不平衡电压下双馈异步风力发电系统的建模与控制

提出了不平衡电网电压条件下双馈异步发电机(DFIG)在正、反转同步速旋转坐标系中的完整数学模型,推导和分析了不平衡电网电压条件下DFIG定子输出瞬时有功、无功功率组成.在此基础上,提出了小值稳态不平衡电网电压条件下增强DFIG不间断运行能力的4种可供选择的控制方案.讨论了不同不平衡控制目标下转子正、负序电流指令值计算原则,设计了正、反转同步速旋转坐标系中DFIG的双幽转子电流控制器的不平衡控制方案,实现了不平衡电网电压条件下转子正、负序电流的独立跟踪控制,有效地提高了小值稳态不平衡电网条件下风电机组的不间断运行能力.仿真研究验证了理论分析的正确性和所提出的双dq转子电流不平衡控制方案的有效性.     

电网电压不平衡双馈风力发电机改进控制方法

为了有效地改善电网电压不平衡时双馈发电机(DFIG)的控制效果,提高发电机发出的电能质量,文中提出一种新的控制方法,在发电机转子侧转换器和网侧变换器使用正dq旋转坐标系正反馈的基础上增加了负dq旋转坐标系反馈控制,转子侧负反馈控制目的是降低电压不平衡引起的发电机电磁转矩的振荡,电网侧负反馈的控制目标是抑制发电机输出的不平衡电流。通过PSCAD/EMTDC环境下的仿真研究表明,该控制方法能够有效地改善电网电压不平衡时双馈发电机的性能。     

基于PIR控制器的电压不平衡下双馈风力发电机转子侧变流器控制

针对电网电压发生不平衡故障时,并网运行中的双馈风力发电机会出现有功功率、无功功率、电磁转矩震荡及并网电流不对称的现象。在正反转同步旋转坐标系下建立双馈风力发电机数学模型,推导了三种控制目标下正负序电流指令值,并提出一种应用比例-积分-谐振控制器的新型转子侧变流器控制方案,弥补了传统控制策略电压不平衡故障影响系统稳定性的短板,简化了控制系统结构,增强了双馈风力发电机故障穿越能力。通过MATLAB/Simulink仿真验证了控制策略的可行性和有效性。     

不平衡电网电压下双馈发电机多目标模型预测控制

电网电压不平衡时,双馈感应发电机定、转子电流也会出现较大不平衡,使发电机有功功率、无功功率和电磁转矩发生振荡,危害机组运行。鉴于模型预测控制在大功率变流器中的优越性和多目标约束能力,基于有限集模型预测控制策略对电网电压不对称故障下的双馈发电机多目标控制进行研究。在两相静止坐标系上对双馈发电机建模,并建立其预测方程,以抑制不平衡故障下双馈发电机输出有功功率脉动、无功功率脉动和转矩脉动为目标,提出一种双馈发电机多目标控制策略,增强双馈发电机不平衡故障下稳定运行的能力,同时避免复杂的坐标变换和转子电流指令值计算。在理论分析的基础上,建立11kW的双馈发电机实验平台,通过仿真和实验结果验证该控制策略的有效性。     

不平衡电压下的DFIG模型预测直接功率控制

为提高双馈风力发电机在不平衡电网电压工况下的运行性能,提出一种扩张状态观测器与模型预测控制相结合的直接功率控制策略。首先,采用扩张状态观测器对系统中因负序分量引起的不确定项、模型误差及外部扰动等不确定因素进行参数估计。然后,结合模型预测控制理论建立双馈风力发电机模型预测直接功率控制数学模型。最后,针对不平衡电网电压下的功率振荡分量讨论功率优化补偿方案。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

不平衡电网电压下双馈感应发电机转子侧变换器的比例–谐振电流控制策略

为了研究不平衡电网电压条件下双馈感应风力发电机(doubly-fedinduction generator,DFIG)系统增强运行能力的有效控制策略,提出了网侧、转子侧变换器的比例–谐振电流控制方案以及两者之间的协同控制策略。针对电网电压不平衡条件下DFIG转子侧变换器,提出了一种在两相定子静止αβ坐标系中实施的比例–谐振(proportional-resonant,P-R)电流控制方案,以实现对DFIG转子电流无需正、负相序分解的统一调节。采用正序d+轴电网电压定向简化了各种增强运行能力控制目标下的转子正、负序电流指令值算法,设计了相应的DFIG不平衡控制策略。实验研究表明,这种P-R电流控制方案能够实现转子侧变换器选定控制目标,具备优良的动态调节性能,可增强不平衡电网电压故障下DFIG风力发电机系统的不间断运行能力。     

电网电压不平衡时DFIG网侧变流器新型双环控制策略

电网电压不平衡时,电网电压出现的负序电压会对双馈风力发电机的正常运行产生很大的影响,甚至损坏发电机组。通过对双馈异步风力发电机网侧变流器的模型进行推导和分析,提出了一种双馈风力发电机网侧变流器在电网不平衡条件下改进的双环控制策略。该策略的外环采用模糊PID控制,而内环采用谐振PR控制,从而通过同时控制正、负序可以消除直流侧二次谐波,得到恒定的直流电压。最后,利用MATLAB/Simulink对该策略进行了试验验证,仿真结果证明了该策略的正确性和有效性。     

基于网侧变换器DFIG直流链电压稳定控制研究

在双馈风力发电系统中,直流链电压的稳定对双馈感应风力发电机(DFIG)的稳定运行至关重要,特别是在电网电压不平衡情况下,尤为突出。而直流链电压的稳定主要取决于并联网侧变换器的控制策略。利用等效负载的概念,对带串联网侧变换器DFIG的新拓扑结构在不平衡电网电压条件下的能量流动、直流链电压波动情况进行了分析,建立了其能量流动等效数学模型。在此基础上推导出此新拓扑结构中并联网侧变换器控制指令算法,协调串联网侧变换器的控制,有效抑制了不平衡电网电压下2倍频分量和直流暂态分量对直流链电压的影响。最后,通过实验验证了所提出的控制算法和控制方案的正确性和有效性。     

电网电压跌落下无刷双馈发电机低电压穿越控制

电网电压跌落的瞬间,风力发电机定子和转子产生冲击电压和冲击电流,对电网安全造成影响。为实现无刷双馈风力发电机低电压穿越,保证风电机组在电网电压跌落下不间断运行,对电网电压跌落下无刷双馈发电机定子电压和电流进行暂态分析,搭建了无刷双馈发电机在功率绕组静止坐标系下的数学模型,推导并分析了电网电压跌落瞬间其功率绕组磁链、控制绕组电压动态变化过程,并提出一种积分滑模直接功率控制与故障穿越控制相结合的控制策略,完成无刷双馈发电机低电压穿越控制。通过MATLAB/Simulink和半实物仿真试验平台进行验证,仿真和试验结果证明所推导功率绕组磁链和控制绕组电压动态变化过程的正确性及控制策略的有效性,该控制策略有效抑制了定子控制绕组侧电压和电流畸变,提高了无刷双馈发电机的低电压穿越性能。     

电网电压不对称故障条件下DFIG风电机组控制策略

提出了一种可应用于双馈异步发电机(DFIG)转子侧变换器的新型电流控制器,即双dq-PI转子电流调节器.在电网电压不对称故障条件下,该电流调节器可对DFIG的转子电流正、负序分量同时进行控制.推导了电网电压不对称故障条件下DFIG的数学模型,根据风力发电机在电网电压不对称故障条件下的运行规程,提出了4种控制目标,同时基于正序定子电压定向简化并得到了转子电流调节器的正、负序电流参考给定量.在一台额定功率为10 kW的DFIG实验机组上,对所提出的转子电流控制器进行了实验验证,结果表明基于该控制器的控制方案可大大改善DFIG系统在电网电压不对称故障条件下的运行性能,提高系统的故障穿越能力.     

Modeling and enhanced control of DFIG under unbalanced grid voltage conditions

This paper presents a mathematical model of a doubly fed induction generator (DFIG) based on stator voltage orientation (SVO) in the positive and negative synchronous reference frames under unbalanced grid voltage conditions. The oscillations of the DFIG electromagnetic torque and the stator active and reactive powers are fully described during grid voltage unbalance. A new rotor current controller implemented in the positive synchronous reference frame is proposed. The controller consists of a proportional integral (PI) regulator and a harmonic resonant (R) compensator tuned at twice the grid frequency. Thus, the positive and negative sequence components of DFIG rotor currents are directly regulated by the PI + R controller without the need of involving positive and negative sequence decomposition, which indeed improves the dynamic performance of DFIG-based wind power generation system during small steady-state and relatively larger transient network unbalances. The theoretical analysis and the feasibility of the proposed unbalanced control scheme are validated by simulation studies on a 1.5-MW wind-turbine driven DFIG system. Compared with conventional single PI current control design, the proposed control scheme results in significant elimination of either DFIG power or torque oscillation under unbalanced grid voltage conditions.     

An Enhanced LVRT Scheme for DFIG-based WECSs under Both Balanced and Unbalanced Grid Voltage Sags

Due to the latest grid codes, wind energy conversion systems (WECSs) are required to remain connected to grid under grid voltage sags and supply reactive power into the grid. So, this paper proposes an enhanced scheme to improve low-voltage ride through (LVRT) capability of doubly fed induction generator (DFIG)-based WECSs under both balanced and unbalanced grid voltage sags. The proposed scheme is composed of active and passive LVRT compensators. The active compensator is performed by controlling the rotor- and grid-side converters of the DFIG to decrease the stator flux oscillations and inject reactive power into the grid. The passive compensator is based on a three-phase stator damping resistor (SDR) located in series with the stator windings. The proposed scheme decreases the negative effects of grid voltage sags in the DFIG system including the rotor over-currents, electromagnetic torque oscillations, and DC-link over-voltage and also injects reactive power into grid to support the grid voltage. So, the LVRT capability of DFIG is enhanced and new grid code requirements are addressed. Simulation results on a 1.5-MW DFIG-based WECS using MATLAB/Simulink demonstrate the effectiveness of the proposed LVRT scheme under both balanced and unbalanced grid voltage sags.     

不平衡电网下双馈感应发电机的虚拟同步机控制优化策略

由于虚拟同步机(VSG)控制技术的控制带宽有限,因此当电网电压不平衡时,VSG控制无法有效控制电网负序电压引起的功率二倍频波动分量。当电压长时间不平衡时将会引起双馈感应发电机(DFIG)定、转子电流畸变,功率及转矩振荡等问题,严重影响系统输出的电能质量及系统运行性能。针对此问题,文中提出一种采用二阶广义积分器对DFIG电磁转矩及无功功率二倍频脉动进行定量控制的方法,使DFIG的VSG控制系统在不平衡电网条件下可以实现3种控制目标,即定子电流正弦且平衡、定子电流正弦且有功功率恒定和定子电流正弦且无功功率及电磁转矩同时恒定。同时,可根据电网实时要求对各控制目标进行灵活切换,提高了DFIG的VSG控制系统的控制性能。最后,所提方法的有效性通过仿真结果得到了验证。     

不平衡电网电压下双馈风力发电系统的比例–积分–谐振并网控制

提出双馈发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的比例–积分–谐振(proportional integral resonant,PIR)并网控制方法,以实现电网电压不平衡工况下 DFIG 风力发电系统的并网控制.并网控制器由同步旋转坐标系中的比例–积分控制器和谐振控制器组成,比例积分控制器控制定子 d-q轴电压的直流分量,谐振控制器控制定子 d-q 轴电压的交流分量,使其分别实现对电网 d-q 轴电压直流、交流分量的精确跟踪.该比例–积分–谐振并网控制策略具有无需采用正负序分离算法,无需设计负序控制器等优点.仿真结果表明,该并网控制策略在电网电压平衡和不平衡条件下,均可控制DFIG 定子电压实现对电网电压的精确跟踪.     

电压不平衡下双馈感应发电机机侧变换器无源控制方法

电网电压不平衡时对双馈感应发电机(DFIG)系统的正常运行有很大损害,传统的控制方法不能完全解决此问题。根据电压不平衡情况下DFIG的工作原理,文中提出了基于端口受控的耗散哈密顿(PCHD)模型的互联和阻尼分配的无源控制(IDA-PBC)方法进行DFIG机侧变换器的控制器设计,详细推导出DFIG机侧变换器分别在正序和负序下基于PCHD模型的IDA-PBC控制器,并计算出了在消除电压不平衡引起的定子输出功率的2次谐波、转子电流的2次谐波以及定子电流的2次谐波等3种不同的控制目标下对应的定子电流和转子电流的给定值。仿真和实验结果表明,所提出的控制方案能有效地抑制电网电压不平衡故障时定子及转子的不平衡电流和降低定子输出功率的波动,且优于传统的比例—积分—微分控制方法。     

基于正序阻抗角的海上DFIG定子绕组匝间短路故障辨识

为了保证海上双馈风力发电系统的安全可靠运行,提高海上DFIG定子绕组匝间短路故障辨识的精准度,文中提出一种以定子侧正序阻抗角为故障特征量的定子绕组匝间短路故障辨识方法。由于故障后各序分量不再对称,首先基于DFIG定子匝间短路故障状态下的序分量模型,推导得出DFIG定子侧正序阻抗角的表达式;然后分析电网电压不平衡、负载和转差率变化等非理想工况对该故障特征的影响规律,提出合理的故障辨识阈值。仿真与实验结果表明,该故障特征对电网电压不平衡具有鲁棒性,且通过合理设置故障阈值可实现对海上DFIG定子绕组匝间短路故障的精确辨识。     

不平衡电压下双馈感应发电机转子侧变流器的灵活功率控制

针对不平衡电压下双馈感应发电机(DFIG)转子侧变流器的控制,分析定子瞬时有功和无功功率与三相定子电压、转子电流的关系,通过引入连续调节系数得到转子三相电流指令值的通用计算式。进一步地,求得指令电流调节系数、转子电流峰值及DFIG定子有功和无功波动的表达式,分析DFIG控制特性随调节系数、电压不平衡度的变化规律;分析不平衡电压跌落下DFIG的可控性,给出电压跌落后定子电压的临界值和转子侧变流器可控的判断条件;以功率波动设定值为目标,计及转子电流峰值限制,建立DFIG单位功率因数和无功功率支持2种模式下的灵活功率控制策略,通过仿真验证所提方法的可行性。     

A flexible power control strategy for rotor-side converter of DFIG under unbalanced grid voltage sags

Doubly fed induction generator (DFIG) is widely applied in variable-speed wind energy conversion system. The disconnection of a substantial amount of DFIG may arouse the instability problem of power system, thus wind power generators have to remain connected during short-time grid faults. As a result, the voltage sag will lead to overcurrent and overvoltage in the rotor winding of a DFIG, moreover the unbalanced voltage sags will also cause serious fluctuations in its electromagnetic torque and output power. This paper studies the relationship of the stator instantaneous powers with the three-phase stator voltage and rotor current of a DFIG under unbalanced grid voltages. A generalized formula of current reference for the rotor-side converter of DFIG is constructed by introducing continuous adjustment coefficients. Meanwhile, the analytical equations of rotor peak current, stator active and reactive power fluctuations are derived to characterize the operating performance of DFIG. The impacts of adjustment coefficients on DFIG control performance and the feasible region of coefficients restrained by the rotor current constraint are discussed. In consideration of the rotor current limit, the flexible power control strategy for DFIG in unity power factor mode (UPFM) and reactive power supporting mode (RPSM) is presented. The correctness of proposed method is verified by simulation and experiment tests of single-DFIG and multi-DFIG systems.     

风电场VSC-HVDC并网不平衡运行改善控制策略

风电场柔性高压直流输电(VSC-HVDC)系统交流不平衡运行时,并网输出功率存在二倍电网频率波动,并网电压、电流波形畸变,恶化风电场并网的电能质量。为改善风电柔性高压直流输电系统在交流不平衡状况下的并网性能,针对双馈风电场侧交流不平衡运行状况提出了一种改善控制策略。该改善控制策略在计及相关平波电抗器、变压器等值阻抗影响的基础上,建立了风电场VSC-HVDC系统不平衡运行数学模型,并提出基于正负序双dq解耦轴系下的正负序控制给定电流策略。最后,通过Matlab/Simulink仿真平台对比仿真引入改善控制策略前后的系统运行性能,对比结果表明所提改善控制策略可以有效抑制风电场并网功率波动,改善系统并网电压、电流波形。     

Operation and control of a grid-connected DFIG-based wind turbine with series grid-side converter during network unbalance

This paper proposes a control scheme of a grid-connected doubly-fed induction generator (DFIG) wind turbine with series grid-side converter (SGSC) to improve the control and operation performance of DFIG system during network unbalance. The behaviors of DFIG system with SGSC under unbalanced grid voltage conditions are described. The SGSC is controlled to inject voltage in series to balance the stator voltage. Therefore, the adverse effects of voltage unbalance upon the DFIG such as large stator and rotor current unbalances, electromagnetic torque and power pulsations are removed and the conventional vector control strategy for the rotor-side converter (RSC) remains in full force under unbalanced conditions. Meanwhile, three selective control targets for the parallel grid-side converter (PGSC), such as eliminating the oscillations in total active or reactive power, or no negative-sequence current injected to the grid are identified and compared. Besides, the proportional resonant controllers in the stationary reference frame are designed for both the SGSC and PGSC to further improve the dynamic performance of the whole system. Finally, the ratings and losses of the SGSC and the injected transformer are discussed and the effectiveness of the proposed control scheme is verified by the simulation results of a 2 MW DFIG-based wind turbine with SGSC under steady state and small transient grid voltage unbalance.