双馈风电场串补送出系统次同步振荡及参数调整分析

针对双馈风电场经串补送出系统存在次同步振荡(sub-synchronous oscillation，SSO)问题，基于三相静止坐标系建立了考虑PLL的双馈风机正负序阻抗模型，并从带宽角度分析了转子侧变流器外环控制对阻抗特性的影响，对理论推导阻抗特性和频率扫描结果进行了对比验证；然后，分析双馈风电机组网侧变流器对风机总阻抗的影响；最后，基于奈奎斯特稳定判据定量分析了风机出力、电流环控制器控制参数、系统串补度以及风机台数等因素对送出系统稳定性及振荡频率、振荡风险大小的影响，并提出了抑制次同步振荡的参数调整措施，可以通过调整风机出力、减少并网风机台数、减小线路串补度、调节RSC电流环参数等措施来抑制SSO风险。     

基于频率扫描的双馈风电机组次同步控制相互作用分析

双馈风电机组中存在较多与次同步振荡频率范围耦合的控制环路,容易引发控制环路与线路串联电容补偿之间的次同步控制相互作用(SSCI)。其中双馈风电机组转子侧内环比例参数对SSCI影响显著,但由于其稳定阈值较小,在抑制SSCI时的可调范围有限,因此有必要探寻控制环路中的其他参数对SSCI的影响。在建立完善的含双馈风电机组控制环路的并网系统阻抗模型的基础上,通过波特图与灵敏度分析详细对比控制参数对系统阻抗的影响大小,采用频率扫描法揭示了控制参数对系统阻抗的影响机理。结果表明:转子侧内环积分参数直接影响系统的谐振频率与线路的临界串联电容补偿度大小,积分参数的减小能够增加比例参数的可调范围,从而有利于降低并网系统发生SSCI的风险。     

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。     

考虑换流器外环特性的双馈风电场并网稳定性分析

大规模风电并网引起的宽频振荡稳定性问题日益突出,为定量分析系统参数的作用,亟需建立用于分析风电并网稳定性的准确阻抗模型.本文利用阻抗分析法在同步旋转坐标系下建立了包含风机、转子侧与电网侧换流器内外环及其锁相环、直流环节的换流器控制回路、出口滤波器和变压器的双馈风机阻抗模型.对比部分阻抗与完整阻抗模型阻频特性曲线,证明了考虑外环控制、直流环节以及锁相环对风机阻抗模型的必要性.利用广义奈奎斯特稳定判据分析系统各参数对风机并网稳定性的影响,结果表明,转子侧换流器控制参数、电网侧换流器直流外环控制参数以及系统电感对稳定性有明显影响.最后利用在PSCAD中建立的宁夏麻黄山风电场模型进行仿真验证.     

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。     

基于宽频带转子附加阻尼的双馈型风机次同步振荡抑制策略

针对双馈型风电场并网引发的次同步振荡问题进行了研究,建立了双馈电机以及变流器的等效模型。基于动态等值阻抗解析式分析了并网阻抗特性的关键影响因素。结果表明控制器转子侧内环增益对次同步频带阻抗特性影响较大。在此基础上,提出了一种基于宽频带转子附加阻尼控制的次同步振荡抑制措施。该抑制措施实施于双馈型风机转子侧变流器控制中,无须附加装置,利于工程实现。最后,通过时域仿真验证了该抑制措施的有效性以及在暂态工况下的适用性。     

抑制直驱风电并网系统次/超同步振荡的储能变流器有源阻尼控制方法

为应对直驱风电并网系统接入弱电网引发的次/超同步振荡问题,针对储能变流器提出了一种改进的有源阻尼控制方法,建立了考虑所提有源阻尼控制方法的储能变流器序阻抗模型,并分析了含储能变流器的直驱风电并网系统阻抗特性。在次/超同步振荡频段,并网系统阻抗幅值较低且部分呈容性,当输出功率增大、电网短路比降低或锁相环带宽减小时,容易与感性电网阻抗发生交互,从而诱发次/超同步振荡。然后,考虑不同有源阻尼控制参数对系统稳定性的影响,并给出选取参数的方法,使直驱风电并网系统的正负序相角裕度大于零或幅频特性不与电网阻抗发生交截。分析结果表明,所提有源阻尼控制方法能够有效改善直驱风电并网系统的阻抗特性,在更为复杂恶劣的条件下,耗散振荡能量,抑制次/超同步振荡,增强系统的稳定性。最后,通过仿真验证分析的正确性。     

弱电网下双馈风机并网系统的次同步振荡研究

目前,大规模风电需经过多级升压变并网,并通过长距离输电线路实现电力外送,而由长电气距离造成的电网强度降低会对风电并网系统的稳定性造成威胁.现有对弱电网下双馈风机并网系统的稳定性研究不多,更鲜有考虑频率支撑控制的影响.鉴于此,采用状态空间分析法,研究了弱电网下考虑锁相环与频率支撑控制的双馈风机并网系统的次同步振荡问题.首...     

双馈风电场的次同步振荡分析与抑制

针对现有的风电串补系统次同步振荡的抑制措施缺乏对次同步振荡的机理研究以及参数的动态优化,物理意义大都不太明确且抑制效果受到了很大的局限性,本文建立了双馈风机串补并网系统的模型,通过数学推导详细分析了风机次同步振荡的机理并通过时域仿真分析了次同步振荡的影响因素。在此基础上,通过在转子侧附加基于遗传粒子群算法进行参数寻优的改进阻尼控制器抑制双馈风机串补并网的次同步振荡。时域仿真结果表明:与固定参数的抑制方法相比,此方法对风电串补系统的次同步振荡抑制效果更好。     

双馈风力发电机组并网控制策略及性能分析

为了实现双馈风力发电机组无冲击电流并网,基于电网电压定向矢量控制技术,提出了一种考虑转子电流动态调节特性的双馈风力发电机组空载并网控制策略。基于Matlab/Simulink仿真平台,建立了双馈风力发电机系统及其并网控制的数学模型,并对不同初始运行转速的双馈风力发电机组的自动并网运行特性进行了仿真。仿真实验结果证明无论初始转速为同步转速,还是超、亚同步转速,利用提出的并网控制策略,双馈风力发电机组能很好快速地建立定子电压,并网过渡过程定子电流基本没有冲击。     

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。     

基于转速控制的双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略

针对当前双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动大、影响器件运行可靠性的问题,提出一种基于机组转速控制的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动抑制策略。首先,基于最大功率点跟踪(MPPT)控制原理,并结合变流器IGBT模块等效热网络,建立双馈风电变流器结温计算模型。其次,针对机侧变流器在同步转速点附近结温波动出现的"尖峰"现象,从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发,提出基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。最后,搭建基于PLECS和Simulink联合平台的双馈风力发电系统仿真模型,对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能及其在同步转速附近区域的稳态结温进行仿真,并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验。仿真和实验结果验证了所提改进控制策略对抑制机组同步转速点附近变流器IGBT结温波动的有效性。     

Controller saturation nonlinearity in doubly fed induction generator‐based wind turbines under unbalanced grid conditions

Doubly fed induction generator (DFIG) is widely used in wind energy generation systems due to its cost‐effective, partially rated back‐to‐back power converters, variable rotor speed operation, and maximum wind power capture. The conventional design assumes balanced grid voltage and utilizes power protection for the power converters. The DFIG wind turbine is naturally one of the major components in distributed generations of the smart grid system. However, newly developed smart grid system is rich in unbalanced loads. This paper summarizes the limiter settings of controllers and explores the nonlinear behaviors of the DFIG‐based wind power generation system with unbalanced loads. The generator rotor speed and an unbalanced load resistance are chosen as variation parameters. An emerging low‐frequency linear‐modulated oscillation at line second harmonic frequency with DC drifting is identified on the DC link voltage of the back‐to‐back power converters. In terms of second harmonic and the usually reported hazardous low‐frequency oscillation, the saturation nonlinearity and over‐modulation of the back‐to‐back power converter and its power flow are investigated and analyzed. The built‐in detailed model of the DFIG wind energy generation system in Matlab with SimPowerSystems library is used in this study. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Modeling, simulation and control of wind turbine driven doubly-fed induction generator with matrix converter on the rotor side

In this paper, a wind energy conversion system, which consists of a variable speed wind turbine with doubly-fed induction generator (DFIG) fed by a matrix converter is considered. The stator of the wind turbine driven generator is directly connected to the grid, while the rotor is connected via slip-rings to the output of a matrix converter. The matrix converter is supplied from the grid and replaces the conventional two back-to-back converters used for the control of a DFIG. Modeling of the energy conversion system considers super-synchronous and sub-synchronous operating conditions, which are achieved by means of the matrix converter. In order to decouple the active and reactive power, stator field oriented control is applied. Speed mode control is adopted for maximum wind energy extraction, provided that the wind speed and pitch angle of the turbine are known for each sampling period. Consequently, a 2-D lookup table calculating the reference speed by means of interpolation/extrapolation is introduced. Reactive power control is performed so that the stator reactive power is kept to zero. Promising simulation results demonstrating the control performance of the wind energy conversion system are presented.     

A Damping Method for Torsional Vibrations in a DFIG Wind Turbine System Based on Small-Signal Analysis

Torsional vibrations present in the drivetrain excited by turbulent winds or grid disturbances (often manifesting as voltage sags) can produce severe stresses on the components of wind turbines. This study presents a damping method for the rotor side converter of a doubly fed induction generator (DFIG)-based wind turbine to improve system damping during small grid disturbances. Within the damping strategy, torsional damper is included into the power loop of the rotor side converter to provide damping for the system. During vibrations, a well-designed low-pass filter (LPF) is employed by the torsional damper to extract the dynamics of the generator speed and to generate a damping signal. To demonstrate the proposed damping approach, the small-signal stability model of a wind turbine connected to an infinite bus system is presented, and the eigenvalue analysis is conducted to verify the damping effect introduced by the torsional damper. In the case study, grid voltage sag at the point of common coupling (PCC) is applied to excite the torsional vibration of the wind turbine shaft. The validity and effectiveness of the proposed damping approach are testified by using the simulation results against theory analysis.     

基于RSC反馈线性化的含SVG双馈风机系统次同步振荡抑制

针对含静止无功发生器(SVG)的双馈风机(DFIG)系统中的次同步振荡,提出了一种针对转子侧变流器(RSC)的反馈线性化控制方法,并分析验证了其在小/大扰动下的振荡抑制效果。首先,建立了含SVG的双馈系统22阶时域模型;其次,结合反馈线性化原理,针对RSC内环控制设计了相应的控制方法。再次,对比了小扰动下,不同参数变化时,PI控制与反馈线性化控制对系统稳定性的影响。最后,考虑限幅环节作用,分析了大扰动下,系统RSC内环采用PI控制和反馈线性化控制时的稳定性。结果表明,反馈线性化控制能有效增大平衡点的吸引域,提升系统稳定性。     

直驱风电场中SVG电压前馈阻抗重构抑制次/超同步振荡方法

直驱风电场在中低频段内呈现负阻值容性的阻抗外特性,当接入呈感性的弱电网时会相互耦合引起次/超同步振荡,不利于新能源的稳定消纳与电网的安全运行。为抑制风电场的次/超同步振荡,提出一种直驱风电场中静止无功发生器(SVG)阻抗重构控制方法。通过在风电场中的SVG控制系统内加入带通滤波器的电压前馈控制进行阻抗重构,提高风电场并网稳定性。利用谐波线性化方法,建立含所提阻抗重构控制SVG的直驱风电场序阻抗模型。基于所建立的阻抗模型和所提出的阻抗稳定性判据,对比分析未采用SVG阻抗重构控制和所提控制方法的直驱风电场的稳定性。结果表明当采用所提控制方法时,风电场在40~100 Hz频段内呈现正阻值特性,且降低了系统的容性特性,抑制了风电场次/超同步振荡,同时可以改善风电场中因并网风电机组数量增加所带来的振荡问题。最后,通过仿真验证了所提方法对抑制风电场次/超同步振荡的有效性与正确性。     

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。