双馈感应异步风力发电机组的低电压穿越要求及技术分析

随着风电机组装机容量的持续高速增加,大规模风电场的建设,各个国家(地区)的电网对风电场的要求日趋严格。本文依据国内外的风电场接入电网规则,对风电场接入电网的低电压穿越(Low Voltage Ride Though,LVRT)要求做了详细介绍,并对目前风机主流机型双馈感应异步风力发电机组(Doubly-Fed Induction Generator,DGIG)的LVRT主要技术进行了综合分析与对比,最后对各技术进行改进并对该问题提出今后的研究方向。     

应用撬棒电路的双馈型风力发电机低电压穿越分析

风电场规模已经变得越来越大,风电机组的解列会严重影响系统的稳定性,这就要求风电机组具有低电压穿越能力以应对电网电压跌落。由于DFIG的定子侧直接与电网相联,在电网电压突然跌落时,定转子中会出现很大的电压和电流,需采用Crowbar电路（撬棒电路）来旁路转子侧变流器。文中分析了Crowbar电路的控制原理,然后在理论分析的基础上进行了仿真,仿真结果验证了Crowbar电路能够帮助DFIG在故障期间实现低电压穿越,最后进一步分析了Crowbar电路投切时间的选取。     

基于Crowbar保护的双馈感应发电机组的低电压穿越研究

分析了双馈感应发电机组在电网电压跌落时Crowbar阻值变化对电网的影响。根据双馈感应发电机(Doubly-FedInduction Generator,DFIG)的数学模型,推导出在发电机机端发生对称故障时,定子、转子电流的表达式,通过故障期间的最大转子电流,给出Crowbar阻值估算值。在EPSCAD/EMTDC软件中仿真分析不同的Crowbar阻值对系统的影响,验证公式推导的正确性,并通过仿真试验确定合理的Crowbar切除出时间。     

双馈变速风电机组低电压穿越控制

当系统中风电装机容量比例较大时,系统故障导致电压跌落后,风电场切除会严重影响系统运行的稳定性,这就要求风电机组具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through,LVRT）能力,保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。分析了双馈风电机组LVRT原理和基于转子撬棒保护（crow-bar protection）的LVRT控制策略,在电力系统仿真分析软件DIgSILENT/Power Factory中建立了双馈风电机组模型及其LVRT控制模型,以某地区风电系统为例进行仿真计算,分析转子撬棒投入与切除策略及动作时间对实现机组LVRT的影响。     

双馈异步风机非线性低电压穿越控制策略研究北大核心CSCD

针对双馈风力发电机组对低电压穿越能力要求较高的问题,提出一种新型的内电势串级比例积分控制策略。控制器包括电压和功率两个串级控制回路,通过调节内电势dq轴分量,实现双馈风机有功、电压控制,进而完成对有功功率和无功功率的解耦。为提高双馈风机故障穿越能力,引入变增益功角补偿模块,实现故障过程中对功角的完全控制。仿真对比结果验证了该控制策略降低故障中双馈风机端电压跌落程度的有效性。     

5 MW双馈风电机组低电压穿越的仿真分析

针对海上风力发电机组安全可靠运行要求的发展趋势,本文在阐述双馈风电机组控制原理的基础上,建立了双馈发电机及其变流器的控制模型。其次,在分析电力系统对并网风电机组低电压穿越原理基础上,比较分析了双馈风电机组低电压穿越的各种控制技术方案。最后,结合海上用5.0 MW双馈风力发电机组电气参数,对2种典型低电压穿越的转子电路保护措施进行了仿真比较。分析结果表明,采用二极管整流桥加IGBT和保护电阻构成斩波器的措施具有较好的暂态控制效果。     

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。     

基于双环控制的双馈风力发电机组控制策略

在分析了双馈风力发电机组运行特性的基础上,提出一种基于双环控制的变换器控制策略。在转子侧,变换器采用定子磁链定向矢量控制技术,推导出了用转子有功电流和无功电流独立解耦控制有功功率和无功功率的策略,并实现了风能的最大跟踪;在电网侧,变换器采用电网电压定向矢量控制技术,构建了电流内环、电压外环的双闭环PI控制系统。利用PSCAD/EMTDC软件,构建了双馈风力发电机组仿真模型。仿真结果验证了所提控制策略的有效性和合理性     

一种改进的双馈感应发电机低电压穿越控制策略

为提高双馈感应发电机的低电压穿越能力,对转子侧换流器考虑了电网故障时定子磁链变化对有功、无功解耦的影响,并将反映电流耦合及定子磁链变化的附加量作为前馈分量加入电流指令值,对传统矢量控制策略进行了改进。对网侧换流器,提出一种考虑直流环节两侧功率不平衡及电网电压突变的改进控制策略。仿真验证了改进方案对转子过电压、过电流及直流母线电压波动均有很好的抑制作用,有效提高了双馈机的低电压穿越能力。     

一种新型的风电场低电压穿越时撬棒电路设计与阻值选定

针对传统撬棒电路（Crowbar）在风电场低电压穿越时给电网带来无功负担问题,提出了一种新型的Crowbar保护电路,介绍了新型Crowbar的设计与阻值选定,并在PSCAD环境下搭建双馈式感应发电机（DFIG）模型,分析比较了无Crowbar保护电路、带有传统Crowbar保护电路和新型Crowbar保护电路时DFIG在电网电压跌落情况下的动态特性。结果表明,新型的Crowbar在有效保护风电场的同时减少了电网的无功负担,有效地弥补了传统Crowbar带来的电网无功负担。     

低压微网逆变器孤岛运行控制策略研究

低压微网系统中的逆变器孤岛运行时,由于失去电网电压和频率的支撑,逆变器的控制变得困难。在负载突变情况下,容易引起微网交流母线电压和频率幅值的波动,导致微网系统无法提供可靠的电能;当逆变器并联处于孤岛运行时,微网系统要求各台逆变器能够按各自容量实现功率精确分配,同时还应具有较快的动态响应能力。针对以上问题,文章逆变器的外环控制采用改进功率下垂系数调节的电压PI控制、内环采用瞬时电流PR双闭环控制,保证负载突变时具有较快的动态响应速度和无稳态误差控制。仿真结果验证了文章控制策略的可靠性。     

双馈风力发电机并网新型控制策略分析

通过研究已有的风力发电机空载并网控制的文献,指出定子磁链并网控制策略的不足之处,提出了电网电压并网控制策略,同时通过试验设计了并网前相位与相序的检测方法。通过仿真发现,在此控制策略下,双馈风力发电机定子侧的电压在频率、幅值、相位上接近电网电压,达到了无冲击并网的目的,验证了此控制策略的正确性和有效性,是空载并网方式的一种理想的控制策略。     

基于电池储能和Crowbar的风力发电机低电压穿越控制的研究

文章提出一种基于电池储能和Crowbar协调控制提高DFIG的LVRT能力的策略。在系统电压小幅跌落时,电池储能系统,通过PQ解耦PI控制,适当调节交流侧输出电压幅值和相位,以提供满足系统电压稳定的无功功率;当系统电压大幅跌落时,电池储能协同Crowbar电路的投切控制,及时卸荷多余能量并保护变流器,保证DFIG在故障期间不脱网运行。在PSCAD/EMTDC平台对本文提出的控制策略进行仿真,结果表明本文的控制策略能在系统电压在大幅深度跌落情况下,使DFIG具备LVRT能力。     

低压储能微网孤岛运行保护的研究

储能是微电网的核心部分,可以消减一些可再生能源发电的间歇性和波动性对发电系统的影响,保证微网安全可靠的运行。针对储能单元在低压微网孤岛运行的保护,提出了一种电压反时限保护方法,以对微网故障的检测、故障类型的判别以及故障的切除。通过MATLAB仿真分析,验证了该方法的有效性,对微网实际工程中的保护提供了理论依据。     

双馈风电场有功频率分层控制

风电场有功频率控制是风电场接入电网运行的关键技术。在分析双馈风力发电机组减载运行控制策略及超速法下双馈风力发电机组的减载运行调节能力的基础上,提出了提高双馈风电场的有功调节能力及接入电网后系统频率稳定性的有功频率分层控制策略。该策略根据不同风速区风电机组的减载运行调节能力差异,设计了风电场层分配策略及风电机组层控制策略,在满足有功控制要求的前提下,尽可能提高风电场对电力系统暂态频率稳定的支持。仿真结果表明,该控制策略在系统稳定运行时尽可能存储转子动能,当出现功率扰动后,能够通过快速释放转子存储的动能响应系统频率变化,从而提高了双馈风电场接入电网后的系统频率稳定性。     

Terminal voltage build-up and control of a DFIG based stand-alone wind energy conversion system

The paper presents the voltage build-up process and the terminal voltage control of a doubly-fed induction generator (DFIG) driven by a pitch controlled wind turbine for the supply of autonomous system without any auxiliary source. A control strategy for the complete system including voltage build-up phase is developed with a view to provide as well as possible the required power for load. Indirect stator flux-oriented vector control is proposed to keep the stator voltage constant by means of a back-to-back converter connected to the rotor side, while the management system is supported by the pitch angle and the load shedding controllers. A novel scheme for voltage build-up is presented, which requires no additional hardware support, and physical interpretation of how self-excitation can occur from residual magnetism in the machine core is examined. A reliable start-up process is accomplished by using an appropriate voltage reference ramp which enables minimizing energy loss during the starting. The proposed system is modeled and simulated using Matlab/Simulink software program to examine the dynamic characteristics of the system with proposed control strategy. Dynamic simulation results for different transient conditions demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy.     

一种适用于微电网黑启动的改进微源电压控制策略

孤岛运行的微电网故障后,系统的重新恢复供电关系到微网能否安全稳定运行。文章根据光储微电网中各微源的特性以及黑启动微源的选取原则,选取合适的黑启动电源。为了让黑启动电源在系统恢复初期更好地为微网交流母线提供电压频率支撑,提出一种适用于微电网黑启动的微源电压控制策略,通过改进微源下垂特性,实现微电源输出电压从零开始上升建立电压的过程,确保配电变压器的零起升压功能。最后,在PSCAD仿真平台上搭建了相应模型进行仿真,结果表明,所提电压控制策略有效支撑了微网孤岛运行的电压频率,提高了微网的安全稳定性。     

Co‐ordinated voltage control of DFIG wind turbines in uninterrupted operation during grid faults

Emphasis in this article is on the design of a co‐ordinated voltage control strategy for doubly fed induction generator (DFIG) wind turbines that enhances their capability to provide grid support during grid faults. In contrast to its very good performance in normal operation, the DFIG wind turbine concept is quite sensitive to grid faults and requires special power converter protection. The fault ride‐through and grid support capabilities of the DFIG address therefore primarily the design of DFIG wind turbine control with special focus on power converter protection and voltage control issues. A voltage control strategy is designed and implemented in this article, based on the idea that both converters of the DFIG (i.e. rotor‐side converter and grid‐side converter) participate in the grid voltage control in a co‐ordinated manner. By default the grid voltage is controlled by the rotor‐side converter as long as it is not blocked by the protection system, otherwise the grid‐side converter takes over the voltage control. Moreover, the article presents a DFIG wind farm model equipped with a grid fault protection system and the described co‐ordinated voltage control. The whole DFIG wind farm model is implemented in the power system simulation toolbox PowerFactory DIgSILENT. The DFIG wind farm ride‐through capability and contribution to voltage control in the power system are assessed and discussed by means of simulations with the use of a transmission power system generic model developed and delivered by the Danish Transmission System Operator Energinet.dk. The simulation results show how a DFIG wind farm equipped with voltage control can help a nearby active stall wind farm to ride through a grid fault, without implementation of any additional ride‐through control strategy in the active stall wind farm. Copyright © 2006 John Wiley &Sons, Ltd.     

基于解耦理论的低压微电网下垂控制优化研究

线路阻感特性使低压微电网功率耦合严重,影响下垂策略的控制效果。文章利用相对增益矩阵分析低压微网功率耦合程度,提出在下垂控制中加入虚拟负电阻改善控制效果,并进一步分析了虚拟负电阻参数选择对系统稳定性的影响。分析结果表明:虚拟负电阻能够使逆变器输出阻抗呈容性,改善线路压降和无功补偿配置问题。理论分析证明了解耦理论与虚拟负电阻在改善低压微电网下垂控制策略方面的有效性。仿真分析进一步说明了所提出方法的可行性。     

基于状态反馈解耦控制的含DFIG电力系统低频振荡抑制研究

由于风力双馈感应发电机(DFIG)内部阻尼转矩不足,导致DFIG接入电力系统时会降低系统阻尼,增加发生低频振荡的风险。文章提出了一种状态反馈解耦的控制方法,该方法依据闭环电力系统状态空间模型,将DFIG视为反馈控制器,对其传递函数阵进行状态反馈解耦,实现对来自同步发电机角速度、功角和阻抗偏差矢量一对一控制,进而对整个含DFIG电力系统数学模型进行降阶,同时调节功角耦合参数C_g1、角速度耦合参数C_g2以及阻抗耦合参数C_g3提高系统阻尼比,抑制公共连接点(PCC)电压幅值变化,提高了对低频振荡的抑制能力。最后,以风电接入四机两区域间降阶模型为例进行仿真,并与传统的状态观测器方法对比,仿真结果验证了所提方法对提高整个系统阻尼比和降低节点电压幅值抑制低频振荡的正确性和有效性。