提高双馈感应发电机无功支撑能力的低电压穿越控制策略研究

为提高双馈感应发电机(DFIG)低电压穿越(LVRT)能力的同时满足电网无功支撑需求,对传统矢量控制策略进行改进,设计了无功协调控制模块。重点研究Crowbar切除时DFIG的低电压穿越问题,充分利用此时DFIG无功调控能力,为确保双馈风机在电网故障较严重时仍满足电网无功需求,配置静止同步补偿器(STATCOM)作为额外无功辅助设备。最后,在PSCAD/EMTDC平台搭建1.5MW并网DFIG仿真模型,在电网电压跌落时,对控制策略改进前后运行结果的分析表明,所提控制策略能更好地发挥DFIG无功支撑能力,减少STATCOM利用率,实现风电场的低电压穿越。     

基于Crowbar的双馈机组风电场等值模型与并网仿真分析

针对双馈机组(DFIG)风电场并网中亟须解决的低电压穿越问题,提出了一种基于Crowbar的双馈机组风电场等值方法。通过对DFIG在电网故障情况下的机理分析,给出了电网故障时DFIG转子电流的表达式。根据DFIG转子电流值判别是否投入Crowbar,将DFIG风电场分为投入与不投入Crowbar两组;运用容量加权法计算各组参数,建立DFIG风电场的双机等值模型。算例仿真分析表明,DFIG风电场的双机等值模型能够较准确地反映电网故障期间风电场变化,采用快速无功补偿提高了风电场的低压穿越能力。     

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。     

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)。     

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。     

电网电压跌落时双馈风电系统无功支持策略

电网要求风电场/风电机组具有低电压穿越能力,其中包括风电场在电网故障期间应该提供无功支持,但是双馈风机转子侧变流器(RSC)为了实现自我保护会触发Crowbar而被旁路,失去对风机的功率控制。针对这个问题,建立了风机网侧变流器(GSC)的数学模型,分析了STATCOM的基本原理;提出一种无功支持策略,即电网电压跌落期间STATCOM与风机网侧变流器共同向电网提供无功功率,支持电网电压恢复。基于Matlab/Simulink平台进行仿真验证,结果表明,该无功支持策略能有效支持电网电压恢复,提高双馈风电系统的低电压穿越能力。     

电网故障时风电场基于STATCOM的无功协调控制策略

为充分发挥双馈感应风力发电机组(DFIG)在电网故障时的无功功率调节能力,采用静止无功补偿器(STATCOM)进行补偿,建立风电场无功实时协调控制系统(CRRCS)。CRRCS可通过监测电网故障状态、撬棍保护(crowbar)动作状态、风电机组运行状态及公共连接点(PCC)电压水平等信息,实时协调处理风电场各机组、STATCOM及PCC的无功电压控制策略。同时进一步采用故障时刻的极限功率控制模式,以降低crowbar动作概率,保障机组的无功功率调节能力。仿真分析证明,该方法可有效保证电网故障时DFIG的无功调节能力,并控制补偿单元及风电场,为电网提供无功和电压支撑,协助实现风电场的故障穿越运行。     

基于Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究

讨论了电网电压骤降下双馈感应风电(DFIG)系统的低压穿越控制策略和保护方案。采用计及电网电压变化的DFIG数学模型,建立了LVRT控制模型,通过仿真详细研究了Crowbar投切策略,仿真结果验证了Crowbar电路以及控制策略的有效性,表明Crowbar电路能有效抑制转子过电流、直流母线过电压以及电磁转矩的振荡,并可在故障时向电网注入无功电流以帮助电网电压的恢复,使DFIG实现低电压穿越。测量结果表明了这种控制方式能使DFIG在电压跌落故障下实现不间断运行,有效提高了DFIG风电机组运行的可靠性。     

具有低电压穿越能力的集群接入风电场故障特性仿真研究

结合风电机组的结构和并网原理,对直驱风电机组提出了"卸荷电路+无功补偿"的低电压穿越改进控制方法,对双馈风电机组采用了DC-Chopper和SDBR(series dynamic braking resistor)代替Crowbar的低电压穿越改进控制方法。以PSCAD为平台分别构建了具备低电压穿越能力的直驱风电机组和双馈风电机组的并网仿真模型;结合风电并网技术规程,采用电压跌落器仿真验证了直驱、双馈风电机组在电网电压跌落下的低电压穿越能力。参照新疆达坂城实际风电场群接入系统方案,构建了包含具备低电压穿越能力的直驱、双馈风电机组的集群风电场仿真算例,研究了风电场送出线故障、集群风电场送出线电压跌落、系统线路电压跌落时风电场群故障穿越特性。仿真结果表明:集群接入风电场送出线电压跌落会影响相邻风电场及系统的电压和频率,故障结束后整个风电接入系统可以在风电接入技术规程要求的时间内恢复至稳态运行状态。研究成果有助于分析风电大规模集群接入系统的运行特性,提高电力系统对风电的接纳能力。     

基于组合保护方案提高DFIG低电压穿越能力的仿真分析

电网故障导致电压跌落时,大容量风电场中风机的相继切出会影响系统运行的稳定性。为保证电网安全可靠运行,风力发电机组的并网导则要求目前广泛应用的双馈感应发电机（DFIG）具备低电压穿越（LVRT）能力,即确保电网电压跌落情况下DFIG保持不脱网运行。本文在深入分析传统Crowbar保护电路的基础上,针对其不足提出了组合保护方案并给出了相应的控制策略。基于Matlab/Simulink平台建立了风电场并网运行仿真模型,仿真结果表明所提组合保护方案能够有效提高DFIG的低电压穿越能力。     

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。     

基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究

讨论了电网电压骤降下双馈感应风电(DFIG)系统的低压穿越控制策略和保护方案.在分析主动式IGBT型Crowbar电路的拓扑结构以及电网电压跌落时Crowbar电路作用的基础上,采用计及电网电压变化的DFIG数学模型,建立了LVRT控制模型.通过仿真详细研究了Crowbar投切策略,仿真结果验证了Crowbar电路以及控制策略的有效性,表明Crowbar电路能有效抑制转子过电流、直流母线过电压以及电磁转矩的振荡,并可在故障时向电网注入无功电流以帮助电网电压的恢复,使DFIG实现低电压穿越.     

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。     

基于DBR的交直流复用Crowbar低电压穿越

在深入分析双馈风力机组数学模型的基础上,通过对现有低电压穿越方案的控制策略和效果的研究,提出了基于动态刹车电阻(DBR)的交直流复用Crowbar低电压穿越方案。所述方案有2种工作方式:当电网电压轻度跌落时,运行于直流Crowbar工作方式;当电网电压深度跌落时,运行于交直流复用Crowbar方式。针对2MW双馈风力发电机组进行了试验,对设计方案进行了验证。研究表明,所述方案对电网电压轻度跌落持续可控;对电网电压深度跌落,利用并联整流桥取代机侧变频器输送转子故障能量至直流母线,规避了跌落瞬间机侧变频器容量不足的缺点,至机侧变频器重启并联整流桥退出,恢复背靠背变频连接。对不同程度电网电压跌落,所述方案均能实现低电压穿越,故障期间无功支撑满足电网导则要求。     

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。     

基于撬棒并联动态电阻的自适应双馈风力发电机低电压穿越

当电网故障引起电压跌落时,为防止大装机容量风电场的风机脱网,双馈风力发电机(DFIG)多采用Crowbar电路来实现低电压穿越(LVRT)。传统Crowbar电路采用固定阻值的电阻,很难兼顾对转子电流和直流母线电压的抑制以及对Crowbar的投入工作时间的控制。针对传统Crowbar的不足提出了一种基于Crowbar并联动态电阻的双馈风力发电机低电压穿越方案,制定了该方案的自适应控制策略以及其阻值的整定方法。仿真分析不同跌落深度下所提方案的LVRT特性,并与改变IGBT的导通脉宽的变电阻Crowbar方案进行了比较,结果表明带并联动态电阻Crowbar方案的LVRT效果较好,不仅兼顾了对转子过电流和直流母线过电压的抑制,而且在电压深度跌落时可缩短Crowbar的投入时间,有利于系统电压的恢复。     

基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究

讨论了电网电压骤降下双馈感应风电（DFIG）系统的低压穿越控制策略和保护方案。在分析主动式IGBT型Crowbar电路的拓扑结构以及电网电压跌落时Crowbar电路作用的基础上,采用计及电网电压变化的DFIG数学模型,建立了LVRT控制模型。通过仿真详细研究了Crowbar投切策略,仿真结果验证了Crowbar电路以及控制策略的有效性,表明Crowbar电路能有效抑制转子过电流、直流母线过电压以及电磁转矩的振荡,并可在故障时向电网注入无功电流以帮助电网电压的恢复,使DFIG实现低电压穿越。     

基于定子侧新型Crowbar的双馈发电机低电压穿越研究

针对电网电压跌落时投入现有被动式转子Crowbar保护,只能实现对双馈风电机组的系统保护,而无法实现低电压穿越的不足,提出故障时在定子中串接由电感组成的新型Crowbar。首先从理论上对双馈发电机电压跌落极限下激起的电磁过渡过程进行分析计算,揭示影响电磁过渡过程的本质规律。在此基础上,给出双馈发电机在电压跌落极限下新型Crowbar电感值整定方法及励磁控制策略。理论分析和仿真结果表明,新型Crowbar与控制策略相结合即使在电压跌落极限下,也能够对双馈发电机转子侧变流器提供保护,并向电网提供无功支撑,实现电压跌落极限下低电压穿越。