直驱风电场高电压穿越控制策略研究

高电压故障给新能源机组和电网安全稳定运行带来的危害日趋严重。本文首先介绍当前各国高电压穿越(HVRT)的技术标准,分析了电网中高电压故障产生的典型原因,根据原因和故障程度的不同将高电压故障分为两类。其次以永磁直驱风电机组(PMSG)为例,分析了PMSG在高电压故障期间的暂态过渡过程,并设计了高电压穿越控制策略。分析表明,典型参数设计下,利用该策略,PMSG机组难以穿越由直流输电系统闭锁等导致的深度高电压故障。进一步,提出了新能源机组与无功补偿装置的协同控制策略,以实现新能源机组在深度高电压故障下的穿越。最后基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了本文分析结果和所提方法的有效性。     

双馈风电场新型无功补偿与电压控制方案

为均衡双馈感应发电机感性和容性无功调节能力,改善电压稳定性,提出双馈风电场并联无功补偿方案:在各机组机端装设电容器,其电容值为双馈感应发电机定子电感的倒数;同时在主变的低压侧装设静止无功补偿器(static varcompensator,SVC)进行集中补偿。在此基础上,设计电压协调控制方案:稳态时通过三层无功分配策略充分发挥双馈风电机组无功调节能力,减小风电场内有功损耗;电网故障时则结合送出线路纵联差动保护控制SVC的等效电纳,避免保护动作时发生电压过冲的现象,同时改变机组内部无功分配以提高双馈风电机组故障穿越能力。最后以实际算例仿真表明上述无功补偿与电压控制方案的可行性和有效性。     

提高直驱永磁风机低电压穿越能力的控制策略

为提高直驱风电机组低电压穿越能力和改善故障穿越后风电机组的稳定运行能力,提出了一种基于变阻值和变功率因数无功控制的直驱风电机组低电压穿越综合控制策略(the comprehensive control strategy, CCS)。在直流侧采用IGBT与变阻值卸荷电阻串联构成变阻值卸荷电路,且在长时故障时引入磁控型动态无功补偿装置进行无功补偿,根据实际电压值与预设电压阈值的比较结果动态投切卸荷电路。在网侧根据电压跌落程度所处的阶梯范围,动态调整直驱风电机组发出的无功功率。在PSCAD/EMTDC中搭建了直驱风电场的仿真模型,应用某实际运行的1.5 MW直驱风机参数,在卸荷电阻值、无功功率因数分别不同时仿真验证了该控制策略的有效性。结果表明:该控制策略不仅能够提升机组的LVRT能力,而且可以改善故障穿越结束后机组的稳定运行特性。     

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。     

机组参与调节的双馈机组低电压穿越综合控制策略

在分析双馈风电机组低电压穿越技术研究现状及不足的基础上,以提升机组低电压穿越能力和改善故障穿越结束后风电机组的稳定运行能力为出发点,提出了一种机组参与调节的适应电压跌落程度的低电压穿越综合策略。采用卸荷电路和变阻值制动电阻代替传统的Crowbar电路,网侧逆变器根据电网电压跌落程度提供变功率因数无功支持,提高机组在电压跌落结束后的稳定运行能力。采用基于磁控电抗器的动态无功补偿装置进行集中补偿,降低投资成本。构建仿真模型仿真验证了该综合控制策略的正确性与有效性。仿真结果表明该方法可以更好的适应电压跌落程度,实现双馈风电机组的低电压穿越能力,同时还可以增强故障穿越结束后风电机组稳定运行能力。     

动态无功补偿对风电场暂态电压的影响及控制策略

近年来大规模风电机组连锁脱网事故频发,严重威胁电网安全稳定运行,风电机组脱网机理与防御控制策略需深入研究。首先从理论上分析了含动态无功补偿装置的风电场在电网故障期间风机机端高电压现象的机理,仿真分析了静止无功补偿器（static var compensator,SVC）响应时间对风电场暂态电压特性的影响,指出SVC暂态无功调节的滞后性是导致故障下风电机组因高电压脱网的主要因素,并提出了电网故障下风电场的无功协调控制策略：即通过协调SVC与风机自身无功出力,在故障发生时紧急闭锁SVC,投入风机跨接器（Crowbar保护电路）,在故障清除后经一定延时重新投入SVC,从而提高风电机组的故障穿越能力。仿真结果表明该文提出的控制策略能有效抑制故障下风机高电压脱网问题。     

无刷双馈发电机的高电压穿越控制策略研究

针对电网电压对称骤升故障对电机定、转子电压电流造成冲击的问题,提出一种无刷双馈发电机高电压穿越的控制策略。对无刷双馈电机(BDFIG)控制绕组电流表达式进行推导,分析得出抑制控制绕组过电流并非BDFIG高电压穿越需要解决的关键问题。研究了BDFIG网侧与机侧变流器协同控制的无功电流的分配原则,给出一种网侧变流器高电压穿越期间调节母线电压和向电网提供动态无功支撑的高电压穿越方案。提出一种机侧变流器高电压故障穿越的控制策略,通过在机侧吸收一定量的感性无功功率保持高电压故障期间BDFIG控制绕组磁链幅值不变,降低了BDFIG故障穿越时有功功率的波动。仿真和实验结果证明了所提控制策略的有效性。     

一种应用于双馈异步风力发电系统高电压穿越的控制策略

文章讨论了电网电压骤升时双馈风电机组网侧和转子侧变流器有功、无功功率的分配原则,给出有功、无功电流的极限表达式,提出一种能有效提供动态无功支持的高电压穿越(high voltage ride-through,HVRT)实现方案。在机组端电压骤升至1.1倍标称值以上时,该方案一方面控制网侧变流器输出与电压骤升幅度相匹配的无功电流,实现母线电压的稳定;另一方面通过优化转子侧变流器有功、无功电流设定,使双馈感应发电机工作在无功支持模式,优先向故障电网输出一定的感性无功功率。仿真和基于东方风电6 MW试验台实验结果表明,该控制方案不仅能确保电网电压骤升期间双馈风电机组的不脱网运行,还能对故障电网提供一定的动态无功支撑,协助电网电压快速恢复,利于其它并网负载的安全运行。     

永磁直驱风电机组低电压穿越时的有功和无功协调控制

为提高基于全功率变流器并网的永磁直驱风电机组低电压穿越能力,在深入研究该风电机组运行特性和控制策略的基础上,分析了电网电压跌落过程中引起全功率变流器直流侧电压波动的原因,提出了一种采用机侧变流器控制直流电压稳定,网侧变流器实现最大功率跟踪和有功无功协调的新型控制策略。在低电压穿越过程中,该控制策略根据变流器直流侧电压的变化,通过机侧变流器调节风力发电机的电磁功率,使电网故障期间风电机组的功率波动由发电机转子承担,消除全功率变流器两端的功率不平衡,稳定直流侧电压。并根据电网电压幅值,通过网侧变流器实现对风电机组输出有功和无功的协调控制,抑制电网电压扰动。仿真结果表明本文所提控制策略在电网电压扰动时能有效抑制直流侧电压波动,使永磁直驱风电机组的低电压穿越能力得到显著提高,并能有效实现对电网电压的支持。     

基于超导磁储能和变流器重构的DFIG连续故障穿越方案

由高压直流输电系统换相失败引起的送端风电场母线低高电压连续故障,会对双馈感应发电机(DFIG)产生严重的暂态冲击,现有单一的风机低压、高压故障穿越方案难以完全适应此类连续故障穿越的要求。为此,提出了一种结合重构式网侧变流器与超导磁储能装置的软硬件协同穿越方案,以提升DFIG的连续故障穿越能力。在故障期间,网侧变流器由并联运行模式切换至串联运行模式,以维持定子端电压不变为目标,并控制转子侧变流器根据并网点电压自适应发出动态感性/容性无功电流。仿真结果表明,所提方案既可以维持DFIG的机端电压,又可以为电网提供无功支撑,有效地实现DFIG的低高电压连续故障穿越。     

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。     

基于暂态功率特性调整无功电流的高电压穿越控制策略

传统的光伏并网逆变器高电压穿越控制策略以削减有功功率为代价提高无功输出,难以平衡网侧电流和直流母线电压、抑制故障切除后电流和电压突变带来的暂态冲击。在分析高电压暂态功率特性的基础上,提出一种维持有功功率输出不变、调整无功电流参考值的高电压穿越控制策略。首先,以小信号模型分析高电压暂态功率特性,得出高电压期间有功功率不变、网侧无功冗余是抑制电压恢复的关键;然后,依据电网电压骤升幅度给出一种估算无功电流参考值的方法;在此基础上,结合有功电流控制,讨论3种不同电网电压骤升幅度下并网逆变器的控制能力,分别给出相应的高电压控制策略;最后,仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。     

电压不对称骤升下DFIG暂态特性及无功协调控制

针对双馈感应风力发电机(DFIG)电网电压不对称骤升故障,传统的研究大多集中于定子磁链暂态特性的分析,忽略了故障时间对DFIG的影响.以单相和两相不对称骤升故障为例,详细分析了DFIG在不同故障发生时刻的定子磁链暂态特性,并推导出对应的定子磁链和转子电压表达式.此外,DFIG一般运行在单位功率因数下,这忽略了其自身RS...     

直驱风机HVRT两种直流侧卸荷方法对比仿真研究

近些年来,国内外学者对风电机组低电压穿越进行了研究,但对于并网风电机组高电压穿越研究较少。为提高直驱风电机组高电压穿越能力,以2.5MW直驱风电机组为研究对象。本文首先对比分析了国外的风电机组高电压穿越标准,然后提出对网侧变流器采用稳态时单位功率因数控制、暂态时提供无功的控制策略。最后,在Matlab/Simulink中分别建立了斩波电路和超级电容储能系统两种直流侧卸荷电路模型,在相同工况下,仿真分析了两种卸荷电路对机组暂态特性的影响。研究结果表明：两种卸荷方式均能实现直驱风电机组高电压穿越,相比斩波电路,超级电容储能系统不仅能够提升风电机组的高电压穿越能力,而且能够改善机组故障穿越结束后机组稳定运行特性。     

动态调整转子撬棒阻值的双馈风电机组低电压穿越方法

双馈感应发电机(DFIG)等大型电力电子发电设备接入电网,改变了电力系统源端的暂态特性。在系统故障下,为保证DFIG不脱网运行,常采用转子撬棒保护电路完成低电压穿越(LVRT)。DFIG的暂态特性与故障发生时刻和故障程度有关,传统固定阻值的撬棒电路很难保证不同故障下的LVRT。从时域角度推导了撬棒投入后的暂态转子电流表达式,并提出了基于动态调整转子撬棒阻值的DFIG的LVRT方案,制定了转子撬棒自适应控制策略及阻值整定方法。仿真分析了不同电压跌落深度下所提方案的LVRT特性。结果表明,所提方法不仅能够满足不同电压跌落深度下的转子电流和直流母线电压,而且降低了撬棒投入次数及时间。     

改善双馈感应发电机无功特性的变阻值撬棒保护方案

撬棒保护的接入及其电阻值会改变低电压穿越期间双馈感应发电机(DFIG)的无功功率动态特性,由此将影响风电场周边区域电网电压稳定性。针对这一问题,详细分析不同电网电压跌落水平和低电压过渡不同时期撬棒保护接入对DFIG无功特性的影响机理及其变化规律。提出了一种改善机组无功特性的变阻值撬棒保护方案,制定了该方案的撬棒阻值整定方法及其投切控制策略,并进行仿真对比研究。仿真结果表明,相比以限流为目标的传统撬棒保护和以尽快恢复机组可控性的主动式撬棒保护,所提撬棒保护方案不仅能在故障持续期间缩短撬棒投入时间,减少撬棒投入期间DFIG吸收的无功功率,提升出口电压。同时也能最大限度降低故障切除时的DFIG无功振荡峰值,加速电网电压恢复,有助于系统区域电压稳定性的提升。     

双馈风机定子侧串阻抗的阻值优化

当电网受到大扰动导致电压骤降时,双馈风机需配合硬件改造措施以实现机组的低电压穿越。针对双馈风机采用定子侧串联阻抗的低电压穿越策略中存在的阻值整定问题,首先推导了双馈风机的转子暂态电流和开路电动势表达式,再以故障期间换流器的运行限制分析其有功无功耦合特性,最后结合上述分析提出了一种基于无功最优定子侧串阻抗的阻值优化方法。通过转子暂态电流约束和转子开路电动势约束确定阻抗选取范围,以暂态期间最大无功出力为目标,优选串联的阻抗值。仿真结果表明,所提方法优选出的阻抗值不仅能够有效抑制双馈风机所受到的暂态冲击,还能保证机组在故障期间提供无功功率,为电网电压提供支撑,提升机组故障运行能力。     

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。     

电网电压对称骤升时DFIG暂态电流分析及限流电阻阻值优化

双馈感应风力发电机(DFIG)高电压穿越(HVRT)问题中,常规研究对电磁暂态特性的分析往往忽略掉故障切除这一特殊时刻,使得HVRT期间转子电流的最大值计算不准确,造成限流电阻整定偏小,无法完成电压恢复后的HVRT。在对DFIG电磁暂态全过程分析的基础上,根据叠加原理推导出电压对称骤升故障发生到切除及其后的转子电流表达式,同时考虑了换流器输出和机端电压不同骤升程度对转子电流的影响,所得结果更具一般性。此外,综合考虑故障发生和切除时刻转子电流的最大值,对限流电阻阻值进行优化。仿真结果验证了理论分析的正确性。     

基于干扰抑制的双馈风机低电压穿越控制策略

低电压穿越要求风力发电系统在电网电压突降下保持连续运行并为电网提供无功功率支撑。为提升双馈风力发电系统的低电压穿越能力,提出基于状态相关Riccati方程技术的干扰抑制控制方法。所提干扰抑制控制目标为：确保转子侧换流器在暂态期间为系统提供所需的无功功率支撑;控制网侧换流器以维持直流母线电压恒定。基于上述控制目标构建相应的干扰抑制控制问题,并采用状态相关Riccati方程技术获得反馈控制律。在设计权重矩阵时,充分考虑了控制目标、控制效果与控制成本的影响。为了保证转子电流和直流母线电压在低电压穿越过程中处于安全范围,设计转子电流抑制机制,并采用串联动态电阻保护电路。最后,与传统比例-积分（PI）控制、基于粒子群优化的PI控制、滑模控制以及精确线性化控制的仿真结果进行对比,结果表明所提出的控制策略具有更好的暂态性能,能够有效地提升双馈风力发电系统的低电压穿越能力。