变结构双馈风机的低电压穿越能力

双馈风机DFIG(doubly-fed induction generator)的低电压穿越能力LVRT(low voltage ride through)正逐渐成为大型风电场必备的功能之一。为了使带有Crowbar保护电路的DFIG在电网故障阶段发出一定的无功支持电网电压的恢复,充分利用变频器的无功产生能力,在电压跌落期间,给定网侧变频器一无功指令值,并使用无功电流优先的原则进行控制。为了减少投资,增强DFIG的无功发出能力,把机侧和网侧变频器并联向系统发无功,并增大直流侧电容来增强系统的稳定性。仿真结果表明,网侧和机侧变频器都可以对电网进行无功支撑,提升了机端电压,增强了双馈风机的低电压穿越能力。     

双馈感应风力发电系统低电压穿越控制策略研究及其分析

基于双馈感应发电机(DFIG)风力发电系统模型,通过分析电网电压跌落情况下的各种运行状况,提出在电网严重故障期间,采用Active Crowbar电路和直流侧卸荷电路保护变流器和避免直流侧电压过压。在电网故障恢复期间,Crowbar电路的再次投入使得系统无功需求增大。并在网侧变流器的功率容量范围内,提出一种网侧变流器无功功率的控制策略来实现对电网无功支持,以助于电网故障恢复以及加快机端电压恢复。基于PSCAD/EMTDC平台建立了仿真系统模型并验证了该控制策略的有效性。该控制策略满足了风电机组并网的低电压穿越,有效提高了DFIG风电机组运行的可靠性。     

提升双馈风力发电系统低电压穿越能力的跟踪控制方法

为提升双馈风力发电系统的低电压穿越(LVRT)能力,提出一种基于状态相关Riccati方程(SDRE)技术的网侧换流器(GSC)跟踪控制方法。并网导则要求风电场在LVRT过程中须注入一定无功功率支撑电压恢复,为了改进非线性状态调节器在无功支撑能力上的不足,针对双馈风力发电系统的GSC设计非线性无功功率跟踪控制器,并采用SDRE技术求解状态反馈控制律。在维持LVRT过程中直流电压稳定的基础上,该方法能充分利用GSC的无功功率调节能力,为电网提供无功功率支撑以避免电压恶化。最后,在Matlab/Simulink平台搭建9 MW双馈风力发电系统,并在三相接地故障下进行仿真验证,结果显示,所提出的GSC控制方法具有良好的暂态表现,能够有效提高双馈风力发电系统的LVRT能力。     

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.     

电网电压跌落下双馈风力发电系统强励控制

为增强电网故障下双馈风力发电系统(DFIG)的低电压穿越(LVRT)运行能力,提出一种DFIG转子侧变换器(RSC)强励控制策略。在基于定子磁链定向的矢量控制策略中增加多频比例谐振控制器(MFPR),当电网故障造成发电机定子电压跌落时,多频比例谐振控制器能够对转子侧变换器(RSC)的输出励磁电压进行补偿,抑制转子故障电流,实现DFIG的低电压穿越运行。分析了转子电压等级与DFIG的低电压穿越运行区间的关系,为DFIG转子侧变换器的电压等级设计标准提供了参考依据。控制系统结构简单,保证了系统的响应速度,可同时对电网对称跌落和不对称跌落产生的故障电流进行抑制。通过对1.5 MW双馈风力发电机组进行仿真研究,验证了理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。     

双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究

低电压穿越能力正逐渐成为大型并网风电机组的必备功能之一,要求风电机组在电网电压跌落发生时保持并网,故障消除后快速恢复正常运行。在分析双馈机组电压跌落特性的基础上,采用了转子主动式Crowbar电路和直流侧卸荷电路相结合的方法来实现双馈风电机组的低电压穿越功能,讨论了具体的低电压穿越控制策略,通过仿真验证了电路结构和控制策略的正确性。在实验室10 kW双馈机组实验平台上,采用电压跌落发生器模拟电网电压跌落故障,进行了电网电压跌落至额定电压20%时不同持续时间的测试,证实了所采用的低电压穿越控制策略的有效性。     

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。     

双馈型风力发电机低电压穿越仿真分析

针对双馈型风力发电机在低电压穿越过程中所遇到的定转子过流问题,采用主动撬棒电路旁路转子侧变流器解决,在M atlab/S im u link中建立了模型并进行了仿真分析,仿真结果验证了主动撬棒电路能够有效实现双馈型风力发电机在三相对称故障条件下的低电压穿越,并分析了撬棒电阻的选取,得出选取较大的撬棒电阻更有利于电网的恢复的结论。     

Grid Integration of Large DFIG-Based Wind Farms Using VSC Transmission

This paper describes the use of voltage source converter (VSC)-based HVDC transmission system (VSC transmission) technology for connecting large doubly fed induction generator (DFIG)-based wind farms over long distance. The operation principles of the proposed system are described, and new control strategies for normal and grid fault conditions are proposed. To obtain smooth operation, the wind farm side VSC (WFVSC) is controlled as an infinite voltage source that automatically absorbs power generated by the wind farm and maintains a stable local ac network. Fault ride through of the system during grid ac faults is achieved by ensuring automatic power balancing through frequency modulation using WFVSC and frequency control using DFIG. PSCAD/EMTDC simulations are presented to demonstrate robust performance during wind speed and power variations and to validate the fault ride through capability of the proposed system.     

双馈感应式风力发电系统低电压穿越研究

双馈感应式风力发电机组以其变流器容量小,有功和无功功率可独立解耦控制的特点,已成为目前变速恒频风力发电机组的主流机型。正因为双馈感应发电机(Double Fed Induction Generator,简称DFIG)的变流器容量小,所以它对电网电压扰动的抵御能力较弱。为防止扩大电网故障,目前欧洲电力系统要求风力发电系统具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through,简称LVRT)能力。这里建立了简化的DFIG低电压穿越系统,在22 kW实验平台上进行了实验,其结果说明Crowbar电路能抑制电机定、转子电路中的暂态电流,系统基本具备了低电压穿越能力。     

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。     

基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化

为了优化电网电压发生不对称故障时双馈风力发电机(doubly fed induction generator,DFIG)的低电压穿越(low voltage ride through,LVRT)能力,提出一种优化方法,即在转子侧串联电阻和电容改善DFIG的LVRT能力。传统的Crowbar方法中,故障期间DFIG将产生不可控的情形并且吸收一定无功,不利于电网电压恢复。而采用转子串阻容方法,限制了转子侧电压的负序分量和直流分量,抑制了转子开路电压和转子过电流,保证了DFIG在故障期间可控状态,并提供无功,有利于电网电压的恢复。仿真结果表明,所提方法能使DFIG成功进行低电压穿越,保证了DFIG在故障期间可控。     

电网电压骤升时DFIG定转子电流分析及无功电流配置改进

在双馈感应发电机（DFIG）高电压穿越（HVRT）问题中,电压骤升引起的暂态过电流不足以触发撬棒保护动作,致使HVRT下的定转子短路电流特性比低电压穿越（LVRT）更复杂。推导了计及电磁暂态过渡过程和转子侧换流器（RSC）调控共同作用影响下的定转子电流表达式。在此基础上考虑并网规范要求的DFIG无功电流支撑,控制RSC和网侧换流器（GSC）输出与骤升幅度相对应的分量,使DFIG工作于无功支持状态。仿真结果表明,定转子电流表达式准确描述了HVRT期间的故障电流,所得结果更具一般性,且对故障电气量的计算具有重要意义;改进无功电流配置实现了DFIG的HVRT。研究结果对掌握DFIG的动态过程具有一定的参考价值。     

定子双绕组感应电机风力发电系统的低电压穿越特性分析

通过发电机控制绕组侧的励磁变换器灵活调节系统所需的励磁无功功率,定子双绕组感应电机(DWIG)风力发电系统可在宽风速范围内输出稳定的高压直流,无需增加升压变换器即可并网运行,并且系统的控制策略有助于提高系统对电压跌落等故障的穿越能力。文中通过构建并网型DWIG风力发电系统的Simulink仿真模型,对系统运行在各种功率因数状态下的跌落特性及跌落期间对电网的无功功率支持进行全面仿真。结果证明,无需增加额外的卸载单元,DWIG风力发电系统即可实现较强的低电压穿越能力,在不同功率因数下均能稳定安全运行,且能在电压跌落故障期间提供一定的无功功率支持。     

并网双馈风电机组低电压穿越能力研究

详细分析了双馈风电机组LVRT功能的实现原理,并在电力系统仿真分析软件PSASP中建立双馈风电机组的LVRT功能模型,采用地理接线图直观地表示风电场外部系统发生短路故障瞬间对风电机组端电压的影响,并以我国某地区电网为例来分析在风电场接入方式不同的情况下系统短路故障对风电机组的影响,根据仿真结果给出风电机组LVRT能力的最低电压限值要求。最后提出了利用串联制动电阻来提高风电机组的LVRT能力的新方法。分析结果表明,串联制动电阻能够可观地提高风电机组的低电压穿越能力,具有较高LVRT能力的风电机组,可以节省一定的投资费用,在一定程度上降低了风电的上网电价。     

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。     

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。     

含无刷DFIG的风电系统低电压穿越极限控制能力分析

无刷双馈感应发电机(BDFIG)由于其良好的维护特性,在风力发电中具有良好的应用前景。作为大功率并网发电装置,基于BDFIG的风电系统需要满足电网的低电压穿越(LVRT)并网导则。双馈型风电系统机侧变流器的极限控制能力决定了系统LVRT的控制方案与控制成本,具有重要的实际意义。文中详细分析了BDFIG在电网故障时的瞬态模型,通过引入庞特里亚金极小值算法分析基于BDFIG的风电系统的机侧变流器控制端电压最优值,得到整个系统LVRT极限控制范围,并进一步与普通双馈感应发电机进行了比较。结果表明,BDFIG具有更加优异的LVRT能力。     

电网对称故障时双馈感应发电机低电压穿越控制

分析电网对称故障时,双馈感应风力发电机定子磁链变化过程、导致定转子过电流的原因、电网故障发生具体时刻及故障程度对双馈感应发电机定转子的影响,提出一种双馈感应风力发电机转子侧变换器低电压穿越控制策略,改善了双馈感应发电机在电网故障时定、转子过电流的情况,实现了双馈感应发电机在电网对称故障时的低电压穿越.在理论分析基础上,建立双馈感应发电机转子侧变换器低电压穿越控制模型和3 kW双馈感应发电机励磁变换器低电压穿越控制实验系统.实验结果表明,所提出的双馈感应发电机低电压穿越控制策略动态响应快、方法行之有效.     

Small signal stability enhancement of DFIG based wind power system using optimized controllers parameters

This paper presents the state space modelling of doubly fed induction generator (DFIG) for small signal stability assessment. The gains of PI controller in torque and voltage control loop of rotor-side converter (RSC) are optimized by particle swarm optimization (PSO) to improve the dynamic performance of DFIG. These optimized parameters results in improved damping of DFIG and minimizes the oscillations in rotor currents and electromagnetic torque. The nature of modes of oscillations for DFIG integrated to infinite bus are analysed under different operating conditions such as varying wind speed and grid strength. The transient analysis with optimized parameters shows the enhancement in LVRT capability during voltage sag and three phase fault as desired by grid codes.