基于双馈风机抗阻比的次同步振荡抑制策略

现有的抑制双馈风机次同步振荡(SSO)的方法大多以转子转速偏差信号作为输入,需要较大增益的同时可能会引起超同步振荡。利用双馈风电场-串联补偿输电系统的复频域阻抗模型,将基于双馈风机网侧变流器的阻尼控制等效为虚拟阻抗,解释了双馈风机在不同抗阻比以及不同补偿角度下的作用机理;基于以线路电流为输入的次同步阻尼控制方法,提出了改进的基于双馈风机抗阻比设计最佳补偿角度的阻尼控制策略及参数整定方法。以真实风电场SSO事件为算例,在MATLAB/Simulink平台搭建双馈风电场-串联补偿输电系统的等值模型,通过时域仿真验证了所提阻尼控制策略的效果。     

基于变流器改进控制的双馈风电机组SSO抑制方法

针对双馈风电机组经串联补偿电网运行时发生的次同步振荡问题,建立了双馈风电机组统一导纳模型,并根据变流器控制特点,进一步研究了抑制次同步振荡的策略。基于d-q坐标系下双馈风电机组统一导纳模型,利用广义奈奎斯特判据分析了双馈风电串补输电系统次同步振荡的主要影响因素,研究了在转子侧变流器上采用定子电流扰动反馈,在网侧变流器上利用网侧变流器电流扰动反馈的附加阻尼控制策略。比较分析了在转子侧变流器和网侧变流器上同时附加阻尼控制对次同步振荡的抑制效果,结果表明同时附加阻尼控制在串补度较高的情况下也能抑制次同步振荡。最后,通过仿真验证了所建模型及理论分析的正确性。     

基于双馈风机抗阻比的次同步振荡抑制策略

现有的抑制双馈风机次同步振荡(SSO)的方法大多以转子转速偏差信号作为输入,需要较大增益的同时可能会引起超同步振荡。利用双馈风电场-串联补偿输电系统的复频域阻抗模型,将基于双馈风机网侧变流器的阻尼控制等效为虚拟阻抗,解释了双馈风机在不同抗阻比以及不同补偿角度下的作用机理;基于以线路电流为输入的次同步阻尼控制方法,提出了改进的基于双馈风机抗阻比设计最佳补偿角度的阻尼控制策略及参数整定方法。以真实风电场SSO事件为算例,在MATLAB/Simulink平台搭建双馈风电场-串联补偿输电系统的等值模型,通过时域仿真验证了所提阻尼控制策略的效果。     

大规模双馈风电场次同步振荡的成因分析

为了探究大规模双馈风电场在无串补情况下发生次同步振荡现象的原因,文中在MATLAB/SIMLINK软件搭建了双馈风机无串补线路并网模型,结合时域仿真法研究了风机出力、RSC控制器参数、无功外环控制器参数和传输线路长度与次同步振荡的关系。结果表明:风速越大,并网台数越多,即风机出力越大,则更易发生次同步振荡。单独改变RSC内环电流控制器的Ki参数,不会产生系统振荡,然而调节Kp参数太大,系统更易发生次同步振荡。外环无功控制器比例系数Kp过大,控制器参数过于灵敏,会造成无功功率的超调,系统更易发生次同步振荡。传输线路的大小只影响电压波动的范围,不会造成系统发生次同步振荡。     

计及网络谐振结构的双馈风电场次同步振荡问题分析及抑制

针对双馈风电场经串补送出时的振荡问题,致力于从电力网络谐振的角度分析其振荡机理,并提出相关抑制措施。首先结合双馈风机的基本结构,对其交流侧受扰动时的响应特性进行了分析,建立起双馈风机的端口阻抗模型。在此基础上,采用s域节点导纳矩阵法分析了不同运行工况下双馈风电场经串补送出系统的网络谐振结构,并确定了不稳定谐振模式的主要影响区域。最后,针对最不稳定的谐振模式提出了基于旁路阻尼滤波器的谐振抑制措施,并通过电磁暂态仿真对其有效性进行了验证。算例分析表明,在高串补度、低运行转速下,系统在次同步频段内确实存在一定的谐振风险;通过合理设计旁路阻尼滤波器参数,可以有效提高系统的谐振稳定性。     

含双馈机组转子侧附加控制的风电场次同步振荡抑制方法

针对含双馈机组风电场通过串联补偿外送功率时产生的次同步振荡(sub-synchronous oscillations,SSO)问题,建立了包含两质量块轴系、d-q解耦控制回路等的详细模型。采用测试信号法绘制分析阻尼曲线。该曲线显示,串联补偿的加入改变了电气阻尼特性。如果控制器参数不合理,较低串补度下也有发生振荡的风险;随着串补度的加大,电气谐振点的负阻尼越大,对应于转子侧的电气谐振频率越低。当轴系参数耦合时会发生轴系扭振。针对双馈机组转子变换器控制回路的特点,在转子侧注入次同步电流,以激发次同步电磁转矩阻尼振荡,设计附加功率控制的次同步阻尼控制器(sub-synchronous damping controller,SSDC)对次同步振荡予以抑制,并给出了控制器参数的整定方法。时域仿真结果表明:采用该SSDC方案,能够有效抑制串补引发的风电场SSO问题。     

双馈风机串补输电系统次同步谐振影响因素及稳定区域分析

以华北地区某风电场双馈风机串补输电系统为原型,首先通过特征值灵敏度分析得到影响风机次同步谐振的主导因素。然后研究了对包含最大功率跟踪在内的风机全运行区域的稳定性,说明了各种主导因素变化对风机稳定性和安全运行区的影响。结果表明:在相同的条件下,串补度越高,次同步谐振风险越大,稳定区面积越小。风机转子侧变流器电流环比例系数对次同步谐振起负阻尼,若将该系数降低会对次同步起到一定的抑制作用,该系数越小,稳定区的面积越大。研究还发现:在一定条件下,降低风机台数会消除次同步谐振风险并且谐振频率随着风机台数的变化而变化。在此基础上,给出了风机参数设置和风电场安全稳定运行建议。     

基于虚拟电阻的双馈风机次同步振荡分数阶PI控制

针对传统方法抑制双馈风机经不同串补电容并网引发的次同步振荡效果不佳的问题,文中提出一种基于虚拟电阻的风机分数阶比例-积分(FOPI)控制策略。首先,分析风电系统次同步振荡发生机理,并以风机并网电流为输入信号设计宽频带次同步电流滤波器,构建出虚拟电阻控制器以增强系统电气阻尼;之后,利用Oustaloup算法改进分数阶积分算子,以网侧变流器控制方程为底层模型重构FOPI电流控制环,分析积分阶次对电流跟踪动态特性的影响;然后,通过引入非线性迭代权重以及学习因子改进传统灰狼优化算法,优化控制策略参数;最后,利用Matlab/Simulink搭建仿真验证模型,结果表明所提策略能有效抑制不同串补度下的次同步振荡,表现出较强的鲁棒稳定性。     

基于反步自适应准谐振控制的双馈风机次同步振荡抑制策略

随着电力系统容量和规模的不断扩大,常采取串补电容的方式提升输电线路的输电能力,但这加剧了电力系统中出现次同步振荡（SSO）的风险。SSO的产生会影响双馈感应发电机（DFIG）转子侧变流器（RSC）的控制,进而引起定子电流的振荡发散,严重时将会导致风机解列脱网。因此,为解决SSO对RSC控制产生扰动的问题,该文提出了基于自适应准谐振控制的RSC反步次同步振荡抑制策略。首先对SSO在RSC控制系统中的传播路径及其频率变化对控制的影响等内容展开研究;然后通过反步控制器与自适应准谐振控制器的协同控制,对DFIG定子中宽频带SSO电流进行抑制,避免发电系统输出受到SSO的影响;最后通过搭建仿真模型与实验平台,验证所提理论与控制策略的有效性。该文分别对在10 Hz、20 Hz、30 Hz及频率变化时SSO影响下的DFIG定子振荡电流抑制效果进行验证。实验结果表明,所提策略对DFIG系统中宽频带SSO具有良好的抑制效果。     

双馈风电场经柔直并网系统次同步振荡机理及特性分析

双馈风电场经柔直接入交流电网可能成为未来"三北"地区大规模风电外送的输电方式。但是双馈风机与柔直系统之间的相互作用存在引发次同步振荡的风险。为此,该文在建立双馈风电场经柔直接入交流电网的系统等值模型的基础上,通过阻抗法分析次同步振荡产生的机理;研究风电场并网机组台数、风速、负荷等因素对次同步振荡特性的影响;同时引入变流器控制器参数的灵敏度指标,分析各控制器参数对系统虚拟阻抗的影响。结果表明,特定运行条件易引发系统的次同步振荡,双馈风电机组在次同步振荡频率上表现出"负电阻、感性电抗"性质,与柔直风场侧变流器("正电阻、容性电抗")构成等效的负电阻谐振电路,并因负阻尼效应引起系统的次同步振荡;最后仿真验证理论分析的正确性。     

弱电网下双馈风电机组电网电压扰动补偿控制策略

针对弱电网下双馈风电并网系统的稳定性问题,文中提出了一种基于电网电压扰动补偿的双馈风电机组补偿控制策略。首先,在同步旋转坐标系下建立双馈风电机组,包括转子侧变换器和网侧变换器的统一阻抗模型。然后,基于所建立的阻抗模型分析了并网点电压扰动到控制器输出的传递关系,分别在转子侧电流环和网侧电流环引入了电压扰动补偿对变换器进行改进控制,并通过广义奈奎斯特判据证明了该方法能有效提高双馈风电机组在弱电网下的并网稳定性。理论分析表明,基于并网点电压扰动补偿的转子侧和网侧补偿控制能很好地改善双馈风电机组的输出阻抗特性,从而提高其在弱电网下的稳定性。最后,通过仿真分析验证了该补偿控制方法的有效性。     

双馈感应风力发电机故障穿越特性及其控制

风电场低电压穿越能力对接入系统的暂态稳定性有着重要影响。分析双馈感应风力发电机的励磁控制原理,在此基础上研究风电机组基于电流解耦的矢量控制策略以及故障期间转子侧变流器Crowbar(撬棒)滞环保护方案和网侧变流器的电压支撑技术。运用PSCAD/EMTDC仿真工具研究常规同步发电机和双馈风力发电机2种类型机组在短时间和长时间短路故障时的暂态响应特性,并探讨变流器参数对风电机组性能的影响。结果表明:变流器紧急应对措施可以使风机迅速恢复控制能力,从而通过灵活地调节其转子磁链矢量的幅值和相角使电压快速重建;此外,选择合适的直流侧电容容量将增强不对称故障情况下网侧变流器抵抗负序电流的能力。     

基于故障电流解析表达的FCL协助DFIG低电压穿越研究

双馈感应电机(DFIG)与公共耦合点(PCC)间投入故障电流限制器(FCL)实现低电压穿越(LVRT)时,定子电压受FCL阻抗与网侧变流器(GSC)电流影响,无法设定定子电压,需要对DFIG与FCL整体建模以分析故障电流。基于恒定电流控制策略推导转子侧变流器(RSC)与GSC电流,提出DFIG故障电流的解析表达式。考虑到电压定向下定子相角振荡会导致dq轴恒定电流在xy轴下变化,不利于定子电流稳定,采用dq轴与xy轴相重合的定向方案。对比不同的RSC与GSC电流参考值、FCL阻抗值与切出时间下DFIG LVRT过程中的电磁转矩振荡,选择LVRT性能较好的一组控制参数。仿真结果表明,FCL阻抗取值受RSC与GSC电流参考值影响,且FCL阻抗越大,所取切出时间越短。     

电网电压不平衡下双馈型风电场可控运行区域及其控制策略

电网电压不平衡条件下,双馈感应发电机(DFIG)风电机组实现电磁转矩无脉动等不同传统控制目标时所需要的负序电流幅值不同。结合电网电压不平衡条件下电网侧变换器(GSC)与转子侧变换器(RSC)实现各传统控制目标时所需的负序电流幅值,通过详细分析等值DFIG风电场GSC与RSC的输出负序电流能力,得到基于不同电网电压不平衡度和系统有功出力的DFIG风电场可控运行区域。以该可控运行区域为基础,提出电网电压不平衡条件下DFIG风电场的多目标协调控制策略,即根据电网电压不平衡度及系统有功出力选择或切换系统最优控制目标,进而改善不平衡电压下DFIG风电场的运行能力及所并电网的电能质量。仿真与实验结果验证了所提方案的可行性。     

计及直流链路动态耦合效应的双馈风电机组谐波阻抗模型

双馈风电机组的大量并网会给电网带来谐波谐振等电能质量问题,研究此类问题的关键在于建立准确有效的风机谐波模型.传统的双馈风电机组谐波阻抗模型的建立通常基于理想的直流链路电压,然而在风机实际运行中,变流器交直流侧交互作用会导致直流链路电压出现动态耦合谐波成分,且两侧变流器谐波可通过直流链路双向传递,进而产生耦合,即存在直流...     

计及滤波电路损耗和多重限制的DFIG无功极限计算

风电机组的无功控制可极大提高风电场的灵活性,准确求取无功控制安全运行域不仅可以为各种控制策略的实现提供可靠边界,还可以减少无功补偿装置投资。文中以目前的主流机型——双馈感应发电机(DFIG)为研究对象,建立了其dq旋转坐标系下的数学模型。在此基础上,结合矢量控制的定向方式,对定子无功极限,考虑转子侧变流器(RSC)容量、RSC运行电流以及DFIG容量3个限制因素;对网侧变流器(GSC)与电网交换的无功,考虑GSC容量和最大运行电流2个限制因素,推导了计及网侧滤波电感无功损耗的无功极限解析式。最后,时域仿真验证了解析式的正确性,基于算例参数的仿真结果表明,计及网侧滤波电感损耗最大能避免总无功出力8%的误差,DFIG无功极限计算需要综合考虑多重限制因素。     

双馈风电并网系统高频谐振机理及抑制策略

双馈风电机组并网时,由于机网相互作用可能会发生高频谐振,造成巨大的经济损失。针对该问题,首先,综合考虑机侧变流器和网侧变流器的影响,建立双馈风电机组的阻抗模型,并考虑风机接入电网时所采用的不同补偿方式建立双馈风电并网系统阻抗模型,通过绘制和分析阻抗频率响应曲线,揭示双馈风电并网系统高频谐振的产生机理;然后,借鉴光伏逆变器高频谐振抑制的思想,在机侧变流器和网侧变流器原有控制策略中附加阻尼控制环节进行阻抗重塑,以实现风电并网系统高频谐振的有效抑制;最后,通过仿真验证了所提策略的合理性与有效性。     

变速恒频风机双PWM变换器协调控制策略研究

为解决变速恒频风机运行中转子侧功率变化频繁,直流母线电压波动剧烈的问题,对双PWM变换器控制策略进行了研究。结合双馈电机的特点,得出了母线负载电流的计算方法,并分析了负载电流前馈策略的不足。提出了一种基于动态功率前馈的新型协调控制策略,特点在于选择控制电压节点作为前馈补偿点,避免了电流环的迟延,并且将双馈电机动态信息整合进入网侧变换器的控制当中。最后建立双PWM励磁的风电机组模型进行仿真验证,结果表明新策略极大改善了直流母线动态特性,因此降低了对变换器中电解电容容量的要求,提高了机组的可靠性。     

基于虚拟同步发电机和无源性控制的DFIG 机侧控制策略

传统的双馈感应发电机(doubly-fed induction generator, DFIG)矢量控制因其惯性与电网频率波动解耦而不能为电网提供额外的有功功率支持,为此在DFIG转子侧变流器控制中引入一种改进的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)控制策略。针对传统VSG控制存在的频率偏差问题,通过在有功下垂环节中加入一个Washout滤波器,实现了在不需要增加额外2次控制回路情况下就能使频率保持在工频50 Hz附近。同时,为解决传统VSG中电压电流双环控制中内环电流PI控制存在的动态响应有限、鲁棒性不强等问题,首次在内环电流控制中引入了基于端口受控的耗散哈密顿(port controlled Hamiltonian with dissipation, PCHD)模型的无源性控制(passivity-based control, PBC)方法,设计了转子侧变流器的无源性控制器。最后,搭建了DFIG仿真系统进行实验验证,结果表明了本文所提控制策略的有效性和优越性。     

A novel control scheme for DFIG-based wind energy systems under unbalanced grid conditions

This paper presents an analysis and a novel control scheme for a doubly fed induction generator (DFIG) based wind energy generation under unbalanced grid voltage conditions. The control objectives are: (i) to limit the rotor currents, (ii) to suppress ripples in the torque and (iii) to suppress the dc-link voltage fluctuation through converter controls. Negative sequence compensation techniques by one of the converters, namely, the rotor side converter (RSC) or the grid side converter (GSC) in a DFIG are discussed and their limitations are presented. A coordinated control scheme with a concise structure compared to the conventional dual sequence control structure is proposed in this paper. The RSC is controlled to suppress ripples in the torque and the rotor currents while the GSC is controlled to suppress ripples in the dc-link voltage by considering the rotor power effect. The major contributions of the paper include: (i) the presentation of the limitation of negative sequence compensation using one converter; (ii) development of a concise coordination control scheme which is free of low pass filters and uses a reduced number of reference frame transformation. Matlab/Simulink tests for a 2MW DFIG demonstrate the effectiveness of the control scheme.