Dynamic modeling and control of DFIG-based wind turbines under balanced network conditions

The performance of wind power station is researched by utilizing a detailed model which includes a wind turbine (WT), doubly fed induction generator (DFIG) and power electronic devices. In the initial stage, a comprehensive review and definition of each part of this system are presented. Then dynamic modeling and simulation of a sample power system are carried out. The operation of a DFIG coupled with WT under balanced condition of a power grid is investigated and stationary reference frame is utilized for analysis of a wind energy conversion system. At the second step, a wind power station is connected to the power grid in order to test the performances of the wind power station controller. The control plan utilizes stator flux oriented control and grid voltage vector control for the rotor and the grid side converter, respectively. MATLAB simulations clearly confirm the effectiveness of the control strategies.     

基于Crowbar的双馈风电系统低电压故障下无功控制

在电网电压发生跌落故障期间,基于Crowbar电路的双馈风力发电系统需要吸收大量无功功率。通过分析故障下DFIG系统的运行特点,建立了变桨距角控制模型及网侧变流器的STATCOM控制模型,Crowbar电路动作后,利用变桨距系统调节桨距角来抑制系统转差率,减小系统从电网中吸收无功功率,同时将网侧变换器切换成STATCOM工作模式,为系统提供无功功率补偿,在PSCAD/EMTDC平台进行暂态仿真研究。结果表明,在故障期间Crowbar电路启动后,通过该控制策略能避免系统从电网中吸收过量无功功率,有助于主电网电压的重建和恢复,验证了所提方法的有效性和正确性。     

无源高阶终端滑模控制双馈风力发电系统

为了简化双馈风力发电系统模型并且使得系统具有抗干扰的特性,依据无源性理论和滑模控制理论从能量和鲁棒性的角度研究了变速恒频双馈风力发电系统.首先建立了基于Euler La-grange (EL)方程的双馈风电系统数学模型,使得双馈风电系统分解为电气和机械两个无源子系统的反馈互联.在设计控制器时只需考虑电气子系统,而机械子系统是一个能量耗散系统,通过选择适合的参数可以保证稳定,因此简化了控制算法.针对速度环响应速度慢,鲁棒性差的问题设计了高阶非奇异滑模速度控制器.仿真结果表明了所提控制算法简单有效,能够保证风力发电系统输出恒定频率的同时,电机转速也能快速的跟踪参考转速,提高了整个系统的动静态性能.     

双馈变速风电机组频率控制的仿真研究

双馈变速风电机组采用双脉宽调制（PWM）变流器实现电磁与机械的解耦控制,这也使得双馈变速风电机组对系统频率变化的响应降低。文中以双馈变速风电机组模型为基础,根据双馈变速风电机组控制特点和控制过程,在电力系统仿真软件DIgSILENT/PowerFactory中增加了频率控制环节,在系统频率变化时,双馈变速风电机组通过释放或者吸收转子中的一部分动能,相应增加或者减少有功出力,实现了风电机组的频率控制。仿真结果证明了频率控制环节的有效性和实用性,并证明了通过增加附加频率控制环节,风电场能够在一定程度上参与系统频率调整。     

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。     

电网对称故障时双馈感应发电机不脱网运行的系统仿真研究

利用经实验验证的时域仿真模型对一典型的2MW双馈感应风力发电系统在电网对称故障时的控制和响应进行仿真研究。与在电网故障时将转子端部直接短接的保护方案相比较,采用所提出的电网故障励磁控制与正常运行时的风能跟踪控制相结合,可以保证发电机迅速恢复有功输出,从而提高整个电力系统在故障切除后的运行稳定性。针对电网对称故障时发电机不脱网运行的可控范围进行仿真计算的结果表明:典型双馈感应风力发电机可在电网故障引起发电机变压器系统侧电压最低下降到30％额定电压时仍可保持不脱网运行。对影响电网故障励磁控制性能的各种因素,包括发电机故障前初始运行点及电机参数进行了研究,发现适当增加发电机漏感或定予侧电阻有助于进一步提高电网故障时励磁控制的效果。     

弱电网情况下双馈风电机组改进虚拟感抗控制方法

当前弱电网条件下双馈风电机组的运行稳定性问题受到广泛关注。在同步旋转坐标系下建立了综合考虑锁相环、转子侧电流环和功率环控制器影响的双馈风电机组等效输入导纳模型。在此基础上,结合广义奈奎斯特稳定判据分析了增大转子侧电感对系统稳定性的提升作用,由此提出在控制器中引入虚拟感抗提高系统稳定性的方法。相对于传统的直接在转子侧电流环中引入虚拟感抗,在设计基于虚拟感抗的控制器时,充分考虑锁相环耦合弱电网扰动对双馈风电机组运行稳定性带来的不利影响,提出了改进的控制方法。通过广义奈奎斯特判据证明了该方法能有效提高弱电网条件下双馈风电机组的运行稳定性。在MATLAB/Simulink中搭建了1.5 MW的双馈风电机组详细模型,通过仿真验证了所提改进控制器对提高系统稳定性的有效性。     

储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制

针对传统双馈风电机组(DFIG)低电压穿越(LVRT)能力不足问题,提出了储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制。该控制是在网侧变流器（GSC）原有的模型上将超级电容经隔离型DC/DC变换器并联到风机直流侧,以此吸收故障期间直流侧产生的不平衡功率;在发生低电压故障时,根据超级电容投入情况,对两侧变流器和并联在风机出口母线上的STATCOM进行无功协调控制来支撑电网电压;同时超级电容储能装置采用电压电流双闭环控制,满足了系统稳定性和经济性的要求。仿真结果表明：该方法应用在风电并网系统中可以使DFIG的LVRT能力得到极大的提升。     

基于SVG的双馈风电场电压稳定控制策略研究

双馈异步发电机(DFIG)在大规模风电并网环境下提供的无功功率无法满足并网需求。虽然引入固定电容器能够提供无功补偿,但系统受功率耦合的影响无法有效实时维持电压稳定。提出了一种静止无功发生器(SVG)与DFIG协调补偿无功的控制策略,同时引入电力系统稳定器(PSS)抑制系统的低频振荡,充分利用DFIG风电机组自身发出无功的能力,减少了SVG的配置容量。在MATLAB/Simulink软件仿真平台建立DFIG风电机组并网模型,仿真结果证实了此控制策略能够完成连续无功补偿,有效维持并网点电压稳定,增强系统输电能力。     

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。     

大规模双馈风电机组并网频率稳定控制策略

风电在电网中的渗透率逐年升高,尽管其在优化电源结构、节能减排方面有颇多贡献,但是由于自然风的波动性和不确定性,大规模风电并网势必会对电网频率稳定等方面产生影响.针对此问题,对装机量较高的双馈型风力发电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)控制系统进行研究,制定大规模双馈型风电机组...     

双馈风力发电机变换器的控制方法研究

本文主要研究了双馈感应电机(DFIG)的网侧和转子侧变换器的控制方法。双馈感应电机中转子侧变换器采用定子磁链定向矢量控制技术,实现了风能的最大跟踪以及有功功率和无功功率的解耦控制。网侧变换器采用电网电压定向矢量控制技术,控制了直流母线电压的恒定以及调节了网侧的功率因素。采用PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件,构建了包括风速模型、风力机模型、变速恒频双馈电机、定子侧和转子侧变换器在内的双馈风力发电机仿真模型。仿真实验结果表明,所提方法是有效、合理的。     

Review of DFIG wind turbine impact on power system dynamic performances

Recently, the variable‐speed wind turbine with doubly fed induction generator (DFIG ) has drawn significant attention because of its many advantages such as small power converter rating, the ability to control the output power, etc. Nevertheless, the large penetration of DFIG wind turbines may affect the power system dynamics. This paper provides a general review of the DFIG wind turbine's impact on power system dynamic performances such as frequency stability, transient stability, small‐signal stability, and voltage stability. Besides, ancillary services from the DFIG wind turbine for the power grid, such as frequency support, reactive power, and voltage support, are explained. Especially, the survey emphasizes power oscillation damping methods by the DFIG wind turbine. © 2017 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

不同控制策略对双馈风机暂态特性影响仿真研究

本文根据网侧基于电网电压定向的矢量控制策略和直接功率控制策略及机侧基于定子磁链定向的矢量控制策略和直接功率控制策略,在PSCAD平台上分别搭建了基于矢量控制策略和直接功率控制策略的两套双馈风机仿真模型,对比分析了电网发生对称性短路故障导致机端电压不同程度轻微跌落和严重跌落时基于不同控制策略的风机的暂态特性,分析了不同时刻投入撬棒电路时基于不同控制策略的风机短路电流特性,并仿真分析了基于不同控制策略的网侧变频器不发无功时对直流母线电压的稳定作用及发无功时对电网电压的支撑作用,最后总结了不同控制策略对双馈风机对称性短路故障暂态特性的影响。     

大规模风力发电并网对系统小干扰稳定性的影响

以西北电网酒泉风电系统为算例,分析了不同风电机组类型、不同风电容量、不同并网位置对电力系统小干扰稳定性的影响。仿真结果表明：相比于恒速风力机模型和直驱式同步发电机模型,风电场采用双馈异步发电机模型并网对系统小干扰稳定性的影响较好;随着双馈并网有功出力的增加,系统小干扰稳定性减弱;选择合适的风电场位置可以为系统提供较好的阻尼。     

传动链模型参数对双馈风电机组暂态性能影响

为了较准确地研究并网双馈风电机组机电耦合作用对其暂态性能的影响,考虑风力机和发电机之间传动轴扭转柔性因素,采用等效集中质量法,建立风力机传动链的等效为两个质量块模型.基于并网双馈风力发电机组的功率控制策略和电磁暂态模型,在电网电压跌落故障下,对采用两个等效质量块传动链模型时的机组暂态运行性能进行仿真,并和不考虑传动链柔性的等效为一个质量块模型时的结果进行比较.应用传动链柔性模型,选取不同参数值时的机组暂态效果进行仿真比较和分析.结果表明:考虑风力机传动链柔性有助于准确分析双馈风力发电机组暂态性能,其暂态性能和传动轴系刚度系数、风力机和发电机惯性时间常数密切相关.     

故障下双馈风电系统机电能量平衡的可行性分析

对于电网故障下双馈感应发电机（doubly fed induction generator,DFIG）机电能量失衡即风力机输入双馈电机能量和双馈电机输出至电网侧能量失衡的问题,现有文献鲜少涉及。双馈电机输出能量和机侧变换器的励磁控制策略有关,首先对现存几种励磁控制策略下双馈电机输出有功功率的情况进行分析,结果表明现有励磁控制策略下双馈电机无法达到机电能量平衡。进而从任意频率、幅值、相位转子电流入手,探讨转子电流三要素和双馈电机输出有功功率之间的关系,推导了使双馈电机达到能量平衡所需的转子电流指令。利用Matlab/Simulink搭建了系统的仿真电路,验证了以上推导过程的正确性。     

基于可变减载率超速控制的双馈异步风机参与微电网调频研究

为了使双馈异步风机(DFIG)能够更好地参与微电网频率调节并减少有功控制成本,综合考虑风机向微电网输送有功功率和提供备用容量参与系统调频两方面因素,提出了变减载率超速控制法。计及风速出现概率,采用概率加权求和法,考虑减载成本、调频效益和调频恢复成本求解超速控制成本(COC),得到变减载率曲线。通过对一个含DFIG的微电网系统进行仿真分析,验证所提方法可有效改善微电网频率动态特性,减少风机有功控制成本,有利于微电网的稳定运行。     

Small-signal Modeling and Modal Analysis of Wind Turbine Based on Three-mass Shaft Model

Abstract—One critical task in wind turbine shaft torsional vibration study involves the modeling of a wind turbine and power grid. With a focus on the mechanical rotational system of wind turbine, this article provides a three-mass shaft model upon which one wind turbine to infinite bus model can be developed. The model, based on small-signal stability analysis, is used to study the wind turbine shaft torsional vibration. For this reason, this article concentrates on the union model of stall wind turbine and power grid. The small-signal stability model includes the mechanical system and electrical system. Data for the turbine's blades and shaft as well as electrical generator are given to allow replication of the model in its entirety. Each of the component blocks of the wind turbine and power grid is modeled separately so that one can easily expand and modify the model to simulate variable-speed wind turbines or multi-turbines system to suit their needs. This is then followed by a case study that explains how the small-signal stability model can be used to study wind turbine shaft torsional vibration issues. Results obtained from the case study show that the model performs as expected.     

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。