STATCOM在双馈风电场低电压穿越中的应用研究

双馈感应发电机(DFIG)采用转子撬棒(Crowbar)进行低电压穿越保护时,须向电网吸收大量的无功功率,不利于故障过程中电网电压恢复。文中在双馈风电场中加入静止同步补偿器(STATCOM),用以补偿Crowbar动作后DFIG异步运行时对电网的无功需求。通过不同程度电压跌落下风电场动态仿真进行验证,结果表明电网电压跌落严重时STATCOM的无功补偿效果明显,电网故障中DFIG还能向电网提供一定出力,维持电网稳定运行;与只投入Crowbar的情况相比,同时加入STATCOM和Crowbar不会对DFIG各分量产生冲击;电压跌落轻微时DFIG可通过自身的变流器调节实现低电压穿越,投入Crowbar和STATCOM反而会加剧系统的振荡。     

考虑机组运行状态的海上风电场无功协调控制

针对由具有无功调节能力的双馈风机DFIG(doubly-fed induction generator)组成的海上风电场,结合海上风电场特点和无功补偿配置情况,在考虑风电场内机组crowbar动作情况、机端电压和因尾流效应导致的风速差异对双馈风机动态无功极限影响的基础上,提出在电网电压跌落期间通过调节转子电流,充分利用场内双馈风机的无功协调控制能力进行最大无功支撑实现低电压穿越;在电网电压恢复阶段,控制场内双馈风机快速输出感性无功抑制电网电压骤升,提高了低穿恢复阶段的过电压抑制能力。基于DIgSILENT/PowerFactory仿真平台,搭建风电场协调控制模型验证所提控制策略的效果。仿真结果表明,所提控制策略在电压低跌落状态下可以充分发挥风电机组的无功出力能力,协助电网电压快速恢复,有效提高故障电网的暂态电压水平。     

低电压穿越过程中DFIG型风电场同步稳定及无功电流控制方法

电网故障持续过程中,低电压穿越导则要求风电场输出规定的无功电流以支撑电网电压恢复。目前电网运营商通常规定风电场配置一定容量的静态无功补偿装置(static synchronous compensator,STATCOM)来提供无功支撑,该文对配有STATCOM的风电场进行研究。为满足低压穿越要求,风电机组和STATCOM都需采用基于锁相环的电流矢量控制方法。但是在电网严重故障时,由于锁相环与风电场电流控制之间存在动态交互,风电场输出与电网存在同步失稳的风险。该文以双馈型发电机的(doubly fed induction generator,DFIG)风电场为例,分析了风电场的同步稳定机理和条件,得出实现风电场的同步稳定必须输出一定的有功电流。而STATCOM只能输出无功,因此需DFIG的协助才能实现同步稳定;同时受功率变流器输出能力的限制,DFIG无功输出能力减弱,需STATCOM协助才能满足并网导则的无功需求。基于此,提出一种DFIG和STATCOM的协同电流控制方法,根据电网传输线路阻抗角协调控制风电场输出电流的有功、无功分量,确保风电场同步于电网运行。最后通过仿真验证了理论分析和控制方法的有效性。     

故障条件下的风电场无功协调控制策略

电网故障时风电系统的Crowbar装置能够帮助风电机组实现低电压穿越,然而Crowbar的投入使得双馈风电机组要从电网吸收无功功率,延缓电网电压重建的过程。因此,需要在故障时对风电场进行无功补偿。针对这个问题,提出一种新型无功协调控制策略,在电网电压跌落后,根据并网点电压水平以及Crowbar的动作情况,整定风电场的无功调节需求,通过两层无功分配策略,协调双馈风机和STATCOM对电网进行无功补偿,用以支撑风电场并网点电压。采用这种控制策略,不仅可以提高风电机组的低压穿越能力,也减少了无功补偿装置的投入容量,仿真分析验证了所提策略的可行性和有效性。     

协调相邻风电场之间低电压穿越的综合保护方案

多个风电场相邻时,若某一风电场近端发生严重故障,其撬棒投入实现低电压穿越的同时,将对相邻风电场造成影响。根据故障时双馈风力发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的无功功率特性,分析了撬棒投入对相邻风电场的影响以及造成相邻风电场撬棒连锁动作的原因,提出了一种基于 DFIG 转子串联电阻和静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)的综合保护方案及相应的控制策略,以协调多风电场之间的低电压穿越,防止撬棒的连锁动作使电网电压和无功功率进一步恶化。仿真结果表明,所提保护方案能够抑制相邻风电场 DFIG 的转子电流,防止撬棒连锁动作,并能最大限度补偿无功缺额,提高出口电压。     

协调相邻风电场之间低电压穿越的综合保护方案

多个风电场相邻时,若某一风电场近端发生严重故障,其撬棒投入实现低电压穿越的同时,将对相邻风电场造成影响。根据故障时双馈风力发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的无功功率特性,分析了撬棒投入对相邻风电场的影响以及造成相邻风电场撬棒连锁动作的原因,提出了一种基于DFIG转子串联电阻和静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)的综合保护方案及相应的控制策略,以协调多风电场之间的低电压穿越,防止撬棒的连锁动作使电网电压和无功功率进一步恶化。仿真结果表明,所提保护方案能够抑制相邻风电场DFIG的转子电流,防止撬棒连锁动作,并能最大限度补偿无功缺额,提高出口电压。     

提高双馈风电机组高电压穿越能力的控制策略

为了提升风电场高电压穿越能力,提出了一种协调动态无功补偿装置(STATCOM)与网侧变流器(GSC)的无功功率控制。电网电压骤升期间,根据设计的高电压穿越方案,STATCOM能够协调GSC向电网提供大量的感性无功功率,吸收系统过剩的容性无功功率,保证风电机组高电压穿越期间不脱网运行,并降低了双馈风机的功率及转矩振荡。最后,通过在Digsilent建立仿真算例,验证了所提出的高电压穿越方案的可行性及有效性。     

含STATCOM的双馈电机风电场无功电压协调控制策略

为增强风电场并网点电压稳定性,提出了变速恒频双馈风电场与动态无功补偿装置STATCOM间的无功电压协调控制策略。电网故障导致风电并网点不同深度的电压跌落时,根据双馈风机Crowbar保护投切状态,对DFIG风电机组转子侧及网侧变流器与STATCOM进行无功功率分配,协调控制促进风电场LVRT期间风电并网点电压的快速恢复。最后,在DIg SILENT/Power Factory仿真软件中建立了风电场和STATCOM控制模型,通过仿真验证该控制策略的有效性。     

改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制改善风电场 低电压穿越能力

经VSC-HVDC并网风电系统在风电场侧故障时,风电机组出口母线电压过低,极易引起风力机脱网。而双馈风力发电机(DFIG)传统的Crowbar技术在故障时将转子侧变流器(RSC)短接,使发电机定子侧失去了为电网提供无功的能力,风力机的低电压穿越能力较低。提出一种改进的DFIG模型,加入了主动式DC-Chopper,与传统的Crowbar相配合,降低Crowbar动作的概率,使得DFIG转子侧变流器可以控制定子侧在故障时期继续提供无功功率。并利用此改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制,改善风电场侧母线电压水平。通过算例仿真表明,在严重故障时采用改进式DFIG的Crowbar仍未动作。从而大大降低Crowbar动作的概率,双馈风电机组RSC故障期间可以继续投入运行并为电网提供无功支持。完成故障期间DFIG两侧变流器与VSC-HVDC风电场侧变流器(WFVSC)之间的无功协调,使风电场具有更好的低电压穿越能力(Low Voltage Ride Though, LVRT)。     

改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制改善风电场低电压穿越能力

经VSC-HVDC并网风电系统在风电场侧故障时,风电机组出口母线电压过低,极易引起风力机脱网。而双馈风力发电机(DFIG)传统的Crowbar技术在故障时将转子侧变流器(RSC)短接,使发电机定子侧失去了为电网提供无功的能力,风力机的低电压穿越能力较低。提出一种改进的DFIG模型,加入了主动式DC-Chopper,与传统的Crowbar相配合,降低Crowbar动作的概率,使得DFIG转子侧变流器可以控制定子侧在故障时期继续提供无功功率。并利用此改进的DFIG与VSC-HVDC协调控制,改善风电场侧母线电压水平。通过算例仿真表明,在严重故障时采用改进式DFIG的Crowbar仍未动作。从而大大降低Crowbar动作的概率,双馈风电机组RSC故障期间可以继续投入运行并为电网提供无功支持。完成故障期间DFIG两侧变流器与VSC-HVDC风电场侧变流器(WFVSC)之间的无功协调,使风电场具有更好的低电压穿越能力(Low Voltage Ride Though,LVRT)。