故障后转子侧变流器不间断控制下的双馈风机序网等值电路

为应用方便直观的电路方法进行双馈风电并网系统故障分析和短路计算,针对电网故障后转子侧变流器(rotor side converter,RSC)控制方式提出一种双馈风机(doubly-fed induction generator,DFIG)序网等值电路。故障后RSC不间断控制的运行方式下,DFIG定子短路电流中含有幅值稳定的工频正负序分量、2个衰减速度不同且频率接近工频的正序分量以及衰减直流分量。分别推导了各交流成分对应的序网等值电路,其中,稳定工频正序分量对应的等值电路可用等值电势及正序阻抗来表示;稳定工频负序分量对应的等值电路用无源的负序阻抗来表示;而衰减交流分量可用受控电流源来描述。利用所提DFIG等值电路,应用传统序网分析方法即可方便进行短路计算,不需仿真就能获得双馈风机并网系统中各处的短路电流。通过PSCAD仿真验证了所提等值电路和解析算法的有效性。     

计及低电压穿越的双馈感应发电机三相短路运算曲面法

分析了常规电源对双馈感应发电机(DFIG)的电压支撑作用,将DFIG接入点以外的系统进行戴维南等值,利用DFIG短路电流周期分量与计算电抗、开路电压的关系曲面,提出了DFIG接入电网的短路电流运算曲面法。针对撬棒投入和未投入时DFIG的暂态特性差异,以转子电流峰值为撬棒投入的判据,分析撬棒动作与故障后DFIG端电压关系;考虑转子励磁控制和撬棒动作延时,推导了DFIG三相短路电流计算式;制定不同时刻DFIG三相短路电流与计算电抗、开路电压运算曲面,给出计及低电压穿越的DFIG短路运算曲面法计算步骤,通过仿真验证该方法的正确性。     

计及撬棒保护的双馈风电机组不对称短路电流特性分析

电网故障时,双馈式感应风电机组(DFIG)在机端电压深度跌落过程中表现出的电磁暂态特性十分复杂。计及撬棒保护的DFIG不对称短路特性研究较少,为了准确描述机端电压深度跌落过程中DFIG不对称短路电流变化特性,基于空间矢量和序分量法,建立了双馈感应电机的正、负序数学模型。在考虑双馈风电机组不同初始运行功率的情况下,通过数学解析的方法推导了撬棒保护电路投入后定转子正、负序磁链的计算表达式,在此基础上得到了定、转子电流的解析表达式。该方法同样适用于对称性故障时DFIG短路电流的解析计算。最后,通过Matlab/Simulink仿真软件验证了双馈风电机组机端发生对称和不对称电压跌落时定子电流解析计算表达式的准确性。     

双馈感应发电机接入电网的三相短路电流峰值评估

短路电流计算是电网规划和保护的基础,文中将双馈感应发电机(DFIG)定子磁链强制分量归算至定子侧,将定子磁链直流分量归算至转子侧,形成静态等值电路,分析转子感应磁链随转速的变化规律,研究转子电阻对故障时定子磁链直流分量动态衰减及其与转子绕组感应过程的影响,推导电网三相短路时DFIG定子短路电流解析式。比较了近端和远端故障时不同撬棒电阻对应定子短路电流特性,提出了DFIG接入电网的三相短路电流峰值评估方法。该方法能有效计算DFIG机端、馈线上下游和其他馈线故障时的三相短路电流峰值序列,采用MATLAB/Simulink软件仿真验证了所提出方法的正确性。     

考虑撬棒保护动作时间的双馈式风电机组短路电流特性

撬棒(Crowbar)保护是否动作及动作时间会对双馈感应发电机(DFIG)短路电流特性产生影响。目前计及撬棒保护影响的相关研究均按照故障后撬棒保护瞬时动作来分析短路电流特性,但实际上机端电压跌落时,撬棒保护并非瞬时投入运行,而是根据故障严重程度带有不同的动作延时,这给短路电流的精确分析计算增加了难度。文中针对这实际问题,以机端发生不对称故障为例,将故障电流分解为正向和反向同步旋转坐标系下的正序和负序分量,并根据撬棒保护动作时刻将故障过程分解为两个阶段,通过数学解析的方法给出整个故障过程的短路电流计算表达式。通过与MATLAB/Simulink的DFIG标准模型对比,仿真验证了计算表达式的有效性,并分析了撬棒保护不同动作时间对DFIG短路电流特性的影响。     

感应发电机接入配电网的短路计算序分量模型及算法

分布式发电大规模接入电网将改变潮流和短路电流的分布。利用感应发电机(induction generator,IG)正负序静态等值电路,研究电网不对称故障时定转子磁链序分量相关系数,并结合故障过程中IG暂态磁链特性和转差,建立IG短路计算的序分量电流源模型。比较计及转差前后和不同接入容量时多感应发电机(induction generators,IGs)端电压和短路电流响应,揭示出IGs短路电流与电网节点电压的耦合关系。推导电网故障瞬间IG暂态等值电势,提出计及转差变化的多IGs配电网短路电流的对称分量迭代算法。采用PSCAD/EMTDC仿真软件中IG的5阶动态模型,仿真验证了所提方法的正确性。     

基于撬棒控制策略的DFIG风电场动态等值建模研究

为研究双馈风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)低电压穿越对风电场动态等值的影响,提出了一种基于撬棒控制策略的双馈风电场动态等值建模方法。首先通过对DFIG在电网故障时的转子电流分析,给出了时域下转子暂态电流表达式。然后研究撬棒电路两种常用控制策略在不同电压跌落程度及DFIG运行状况下对风电机组低电压穿越的影响,仿真结果表明两种控制策略均有各自的适用范围。在此基础上,文中提出了撬棒电路投切曲线及控制策略选择区域曲线,以此判断电网故障时撬棒电路投切以及投切时控制策略选择情况。考虑故障前一时刻风电场机群划分情况,在电网故障时以实测风速与撬棒电路是否动作共同作为分群指标,将撬棒电路动作机组从故障前原"N"个机群中独立出来形成"N+1"个机群,利用容量加权法计算各机群参数,建立多机等值模型。最后在MATLAB/Simulink平台上搭建算例,验证了该等值方案的有效性和准确性。     

适用于DFIG并网线路的改进负序方向元件

负序方向元件广泛应用于输电线路的纵联保护。随着风力发电快速发展,双馈感应发电机(DFIG)大规模接入电网使得电源的负序等值阻抗不再固定,传统负序方向元件不再适用。通过推导转子侧变流器不间断控制和撬棒投入两种工况下DFIG的负序等值阻抗解析表达式,得到两种工况下的负序等值阻抗相角的变化规律。发现传统负序方向元件受DFIG接入的影响,存在灵敏度下降甚至不正确动作的问题。为此,提出了一种负序方向元件的改进措施:故障前,利用DFIG参数在线确定不同工况下的最大灵敏角;故障后,根据DFIG运行状态,采用灵敏度和可靠性较高的动作判据。数字仿真结果验证了改进后的负序方向元件具有灵敏度高、自适应DFIG运行状态等优点。     

考虑不同转差的双馈风力发电机短路计算序分量模型

双馈风力发电机(doubly fed induction generator,DFIG)大规模接入电网对短路电流的影响逐渐显现。常规的短路计算中,将DFIG忽略或作为负荷的方式会对短路计算的结果产生较大误差。为此通过分析DFIG短路计算模型的外特性,提出求解短路计算模型的方法;利用DFIG的数学模型,推导电网电压跌落下DFIG短路电流的解析表达式;根据不同的转差,提出相应的DFIG短路计算序分量模型。分析的结果表明:转差较大的DFIG可等效为一恒定阻抗负荷,而转差较小的DFIG则应等效为一同步电机,会给电网注入短路电流。最后通过MATLAB/Simulink仿真,验证了这种基于不同转差的DFIG短路计算序分量模型能保证短路计算的精确性。     

考虑撬棒保护的DFIG等效序阻抗研究

双馈感应风力发电机(DFIG)等效序阻抗特征对基于故障分量的继电保护原理影响重大。针对目前DFIG等效序阻抗理论分析及暂态变化过程研究的欠缺,首先给出了DFIG等效序阻抗的定义,考虑故障后投入撬棒保护这一情况,基于DFIG定子故障序电流推导了等效序阻抗的解析表达式。然后详细研究了DFIG等效正、负序阻抗的特征及其影响因素,指出等效正序阻抗有明显的暂态变化过程,其幅值较大且有波动,稳态相角在-90°~-180°之间;等效负序阻抗暂态过程不明显,其幅值较小,相角在0°~90°之间。最后通过仿真实验验证了理论分析的正确性。     

Short Circuit Current Calculation Method of Doubly-Fed Induction Generator with Crowbar Protection Based on Flux Transient Characteristics

With the wide application of doubly-fed induction generator (DFIG), accurate calculation and analysis of the short circuit currents of DFIG with crowbar protection has become very important key to realizing the low voltage ride through (LVRT) capability of DFIG and establishing the corresponding grid protection scheme. In view of this, a method to calculate the short circuit currents of DFIG with crowbar protection when different types of fault occur in the grid is proposed in this paper. First, the DFIG stator and rotor 2nd-order differential equations in the cases of grid symmetrical fault and asymmetrical fault are established respectively. And the short circuit current calculation model when crowbar resistance remains unchanged in the fault duration is obtained. On this basis, the short circuit current calculation model when crowbar resistance varies in the fault duration is derived. And then, the influence of crowbar resistance and DFIG rotor speed on the short circuit current calculation model is analyzed, including the variation pattern of flux eigenvalues with the crowbar resistance, and the variation feature of flux amplitude and phase angle with the rotor speed. Besides, the transient variation characteristics of different flux components are studied. Finally, time-domain simulation tests verify that the proposed calculation method is correct and applicable to different types of crowbar circuits in the market. Besides, the influence of crowbar resistance and DFIG rotor speed on the stator short circuit current peak, peak time and current frequency in different fault cases is revealed.     

基于Crowbar的双馈风力发电低电压穿越研究

随着风力发电机容量和风电规模的增加,要求双馈感应发电机(DFIG)能够实现低电压穿越(LVRT)能力。在电网电压跌落的对称故障下,针对原有LVRT技术的不足,提出一种采用主动式Crowbar电路的控制策略。在电压跌落后,转子电流突升时,触发Crowbar电路,旁路转子侧变换器;在电流恢复到一定程度时,断开Crowbar电路,使转子侧变换器投入工作。通过有、无Crowbar电路仿真对比表明,该方法可较好地控制转子过电流、母线过电压及电磁转矩的振荡,同时在故障期间向系统输送无功,达到LVRT的要求。     

计及撬棒投切的双馈风电机组精细化整定计算等值模型

目前在双馈风电机组(DFIG)的等值模型研究中尚未建立简单、精确的模型,无法满足整定计算建模的要求,为此提出了计及撬棒投切的精细化DFIG整定计算等值模型。首先对网侧变流器的影响进行分析,建立了相应的等值模型;随后通过对DFIG的状态空间方程以及转子侧变流器无功控制方程求解,给出定子短路电流的表达式。在此基础上结合整定计算建模的特点,对定子输出短路电流进行分解,得到了撬棒投入阶段和切除阶段的DFIG等值模型。撬棒投入阶段模型可用于主保护阶段整定计算建模,切除阶段则可用于后备保护阶段的建模。最后通过仿真验证了等值模型的正确性。     

应用于风力发电系统中的撬棒阻值整定新方法

在电网发生电压跌落故障的情况下,双馈异步发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)多采用撬棒保护电路以实现低电压穿越(Low Voltage Ride Though,LVRT),而撬棒阻值的选择对机组的LVRT效果影响很大。从DFIG在电压跌落故障下的暂态数学模型出发,运用空间矢量分析和拉普拉斯变换的方法,推导出风电机组在电压跌落故障下的暂态电流时域表达式、转子侧故障电流的计算式。由此提出一种切合工程实际的撬棒阻值整定方法,解决了投入撬棒保护电路后转子侧出现过电流和直流母线过电压的问题。算例及仿真实验数据均表明,采用该方法可有效抑制暂态故障分量,显著提高风力发电系统的LVRT水平。     

Short circuit fault analysis in a grid connected DFIG based wind energy system with active crowbar protection circuit for ridethrough capability and power quality improvement

In power industry, improvement of the short circuit Fault-ride through (FRT) capability of grid integrated Doubly Fed Induction Generators (DFIGs) for the wind power system is an important issue. In this paper an Active Crowbar Protection (ACB_P) system is proposed to enhance the Fault-ride through (FRT) capability of DFIG so as to improve the power quality of the system. The protection scheme proposed here is designed with a capacitor in series with the resistor unlike the conventional Crowbar (CB) having only resistors. The importance of ACB_P is to maintain the connection of DFIG with the grid during fault conditions to provide uninterruptable power supply to the loads. The major functions of the capacitor in the protection circuit are to eliminate the ripples generated in the rotor current and to protect the converters as well as the DC-link capacitor. The main objectives of the proposed approach are: minimisation of magnitude of rotor fault currents, maintenance of constant DC-link voltage, reduction in crowbar operation time to avoid disconnection between the DFIG and the Rotor side converter (RSC), improvement in the short circuit response of terminal voltage and enhancement in the dynamic responses of the DFIG. These objectives are achieved through the incorporation of ACB_P scheme between the rotor of the DFIG and RSC. The proposed scheme is validated on different types of fault conditions and it is observed that there is significant improvement in the objectives. Simulation results are carried out on a 1.7 MVA DFIG based WECS under different types of short circuit faults in MATLAB/Simulation and functionality of the proposed scheme is verified.     

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。     

双馈异步发电机序阻抗建模简化方法

新能源发电系统的序阻抗模型广泛应用于系统的稳定性分析和谐振分析。双馈异步发电机进行序阻抗建模时可以使用电机的电压和磁链方程或等效电路。虽然等效电路使建模过程得以简化,但是其建立的模型忽略了励磁支路的影响,且没有对简化的条件进行分析,使此类建模方法的使用产生困难。因此,基于是否计及励磁支路的电机等效电路,利用谐波线性化方法建立了双馈异步发电机转子侧的序阻抗模型,在此基础上分析两种阻抗模型之间的差异并明确简化模型的使用条件。仿真结果验证了所建立序阻抗模型的准确性,分析表明当电机的励磁支路阻抗远大于定转子阻抗时,简化模型可代替准确模型。     

提高DFIG低电压穿越性能的转子Crowbar自适应切除控制方法

针对Crowbar传统控制策略的不足,推导了双馈风力发电机(DFIG)在系统发生三相短路且转子Crowbar电路切除后的转子电流表达式,并提出了一种转子Crowbar自适应切除控制策略。假设当前时刻切除Crowbar,实时计算将出现的转子电流最大值,并在该最大值小于Crowbar动作阈值时将Crowbar切除,保证以Crowbar不会反复投切为前提尽早切除Crowbar,达到从系统少吸收无功和延长Crowbar开关器件使用寿命的目的。通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提控制方法的有效性。     

双馈感应发电机暂态特性分析及Crowbar阻值优化

双馈感应发电机(DFIG)的暂态过程是研究其低电压穿越(LVRT)的基础和关键。常规研究大多只针对故障发生期间的电磁暂态过程,而未涉及故障清除这一过程,对DFIG的暂态过程分析不全面,导致对转子最大短路电流计算不准确,进而导致Crowbar阻值选取不合理。本文从DFIG数学模型出发,给出了电网电压对称跌落及电网电压恢复时的定子磁链暂态表达式,以转子侧等效电路为基础分析推导转子电流的解析表达式,并据此修正了Crowbar阻值。在PSCAD/EMTDC中建立1.5MW并网DFIG仿真模型,验证了理论分析推导的正确性;并揭示不同故障持续时间将导致电网电压恢复时DFIG不同的暂态过程,忽略故障清除时刻的暂态过程将导致Crowbar阻值选取过大,Crowbar阻值选取需同时考虑故障发生和清除时刻的暂态过程。