基于定子电压定向的分频风电系统多机控制

为提高中远距离风电传输的经济性,提出一种新型分频多机控制策略。该系统通过一台交交变频控制多台同步风力发电机运行,并实现风电变频、并网。由于系统内各机组具有相同的定子电压,而其转子磁链方向不同,所以采用基于定子电压定向的控制方法。此外,提出一种改进的多机频率寻优方法和一种基于瞬时无功原理的数字锁相技术。前者可提高分频系统风能捕捉率和运行的稳定性,后者可解决分频系统中电压锁相不准的问题。最后,利用PSCAD搭建了由4台同步风电机构成的分频多机系统,验证了上述控制方法的可行性。     

考虑输变设备的分频风力发电系统最优控制

对以分频发输电技术为基础的变速变频(VSVF)运行的分频风力发电系统,在考虑分频输电线路和升压变压器的基础上,对其基于矢量控制技术的无风速测量最优功率输出的控制策略进行了研究.在PSCAD中建立分频风力发电系统各部分的动态模型,对分频风力发电系统的风能利用系数、风电机组输出功率和线路的损耗进行仿真分析,并与常规恒速恒频(CSCF)风电场进行比较,结果表明该控制策略可以在自然风速波动的情况下,实现无风速测量下的最优风能捕获、最优功率输出和减小输电线路功率损耗.     

直驱六相风力发电系统无速度传感器研究

采用六相永磁同步发电机(PMSG)结合双变频器并联方案以提高直驱式风电系统(WECS)的机组容量和可靠性.为消除系统因测速码盘带来的故障,采用无速度传感器矢量控制方案.给出基于模型参考自适应系统的永磁电机转速和转子位置估计方法,提出一种将最优叶尖速法与爬山法相结合的风力发电最佳风能捕获方法.采用六相电机矢量控制策略,对风速突变时六相电机的最佳风能追踪过程进行仿真并在此基础上,设计了一套风电变流器控制系统,实验结果表明,该变流器控制系统具有良好的动、静态控制特性,为整个风电控制系统提供了基础.     

含分频风电的电力系统潮流计算方法以及稳态特性分析

对含分频风电的电力系统潮流计算方法以及稳态特性进行了分析.首先,给出了分频风电系统中的核心设备——交交变频器的潮流稳态模型.其次,根据上述模型,提出了一种利用统一迭代法计算含分频风电的电力系统潮流的新方法.该方法在传统的牛顿-拉夫逊潮流算法中增加了交交变频器模型,对雅可比矩阵进行了扩展.同时,分析了交交变频器控制参数对系统潮流的影响,并通过算例进行了验证.最后,针对2015年四川规划电网,利用潮流程序,对含分频风电的电力系统电压波动以及无功需求两个稳态指标进行了计算与分析.特别地,着重对低频侧采用变频率策略的分频系统与采用恒定频率策略的分频系统进行了比较.对典型日的分析表明,由于风电场主要运行在中低风速区域,因此采用变频率策略的分频系统的总体稳态指标会占优.     

分频输电在海上风电并网应用中的前景和挑战

通过比较3种风电并网方式,指出了分频输电系统(FFTS)在大规模海上风电并网中的应用前景。介绍了分频海上风电系统的结构和变频器的选择,对比表明了模块化多电平矩阵式换流器(M~3C)作为新一代变频器优良性能。分析了低频环境对分频海上风电系统中关键性设备的影响,进一步从设备角度表明分频海上风电系统的可行性和经济技术优势。最后指出分频海上风电系统中仍需解决的经济技术难题,为进一步研究指明了方向。     

含分频风电的电力系统机电暂态计算方法以及暂态特性分析

对含分频风电的电力系统机电暂态计算方法以及暂态特性进行了分析。首先,建立了交交变频器的准稳态模型,该模型反映了暂态过程中变频器两侧的电压、功率关系。其次,提出了含分频风电的电力系统暂态稳定算法。该算法将交交变频器准稳态模型与低频、工频两侧的网络方程相连得到系统网络代数方程。同时,利用交替迭代法对系统微分—代数方程组进行求解。最后,对含分频风电的电力系统的暂态稳定特性进行了分析。分析结果表明,由于低频侧电抗仅为工频系统1/3左右,故障时低频风力发电机转速响应的阻尼高于同距离的工频系统。同时,当低频侧故障时交交变频器对工频侧发电机的振荡具有明显的抑制作用。     

直驱永磁同步风电机组的最优功率运行控制

构建了直驱永磁同步风电机组的最优功率控制模型,包括低风速下的最大风能捕获控制模型和高风速下的桨距角控制模型.最大风能捕获控制以永磁同步发电机输出功率为反馈量,转速为控制对象,桨距角控制以转速为反馈量,桨距角为控制对象.在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了相应的仿真系统,对直驱永磁同步风电机组联网运行进行了仿真分析,对所建立的数学模型和最优功率控制方法的有效性进行了验证.     

永磁同步风电机组机侧直流阻抗建模

永磁同步风电机组因其具有单机容量大、发电效率高、控制性能好等优势,在海上风电场中占有较高比例。在海上风电场直流外送系统中,永磁同步电机风电场采用直流汇集方式,然后经高压直流线路送出,可以减少电能变换次数,从而减少设备数量、节约海上平台建造所需人力物力,因此直流海上风电场成为一种研究趋势。因为多机组串联时单机组故障易引发系统崩溃,直流海上风电场外送系统对于风电机组和系统稳定性具有较高要求。阻抗模型已逐步成为广泛采用的稳定性分析方法,作为直流海上风电场的基本组成单位,永磁同步风电机组直流端口阻抗模型尚未建立。基于谐波线性化方法建立永磁同步风电机组机侧模型的直流端口阻抗模型,并对不同转速条件下的阻抗模型进行仿真验证。最后开展机组阻抗特性分析研究,详细分析了转速以及电流环控制特性对机组直流阻抗特性的影响,为后续直流海上风电场外送系统稳定性分析奠定模型基础。     

大型变速恒频风电系统的建模与仿真

针对兆瓦级变速恒频风力发电系统,基于Matlab/Simulink建立了包括风机、传动齿轮、双馈发电机在内的大型风电系统的整体动态数学模型。传统的最大风能捕获算法往往基于最优功率曲线和部分风机参数已知,当上述参数未知或出现扰动时,风电系统的效率会严重降低。针对此不足,基于所建模型设计了变步长最大风能捕获控制器,该控制器采用矢量控制算法,实现了发电机输出有功和无功功率的解耦控制;针对有功功率控制,控制器根据发电机输出转速扰动时,相应输出有功功率的变化变步长地调整系统输入,直到系统运行到最大风能点。仿真结果验证了风电系统模型的正确性以及控制器的有效性。     

大型风电机组自抗扰转速控制

大型风电机组通常具有较大的转动惯量,因此在风速变化时机组转速不能快速地跟踪最大功率点。为了提高风电机组在低风速下对风能的利用率,提出自抗扰转速控制策略。利用基于转速反馈的扩张状态观测器对系统的内外扰动进行观测,并采用扰动补偿的方法,将风电机组等效为一阶线性系统。基于自抗扰控制原理设计了系统的转速控制器。实时估计出机组捕获的机械功率并计算出转速给定值,采用转速控制器直接对转速进行控制。仿真结果表明,与采用传统的功率控制策略的机组相比,自抗扰转速控制策略在风速变化时对最大功率点的跟踪速度要快,机组对风能的捕获效率得到了提高,同时对风力机的参数依赖性小。     

分频海上风电系统的技术经济分析

介绍了分频输电系统(FFTS)应用于海上风电的拓扑结构,并通过一个装机容量300 MW、离岸距离250km的算例,比较其与现有高压交流(HVAC)和高压直流(HVDC)并网方式的技术及经济优劣。FFTS通过降低输电频率(如50/3Hz),显著降低交流电缆中的充电电流,提升海底交流输电的效率与性能。结果表明,FFTS能满足算例的并网需求,且风电穿透率大于HVAC。算例中FFTS换流站的投资折算和年维护费用比HVDC少9 126万元,等年值比HVDC低7.28%。在算例的基础上,文中进一步给出了FFTS-HVDC临界经济距离—装机容量曲线,相对而言FFTS更适用于装机容量大、离岸近的风电场,对于300 MW风电场,二者的临界经济距离约为634km,远超已有和规划中的海上风电场的离岸距离。分析结果表明了分频海上风电系统所具有的应用潜力。     

分频输电应用于深远海风电并网的技术经济性分析

全球海上风电发展呈现大规模化、集群化及深远海化的特点。离岸距离大于100 km的大规模深远海风电的输电与并网方式成为海上风电发展和研究的热点方向。通过分析电缆等电气设备的传输极限和损耗,采用等年值法,综合考虑设备投资成本、维护成本、损耗费用及电缆选型,建立了系统的比较各种并网方式的技术经济评价方法。以某400 MW海上风电场为例,对高压交流输电技术、高压直流输电技术和分频输电系统3种并网方式进行技术经济分析。论证说明分频输电技术通过降低频率,既可提高电缆载流量,又显著降低了交流电缆中的充电电流,因此传输距离显著增加,表明分频输电技术在远距离、大规模深远海风电并网方面具有技术经济优势。     

风力发电经分频输电接入系统的实验

风力发电具有随机性、间歇性,而且风电场一般处于偏远地区,风电经分频输电接入电网为风电的远距离输送提供了一个解决方案。该文设计了12脉波交交变频器的主电路和控制电路,并以其作为风电接入装置,用常规同步发电机模拟永磁直驱同步发电机,在动模实验室模拟了变速变频风力发电,向系统成功输送20kW有功,证实了以分频输电为背景的变速变频风力发电的可实现性,并在此基础上初步讨论了交交变频器的运行方式,实现了风电场的有功开环调节。     

分频输电系统交-交变频器触发脉冲实时生成方法

分频输电是一种适用于大规模风电接入系统的新型输电方式,其核心部件为交一交变频器.当分频输电系统用于风电并网时,系统对交一交变频器提出了尽量减少谐波含量和低频侧频率可随风速变化2点要求.为了适应这一要求,文中提出一种利用多指针法实时生成交一交变频器触发脉冲的方法.该方法避免了传统余弦交点法中需要实时计算三角方程的问题,同时解决了直线近似余弦交点法中谐波偏大和离线计算时低频侧输出电压频率无法变化的问题.文中对该算法进行了详细的推导,并给出了硬件电路和程序框图.实验结果表明,该方法可在无需增加存储数据的情况下实现脉冲实时触发,且低频侧电压频率可实时变化,精度满足工程需求.该方法硬件电路简单,易于在工程中加以应用和推广,并可在分频输电系统中加以利用.     

海上风电直流送出与并网技术综述

随着深远海风电开发利用的快速发展,风电直流送出与并网成为技术热点.针对风电交流汇集直流送出、低成本直流送出、多端直流送出和多电压等级直流送出技术,全面论述了海上风电直流送出技术在系统拓扑、装备、控制与保护方面的现状和存在的问题,以及研究热点和发展趋势,指出海上风电场集群共享直流集中送出是近期的主流方案,系统的宽频振荡是亟待解决的问题,使整体系统体现主导电源特征是关注的热点.为降低成本,基于二极管整流送出的技术路线具有良好的预期,但纯二极管整流送出需要风电机组的改进.海上风电多端直流并网系统的成熟依赖于低成本直流断路器和暂态控制保护技术的进步,而海上风电多电压等级直流并网系统尚缺乏直流变压器等关键装备的支撑.     

面向海上平台轻型化的跟网型中频远海风电场直流送出方案

海上风电具有广阔的发展前景,而可靠、高效的大规模远海风电并网系统是开发海上风电的关键技术.针对远海风电直流送出系统的海上平台轻型化问题,提出一种跟网型中频远海风电场直流送出方案.该方案采用跟网型风电机组,直流系统的整流侧和逆变侧都采用模块化多电平换流器(MMC).首先,从拓扑结构和控制系统2个方面对该跟网型中频方案进行了描述;接着,就海上风电场交流系统运行频率对风电场及其直流送出系统的影响进行了分析,包括对变压器、交流电缆和MMC等的影响.基于±320 kV/1000 MW海上风电直流送出系统,分析了100 Hz跟网型中频方案的技术经济性,包括关键电气设备的主回路参数、海上交流电缆造价、海上平台造价、风机造价、交流电缆损耗和整流站阀损耗、交流电缆输电能力.最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了跟网型中频方案的电磁暂态仿真模型,验证了该方案的有效性.     

基于变参数减载控制的风电场一次调频策略

变速恒频风机通过电力电子设备实现并网,导致机组转速与系统频率不再有耦合关系,无法主动响应系统频率变化。针对风电大规模并网引发的系统调频安全问题,采用优先减载低风速机组的风电场预留备用策略,并结合桨距角控制,实现满足系统备用需求,同时最大限度地储存旋转动能;然后提出了变调频系数的虚拟惯量控制策略,给出了下垂系数的整定方法,以实现风机减载功率充分释放,为系统提供可靠的调频功率支持。在DIgSILENT中建立了系统仿真模型,结果表明：所提策略能够合理分配风机的减载功率,并有效利用备用容量参与系统调频,提升了风机的频率控制能力。     

风电经分频输电装置接入系统研究

基于分频输电理论,提出了一种全新的风力发电馈网方式--风电场经分频输电装置接入系统方式.该方式将风电场中所有风力发电机组发出的变化的低频电能通过控制系统收集到一起,经过远距离输电后再经过分频输电装置统一接入负荷中心.该方式通过降低输电频率来减少输电线路的电抗以及减少齿轮箱的增速比,提高了效率、减少了投资.算例以某实际风电场为例,分析了变速变频方式下风力发电机组的特性,与恒速恒频方式相比,该方式有效地提高了风力机的输出功率.     

分频输电系统及其应用

分频输电系统(fractional frequency transmissionsystem,FFTS)利用较低的频率(如50/3 Hz)传输电能,从而减少交流输电线路电气距离,提高系统传输能力。在水电、风电等可再生能源发电系统中,由于发电机转速较低,十分适合于利用分频进行发电和输电,在并网时转换为工频。首先介绍了分频输电的原理、并网特点等。其次,利用2个案例对水电、风电经分频输电并网的可行性进行了分析。特别是对分频风力发/输电系统的优越性进行了阐述。结果表明,水电、风电经分频输电并网是一种具有经济与技术优势的方案,在可再生能源发输电领域有着很好的应用前景。