基于多相风力发电系统的容错控制策略研究

多相电机具有转矩大、转矩脉动低以及容错性高的特点,尤为适用于风力发电系统这种低速大功率的应用场合。提出一种基于多相直驱永磁同步发电机的风力发电系统,多相风机经三相桥式不控整流器、隔离型DC/DC和模块化多电平变流器并入高压直流电网。首先,采用基于转速外环的MPPT控制得到三相桥式不控整流器的平均电流参考值;然后,根据变流器工作状态对各套三相桥式不控整流器的电流参考值进行重构,实现正常相输出功率平衡,确保故障相不会出现过流,达到系统的容错控制,提高可靠性;最后,通过模块化多电平变流器单桥臂接入直流电网,降低了变流器复杂度。以18相风力发电机为例,搭建了Matlab/Simulink仿真模型,验证了所提拓扑结构及容错控制策略的有效性。     

基于18相风力发电系统的最大功率跟踪控制策略研究

多相电机具有转矩大、 转矩脉动低以及容错性高的特点,适用于低速大功率场合.提出一种基于18相直驱永磁同步发电机的风力发电系统,该系统由18相电机、三相桥式不控整流器、并联隔离型DC/DC变流器和模块化多电平变流器构成.通过理论推导得出在最大功率点时,三相桥式不控整流器的输出电流为一恒定值,因此只需控制输出电流恒定即可实现最大功率跟踪.与传统控制方法相比,该控制方法复杂度显著降低.此外,对并联的隔离型DC/DC变流器输入电流进行反序分配,从而调节DC/DC占空比,维持模块化多电平变流器能量平衡.最后在Matlab/Simulink软件平台下搭建了相应仿真模型,仿真结果验证所提控制方法的有效性.     

多通道三电平风力发电系统协同控制策略研究

该文研究多通道二极管钳位型三电平风力发电系统控制策略,包括系统正常运行时电机侧和电网侧协同控制及电机绕组、器件故障时的容错运行方法。电机侧采用多相永磁同步发电机,设计基于最优转矩控制和空间矢量解耦的发电机矢量控制策略,提出解耦分组型多相三电平变流器空间矢量调制策略,在转矩产生平面采用前馈补偿电压控制方法消除耦合项,在谐波平面采用闭环比例谐振控制器,补偿电机参数不对称和反电动势引起的谐波电流。电网侧采用多通道三电平变流器并联结构,设计基于无功功率控制、直流侧电容电压控制的控制策略及基于零序电压注入的并联变流器环流抑制策略。此外,论文讨论多通道三电平风力发电系统故障状态下的容错运行方法。通过实验对提出的控制策略的有效性进行验证。     

基于18相风力发电系统容错控制策略研究

针对一种18相风力发电系统的绕组结构特点,对多相风机的故障工况进行了分析,多相电机系统可能出现的故障可以直接看作开路故障,等效为电机的缺相运行。通过分析机侧、网侧能量传输机理,对系统中绕组开路及变流模块故障后的三相不控整流器的输出电流参考值进行重新整定,提出相应的容错控制方法。最后,通过仿真对变流模块故障的电流重分配控制策略及直流短路故障控制策略的有效性进行了验证。     

基于空间矢量相位偏移的三相变流器容错优化控制

三相变流器开路故障会导致风电系统停机,造成巨大的经济损失,因此对三相变流器容错运行能力的研究十分必要。以风力发电系统中三相AC/DC变流器为研究对象,建立了参考电压空间矢量和电流矢量相位差的数学模型,分析了两者之间相位差在开路故障后增大的原因。在此基础上,提出了基于空间矢量相位偏移的三相变流器容错优化控制方法,并通过仿真和实验验证了其可行性和有效性。结果表明,所提出的容错优化控制方法能够使参考电压空间矢量和电流矢量之间的相位差接近于0,提升三相变流器容错运行能力,降低系统容错控制时三相电流总谐波畸变率。     

MP-MMC驱动六相永磁风力发电机建模及控制研究

针对多相模块化多电平变流器(MP-MMC)驱动多相发电机的控制问题,基于矢量空间解耦理论,建立Y移30°六相永磁同步发电机(PMSG)在旋转坐标下的数学模型;将传统三相MMC拓扑结构推广至六相,并驱动六相永磁风力发电机。在控制上采用电流矢量解耦方法对六相永磁风力发电机的输出电流进行跟踪,同时对系统谐波成分加以抑制;对于MMC内部子模块电容电压稳定、环流抑制,采用闭环均压策略进行控制。最后通过在软件中搭建仿真模型,对发电机稳态运行以及功率突变时运行状态进行模拟,仿真结果表明:该系统具有良好的输出特性和鲁棒性能,验证了MP-MMC能够有效驱动六相永磁发电机实现平稳发电。     

兆瓦级永磁直驱风力发电机组变流技术

当前主流的风力发电系统采用"双馈电机 双PWM变流器"的变流技术,但存在效率低、控制复杂的问题。采用六相低速永磁同步发电机代替双馈发电机,变流器采用"不控整流 升压斩波 SPWM逆变"变流技术。六相不可控的二极管整流器对低速永磁发电机发出的交流电进行12脉波整流,这种不可控的整流方式增加了系统可靠性,简化了控制系统;采用升压斩波电路进行升压,以降低系统对电机输出电压的限制,拓宽风机的工作范围,同时将2个升压斩波电路并联,以降低单个电抗器和IGBT器件通过的电流;逆变器采用2个三相桥式PWM逆变器并联方式,在最佳风能捕获(MPPT)算法和逆变器数学模型的基础上,采用直接电流控制对逆变器进行输出控制。用PSIM软件进行了建模和仿真,仿真结果证实设计的正确性。     

三电平PWM整流器用于直驱风力发电系统

直驱型风力发电系统的风力发电机需要通过大功率交直交变流器即全功率变流器将风力发电机直接并网,而开关器件水平无法满足全功率变流器的要求,因此研究了二极管箝位三电平PWM整流器在直驱型风力发电系统中的应用。针对这一拓扑和直驱型风力发电系统的特点,采用基于PWM整流器模型的跟踪指令电压矢量的空间矢量脉宽调制(SVPWM)电流控制策略,使用龙格库塔解析法和Matlab仿真了负载从半载到满载变化时,三电平整流器直流电压的动态响应波形,交流侧电压、电流的变化趋势以及d-q坐标系下有功、无功电流分量跟随参考量变化的波形等。结果表明,该PWM整流器可有效抑制注入电网的谐波,减小交流侧的电流波形畸变;在负载突变时保持直流电压恒定,输出有功、无功可调且动态跟随性能较好。三电平PWM整流器作为全功率变流器的整流部分适合于直驱型风力发电系统的应用。     

一种简化T型滤波器的双馈风力发电整流器

在现今风力发电领域,大多采用双馈变速恒频风力发电机,配合两电平电压型三相PWM整流器以获得较好的并网发电效果.由于PWM整流器会在电网侧产生较大的谐波电流,所以必须采用性价比较好的滤波器进行谐波治理.针对双馈风力发电系统的变流器,提出一种简化滤波器的整流器拓扑结构和控制方法,分析了此方法的优点,并且进行了仿真和实验验证.通过仿真和真实系统运行检验了这种简化滤波器整流器的合理性.     

基于等模补偿比和SVPWM八扇区划分的直驱式风力发电系统变流器容错控制

功率变流器是直驱式风力发电系统的关键部件,变流器的功率开关管在发生故障之后会造成风电系统非计划停机。文中详细分析在功率开关管发生开路故障前后三相两电平脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器电压空间矢量的状态变化。通过八扇区划分方式修改开关模式,在保留原电路拓扑的前提下,基于等模原则对受故障影响的扇区实施有效补偿。该方案能够对单管故障和同一桥臂双管故障实现补偿,较好地降低在故障情况下的三相电流总谐波畸变(total harmonic distortion,THD),减小母线电压纹波和发电机转速的波动,从而提高系统可靠性。通过仿真及实验验证容错控制方法的有效性与可行性。     

A multi-terminal HVDC transmission system for offshore wind farms with induction generators

Voltage source converter, multi-terminal HVDC transmission (MTDC) for the connection of large offshore wind farms to the terrestrial grid is investigated. Induction generators without the need of wind turbine converters are installed in the wind farms due to the supports from the voltage source converters of the HVDC. A control system is designed which incorporates the voltage–current characteristics of the voltage source converters and the power reduction from the wind turbines during a fault. During normal operation, grid side converters control the DC voltage and coordinate the power sharing to the terrestrial grids. During abnormal operation, wind farm side converters take over the DC voltage control and coordinate the power reduction between wind farms. The control system removes the requirement for fast communication between the converters and achieves automatic coordination. The dynamic performance of a MTDC with the control system is tested through simulations using PSCAD/EMTDC.     

基于二极管不控整流单元的远海风电低频交流送出方案

远海风电场凭借其丰富稳定的风能资源成为未来风电发展的主要趋势。目前已投运的远海风电送出工程大多采用柔性直流输电技术,其投资成本较高。为此,提出一种基于二极管不控整流单元（diode rectifier unit, DRU）的远海风电低频交流送出方案。该方案取消了海上换流器平台,采用DRU代替常规交-直-交变频器中的低频侧换流器,能够有效降低工程的投资成本和运行损耗。由于DRU不具备主动控制能力,提出适用于远海风电低频交流送出系统的风电机组控制策略,其中机侧换流器采用定直流电压控制,网侧换流器则在全局统一参考坐标系下同时实现最大功率跟踪控制和交流侧电压控制。最后,通过PSCAD/EMTDC进行算例仿真,对风电功率波动、陆上交流电网三相短路故障和海上交流电网三相短路故障等典型工况下的系统响应特性进行研究,验证所提方案的可行性。     

电网不对称故障下直驱风电机组低电压穿越技术

分析了直驱风电变流器在电网不对称情况下的表现,提出一种适用于该情况的网侧变流器控制策略,并将其与直流侧Crowbar电路配合,实现电网不对称故障下的低电压穿越.直驱风电机组与电网间的功率交换完全通过变流器实现,电网不对称故障引起的有功功率波动在变流器上表现为直流侧电压大幅波动.控制策略以稳定输出有功功率为目标,基于同步旋转坐标系和正负序分解得出控制模型,并综合考虑电流安全限值、系统复杂程度等问题,给出额定功率附近运行时发生不对称故障的穿越方案.使用MATLAB建立仿真模型,给出不对称故障下的仿真结果,证明方案可行性.     

海上风电直流送出与并网技术综述

随着深远海风电开发利用的快速发展,风电直流送出与并网成为技术热点.针对风电交流汇集直流送出、低成本直流送出、多端直流送出和多电压等级直流送出技术,全面论述了海上风电直流送出技术在系统拓扑、装备、控制与保护方面的现状和存在的问题,以及研究热点和发展趋势,指出海上风电场集群共享直流集中送出是近期的主流方案,系统的宽频振荡是亟待解决的问题,使整体系统体现主导电源特征是关注的热点.为降低成本,基于二极管整流送出的技术路线具有良好的预期,但纯二极管整流送出需要风电机组的改进.海上风电多端直流并网系统的成熟依赖于低成本直流断路器和暂态控制保护技术的进步,而海上风电多电压等级直流并网系统尚缺乏直流变压器等关键装备的支撑.     

基于超级电容储能的大容量直驱风电机组低电压穿越策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)可用作大容量风电机组的换流器,其具有良好前景,但需要解决风电机组低电压故障时易脱网运行的问题。鉴于此,提出了一种基于超级电容储能的低电压穿越策略。考虑超级电容的利用效率和变流器的约束条件,通过DC-DC变换器对超级电容的储能模式进行控制,实现故障期间机、网侧的功率平衡,以稳定直流侧母线电压。按照海上风电场规定,确定了故障期间网侧MMC有功无功电流分配原则,向电网提供动态无功以帮助恢复电网电压。仿真结果表明,当并网点发生故障时,所提策略不仅能较好地稳定直流母线电压,保障了MMC功率器件安全运行,还可以补偿无功以改善电网电压,提高了大容量直驱风电机组的故障穿越能力和运行稳定性。     

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.     

应用于风电场内部组网的多端直流系统研究

提出了利用多端直流系统作为风电场组网方式时,网侧逆变器的控制策略。风电场多端直流系统由多个电压源换流器(VSC)并联组成,发电侧VSC控制风机向直流系统输送能量,再经网侧逆变器并网。根据状态空间平均法,得到VSC的动态数学模型及等效电路。以此为基础设计了网侧逆变器的解耦控制器,既能保持直流系统电压恒定,从而向交流系统传送有功,又能独立调节输出的无功,为交流侧提供电压支撑。数字仿真结果表明该控制器具有良好的性能。     

单向LC型直流—直流变换器的设计与控制

提出一种单向LC型直流—直流变换器,可用于互联两个电压等级不同的直流系统、单向地传输直流功率。该单向LC型直流—直流变换器由电压源型换流器、不控整流器,以及连接它们的LC电路构成。研究了单向LC型直流—直流变换器的拓扑设计,推导了其电感、电容设计步骤,设计了单向LC型变换器的功率控制方法,理论分析了直流故障时,故障电流幅值的大小。然后,在PSCAD/EMTDC上搭建了30 MW±10kV/±100kV仿真算例,验证了所提控制方法的正确性以及拓扑本身所具有的故障穿越能力。相较于其他直流—直流变换器,单向LC型直流—直流变换器具有直流升压比高、功率可控性好、制造成本低、具备直流故障穿越能力等优点。     

基于超级电容蓄能的永磁同步海上风电低电压穿越研究

为避免电网电压跌落导致海上风电机组脱网运行,分析了直驱永磁同步海上风电系统的双PWM全功率变流器控制策略,提出了一种基于超级电容器蓄能的海上风电机组并网运行低电压穿越方案。在双向变流器的直流侧并联超级电容蓄能系统,利用超级电容来维持电网故障时的功率平衡,稳定直流侧母线电压。利用网侧变流器静止无功补偿运行模式控制无功电流输出,向电网提供无功功率支持。仿真结果表明了该方案在电网故障时,能有效抑制直流侧过电压,向电网提供无功功率,有利于电网故障恢复,提高了直驱永磁海上风电系统的低电压穿越能力。