVC)分别应用到含风电场的无穷大系统中,在电力系统仿真软件PSCAD上搭建模型,并对系统故障状态进行仿真,在此基础上分析STATCOM和SVC的无功补偿特性,并对补偿效果进行比较。仿真结果表明无功补偿装置可以在系统故障后提供无功支撑,提高了风电场的低电压穿越能力,并且STATCOM无功补偿性能较SVC更优。     

面向风电场的超导限流-储能系统

双馈式感应发电机具有体积小、重量轻、成本低等突出优点,目前已成为风电场中的主力机型。然而双馈式感应发电机存在低电压穿越能力弱和功率输出不稳定两大问题。为了同时解决这两个问题,提出了集成于单台风力发电机的超导限流—储能系统原理。进一步将该原理运用于风电场,并开展实际样机的研制。分析了超导限流—储能系统在风电场应用的工作原理,提出了适用于风电场的拓扑结构和其中桥路型限流器的参数设计方法,并开展了针对实际风电场应用的仿真研究。仿真结果证明了该方案的有效性和可行性。     

制动电阻对变速双馈风电机组故障穿越能力的影响研究

为保持系统稳定,必须要求风电机组具有故障穿越能力.双馈风电机组故障穿越能力已成为研究热点.介绍了故障穿越标准,分析了双馈风电机组暂态特性与制动电阻的工作原理,详细分析电网电压跌落情况下,制动电阻接在风电场升压变压器低压侧与接在风电机组机端对双馈风机故障穿越能力影响.试验结果表明:故障期间投入制动电阻,能有效提升双馈风电场故障穿越能力.     

低电压穿越控制下双馈风电机组短路电流特性与计算方法

双馈风电机组(DFIG)的规模化应用使得电力系统的故障特性发生了变化,极大制约了电力系统继电保护的实施。针对现有研究未计及低电压穿越(LVRT)措施对DFIG故障特性的影响问题,对低电压穿越控制下DFIG的短路电流进行研究,重点考虑DFIG无功功率输出通过改变机端电压对机组故障输出特性的影响。着眼于DFIG定转子绕组反应、变换器LVRT控制的相互耦合,通过构建LVRT控制下的DFIG矢量模型,导出了LVRT控制启动前和启动后的DFIG短路电流表达式,从无功功率输出和LVRT控制启动延时两个方面分析LVRT控制对DFIG短路电流的影响,建立LVRT控制启动前和启动后的DFIG故障等效模型,提出考虑LVRT控制影响的DFIG并网系统短路电流的计算方法。     

双馈风电场群短路电流计算与故障分析方法

由于风电场群内各风电场的暂态特性存在较大差异,且各风电场及系统间存在较强的耦合关系,这些因素增加了风电场群接入后电力系统故障分析的复杂度。基于变流器的输入-输出外特性等值了变流器的数学模型,进一步给出了计及变流器控制影响的双馈风电机组暂态模型,分析了低电压穿越控制策略对短路电流的影响机理,并建立了双馈风电机组的短路电流计算模型。分析了故障期间风电场间的相互影响机理,提出了双馈风电场群的短路电流计算方法。采用RTDS建立含双馈风电机组实际控制器的物理实验平台,验证了所提出的双馈风电场群短路电流计算方法的准确性。在此基础上对双馈风电场群接入后的电网故障分析方法进行了探讨与分析。     

电网故障下双馈风电机组暂态电流评估及分析

为了便于分析并网双馈风力发电机组低电压穿越(LVRT)运行的承受能力,有必要对电网故障下双馈风电机组的暂态电流进行评估.本文利用双馈发电机定、转子磁链的暂态变化机理,推导并提出了双馈风电机组在机端短路故障和电网电压不同跌落程度时的定、转子暂态电流评估的解析表达式,并通过考虑风力机传动链柔性的机组暂态仿真结果验证了推导表达式的正确性.在此基础上,应用推导的表达式对双馈风电机组在不同初始输出有功功率、无功功率以及电网电压不同跌落程度时的定、转子暂态电流最大值进行了计算,并得到了不同运行工况对机组暂态性能的影响规律.     

具有低电压穿越能力的集群接入风电场故障特性仿真研究

结合风电机组的结构和并网原理,对直驱风电机组提出了"卸荷电路+无功补偿"的低电压穿越改进控制方法,对双馈风电机组采用了DC-Chopper和SDBR(series dynamic braking resistor)代替Crowbar的低电压穿越改进控制方法。以PSCAD为平台分别构建了具备低电压穿越能力的直驱风电机组和双馈风电机组的并网仿真模型;结合风电并网技术规程,采用电压跌落器仿真验证了直驱、双馈风电机组在电网电压跌落下的低电压穿越能力。参照新疆达坂城实际风电场群接入系统方案,构建了包含具备低电压穿越能力的直驱、双馈风电机组的集群风电场仿真算例,研究了风电场送出线故障、集群风电场送出线电压跌落、系统线路电压跌落时风电场群故障穿越特性。仿真结果表明:集群接入风电场送出线电压跌落会影响相邻风电场及系统的电压和频率,故障结束后整个风电接入系统可以在风电接入技术规程要求的时间内恢复至稳态运行状态。研究成果有助于分析风电大规模集群接入系统的运行特性,提高电力系统对风电的接纳能力。     

集成SMES和CS-SGSC的双馈型风力发电系统

双馈型风力发电机面临能量输出不稳定和低电压穿越能力弱2个主要问题。为了同时解决这2个问题,提出了一种集成超导储能系统和电流型串联网侧变流器的双馈型风力发电系统。该系统利用超导磁体作为能量储存和缓冲环节,提高了能量输出的稳定性;利用电流型串联网侧变流器实现了对定子电压的保护,提升了双馈型风力发电机的低电压穿越能力。仿真结果证明了该拓扑结构及其控制策略的有效性。     

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。     

基于无功判定法的Crowbar保护电路退出控制

"并网难"已成为风电发展的瓶颈,而低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)是风电并网中的核心技术,目前主要采用Crowbar保护电路实现风电机组在大干扰下也具有LVRT能力,而Crowbar电路退出时间对电网故障恢复有很大的影响。根据我国风电大规模远距离的特点,在DIgSILENT中建立了双馈风力发电机组(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的动态模型,并经过远距离输电线与IEEE9节点电力系统相连,仿真分析了DFIG在各种短路故障条件下的运行特性,提出一种基于无功功率判定的Crowbar退出控制方法,能实现Crowbar电路在故障切除后立刻退出,提高了DFIG的LVRT能力。     

基于主动式Crowbar的双馈风电机组LVRT性能优化分析

面对短路故障引起的电压大幅跌落,为避免直接脱网对电网造成的不利影响,双馈感应风电(DFIG)机组多采用撬棒保护电路(Crowbar)实现低电压穿越(LVRT)功能。文章利用磁链平衡原理对含Crowbar电路的DFIG三相短路电流简化表达式进行推导,提出旁路阻值的优化整定方法。为验证整定方法的有效性及Crowbar退出时间对LVRT性能的影响,利用PSCAD/EMTDC平台对电压骤降情况下DFIG的LVRT性能进行了一系列仿真分析,结果表明:在确保网侧变流器正常工作的前提下,Crowbar阻值在整定范围内取偏大值且Crowbar在故障清除1个周波后退出运行,会使DFIG得到更好的LVRT效果。     

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。     

串联谐振式限流器对操作过电压的影响及分析

串联谐振式故障电流限制器(SRFCL)是目前最有希望在超高压电网中应用的限流器。笔者采用EMTP和PSCAD电磁暂态仿真软件,以500 kV电网中不同位置安装15Ω串联谐振式限流器为例,计算和分析了SRFCL对操作过电压的影响。其中工况包括:①开断空载线路操作过电压;②单相接地故障导致三相甩负荷引起的操作过电压;③三相甩负荷操作过电压;④单相自动重合闸操作过电压。分析结果认为:SRFCL对②、③、④影响很小,而对①具有明显影响。笔者还对影响的机理和因素作了分析,这些可以为SRFCL在超高压电网中的应用提供参考。