一种基于二重移相变换的大容量海上直流风机及控制技术EI北大核心CSCD

海上风电场采取直流汇集方案,相较于交流汇集无需笨重的工频变压器,避免交流电缆带来的过电压问题,系统效率更高。直驱风机作为海上风电场的主流机型,通过直流转直流电源(DC/DC)变换器的设计和机组控制策略的改进可实现直流并网。首先依据机组直流并网需求提出一种二重化移相三电平DC/DC变换器方案,优化设计双占空比调制策略,分析子变换器功率传输特性;其次建立直流风机的控制策略,实现机组正常工作时最大风能跟踪目标,并且保障故障期间机组的安全稳定运行;最后通过仿真算例验证所设计DC/DC变换器拓扑的可行性和直流输出型直驱风机控制策略的有效性。     

基于模糊PI控制的海上风电柔性直流输电整流器研究

为提高海上风电柔性直流输电电压等级,抑制直流侧电压跌落和闪变,将三相电压源变流器用于送端整流器。采用多个功率单元级联的拓扑结构,电流内环采用PI解耦控制、电压外环模糊PI调节双闭环控制方式。分析了变流器数学模型,建立了MATLAB/Simulink仿真模型,实现了电压级联输出,在线PI参数整定。仿真结果验证了该系统在海上风电柔性直流输电应用中的有效性。     

用于大容量风机直流并网的二重化三电平软开关变换器

随着海上风电场容量的扩大和离岸距离的增加,避免了无功电压问题的直流风电场得到了日益广泛的关注。直驱风机作为海上风电开发的主流机型,通过DC/DC变换器的设计可实现直流并网。首先,依据机组直流并网需求提出了一种二重化三电平软开关DC/DC变换器方案,在减小变换器体积的同时有效降低了变换器的开关损耗;其次,在详细分析子变换器工作原理的基础上给出子变换器重要参数的设计方法;然后,依据DC/DC变换器的控制目标,给出了其在稳态和故障阶段的控制策略,实现了机组的安全稳定高效运行;最后,通过仿真算例验证了所设计的DC/DC变换器拓扑的优越性和控制策略的有效性。     

新型混合高压直流输电技术在海上风电场并网中的应用

对由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时风电场内部的电压和频率控制进行了研究。混合高压直流输电系统由双桥十二脉波不控整流换流器(DBC)、模块化多电平换流器和高压直流输电线路组成。首先,通过深入的理论分析阐明当由双馈风电机组组成的海上风电场采用混合高压直流输电技术并网时,风电场内部的电压可以自动维持在一个合适的范围内并随双馈风电机组输出有功功率的变化而变化。在此基础上,设计了双馈风电机组转子侧换流器的控制器以实现对风电场内部交流系统频率的控制,同时实现了双馈风电机组输出有功功率的最大功率点跟踪。为防止岸上公共连接点发生三相接地短路故障时基于DBC的高压直流输电系统发生过电压,设计了故障时双馈风电机组的控制策略。最后,对建立的采用混合高压直流输电技术并网的海上风电场模型进行了数字仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性和所提出控制策略的有效性。     

基于二极管整流器实现风电机组直流输出的方法

未来海上风电场有望采用大型直流风电机组进行组网以降低电缆成本和损耗。为此,提出一种以二极管整流器作为中压并网端口,且具备储能端口与取电端口的多端口风电变流器拓扑,用其实现海上大型风电机组的直流化,其中,储能与取电端口用于实现机组自启动。直流并网端口无LC滤波装置,当发生直流短路故障时,由于无须采用电容器,则避免了对短路点的放电电流冲击。针对该系统方案,结合变流器数学模型,给出了包括启动、发电和故障穿越的机组级控制策略。详细推导分析了变换器关键元件的边界运行条件,并提出其主电路参数优化设计方法。在PSCAD中构建8.0MW直流风电机组仿真模型,仿真结果表明:变流器的全工况运行参数基本满足边界运行条件,启动并网过程平稳且无明显冲击,变流器能在100 ms左右清除直流短路故障电流,保护功率元件,并实现故障穿越。最后,利用基于RT-LAB实时仿真器和F28335控制器的半实物仿真平台,进一步验证了变流器启动与运行控制策略的有效性。     

基于超级电容蓄能的永磁同步海上风电低电压穿越研究

为避免电网电压跌落导致海上风电机组脱网运行,分析了直驱永磁同步海上风电系统的双PWM全功率变流器控制策略,提出了一种基于超级电容器蓄能的海上风电机组并网运行低电压穿越方案。在双向变流器的直流侧并联超级电容蓄能系统,利用超级电容来维持电网故障时的功率平衡,稳定直流侧母线电压。利用网侧变流器静止无功补偿运行模式控制无功电流输出,向电网提供无功功率支持。仿真结果表明了该方案在电网故障时,能有效抑制直流侧过电压,向电网提供无功功率,有利于电网故障恢复,提高了直驱永磁海上风电系统的低电压穿越能力。     

大规模近海风电场VSC-HVDC并网拓扑及其控制

针对大规模近海风电场地理分布上高度分散以及主要采用双馈式或直驱/半直驱式风电机组的特点,提出了相应的电压源型变流器的高压直流(voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)并网传输拓扑结构,并设计了相应的控制策略。为验证所提方案的可行性,利用Matlab/Simulink构建了一个近海风电场的5端口VSC-HVDC并网传输系统,并进行了系列仿真。仿真结果表明,所提VSC-HVDC方案可为大规模近海风电场的并网传输提供优化的解决方案。     

采用飞轮储能的永磁直驱风电机组有功平滑控制策略

风速的不稳定性和间歇性使得采用最大风能捕获控制策略的风电机组输出有功功率会随风速的变化而波动,影响风电机组的输出电能质量,引起电网频率波动,甚至带来电网的稳定性问题.简单分析了永磁直驱风电机组的全功率双脉宽调制(PWM)交-直-交变流器的控制策略,提出了在不改变现有变流器控制策略的前提下,在变流器的直流侧接入飞轮储能系统,用以实现风电机组输出有功功率的平滑控制.设计了飞轮储能系统的能量控制策略,并给出了平滑功率值的计算方法.对1.3 MW永磁直驱风电机组的运行特性进行了仿真研究,仿真结果表明,采用所提出的飞轮储能系统能量控制策略能够有效平滑风电机组输出有功功率,提高了风电机组的输出电能质量.     

永磁直驱风电机组的机侧多整流器并联运行控制研究

永磁直驱风电机组的容量通常达到了兆瓦级,采用并联型结构是主要的扩容方式。传统的风电变流器机侧整流器具有独立的直流母线,虽具有控制简单的优点,但也存在成本高、体积增加等问题。针对这个问题,提出了一种新型的永磁直驱风电机组机侧多整流器共直流母线并联运行控制策略。该控制策略的控制目的是抑制共直流母线的整流器模块之间由于不同步造成的环流,因此首先对具有公共直流母线的多整流器运行的直流环路和零序电流动态进行了建模和分析,设计了独立的电流控制器,并通过同步载波移相配合生成了多簇脉冲调制信号给不同的整流器模块,但相互的控制器使用了同一个转子位置观测器,从而实现了每个模块的电流同步和均衡,并匹配了最优的总发电机转矩。最后,为了验证控制策略的有效性,基于1.5 MW的永磁直驱风电机组试验平台进行了试验研究。试验结果表明,在新型控制策略下,变流器机侧多整流器模块能正常运行,并具有较优的性能。     

应用超级电容提高风电系统低电压穿越能力

针对使用背靠背全功率变流器的永磁直驱风电系统,提出应用由超级电容和双向DC/DC变换器组成的储能系统提高风电机组的低电压穿越能力.研究永磁直驱风电系统的结构和控制策略,以及基于超级电容的储能系统平衡系统功率的特点,建立永磁直驱风电系统和基于超级电容的储能系统的模型,并给出控制策略和主要仿真参数.仿真结果显示,储能系统在电网电压发生跌落时,迅速平衡了直流母线两侧的功率变化,使直流母线电压保持稳定,并将风电机组与电网故障相隔离,保证风电机组继续向电网传输能量,从而提高风电系统的低电压穿越能力.     

基于VSC-HVDC的风力发电场交直流混合并网技术

提出了一种基于电压源换流器的直流输电系统的交流、直流混合风力发电场并网技术。分析了风力发电机的变桨距控制原理和电压源换流器的直流输电系统的控制策略,讨论了并网风电系统的潮流控制,建立了基于PSCAD/EMTDC的风力发电场模型、电压源换流器的直流输电系统模型以及控制系统模型,研究了风力发电场输出功率变化条件下,整个并网系统的动态响应。理论分析和仿真结果表明,电压源换流器的直流输电系统风力发电场并网系统能够解决并网风力发电场对本地电网稳定安全性、电能质量方面的影响,还能够提高并网风力发电场的输送容量,更加方便地实现对风电潮流的控制。     

机组协同-分布卸荷的风电场-柔直并网系统故障穿越方法

为降低风电场-柔性直流并网系统在交流主网发生低电压故障时的穿越成本,提出一种直流耗能装置与风电机组卸荷电路协同作用的电网故障穿越策略,在电网故障时送端换流器配合风电场快速降低直流功率输出.由于直流耗能装置仅在故障发生的前期、风电场输出功率下降前起到限制直流电压升高的作用,该策略能够显著降低直流耗能装置的体积.在此基础上,该策略将直流耗能装置中的耗能电阻分散置入到受端模块化多电平换流器中,进一步降低了卸荷成本.最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中,构建了风电场-柔性直流并网系统的仿真算例,对所提出的故障穿越方法的正确性和有效性进行了验证.     

基于调相机与SVC协调的抑制高压直流送端风机脱网的控制策略

在大规模风电接入的高压直流送端电网中,针对发生直流故障后送端交流电压大幅波动导致的风机连锁脱网问题,探讨了直流故障导致风机连锁脱网的内在机理,分析了调相机和静止无功补偿器(SVC)在换相失败和闭锁过程中的动态无功响应特性;在此基础上,提出一种基于换流站侧调相机与风电场侧SVC协调的抑制高压直流送端风机脱网的控制策略:在换相失败和直流闭锁的不同时期,根据送端电压变化特点,分时发挥调相机自发无功响应能力、励磁控制能力和SVC无功调节能力,以抑制暂态压降或暂态压升的幅度超过风机脱网的保护阈值.最后,通过对测试系统和实际电网的仿真,验证了所提控制策略可有效抑制直流故障后送端暂态电压变化,降低风机连锁脱网的风险.     

海上风电场与柔性直流输电系统的新型协调控制策略

提出了一种适用于采用双馈机型的海上风电场与柔直输电系统的新型协调控制策略。接入风电场的送端换流站采用基于锁相环的定功率控制,根据风电场的有功参考值控制其有功功率输入,并且在送端换流站的有功功率控制外环中加入有功功率与直流电压平方的下垂特性来加强直流电压暂态稳定性;双馈风电机组采用同步控制,调节海上风电场交流电网的电压幅值和角度。相对于经典协调控制策略,该控制策略可以加强柔直输电系统的直流电压稳定性,对通信延时不敏感,通信成本较低。该控制策略还实现了送端交流电网故障下系统的故障穿越。文中以风电场接入基于多电平的两端柔直输电系统作为仿真研究对象,通过仿真分析验证了该协调控制策略的有效性和优越性。     

连接直驱式风电场的MMC-HVDC低压协调运行控制

近几年随着柔性直流输电技术的兴起,风力发电采用MMC并网被广泛地研究和应用,然而常规的风电柔直并网方案控制维度少,无法匹配负荷的灵活性。文中提出了一种永磁直驱式风电场连接全桥型子模块的风电并网系统,其具有交直流电流独立控制特点,可以在低直流电压下实现系统的稳定运行,有效避免了负荷减少时引起的风机脱网事故。在直流电压下降时,该系统能够维持并网点交流电压恒定,从而使风电场能够正常运行。最后在PSCAD/EMTDC中进行了仿真验证,结果表明了所提出系统及其控制策略的正确性。     

Fault Ride-Through Capability Enhancement of VSC HVDC connected Offshore Wind Power Plants

To achieve active control of the AC voltage magnitude of wind power plant(WPP) collector network and improve the fault ride-through (FRT) capability,an FRT scheme based on feed forward DC voltage contr...     

风电经混合型MMC-HVDC并网的交直流故障穿越策略

为实现内陆大规模风电的可靠并网,采用高压直流输电技术和架空线路进行远距离电能传输是有效的解决方案。由于架空线易发生线路故障,采用具有故障自清除能力的换流器拓扑是主要解决途径之一。采用混合型模块化多电平换流器来进行风电并网,设计了不依赖于换流站间通信的并网系统交直流故障无闭锁穿越策略。系统无闭锁故障穿越期间并网点交流电压可控,风机可维持正常运行。考虑到故障期间风机持续并网输出功率,设计了耗散电阻和与风机内部斩波电阻相配合的策略,以耗散多余的能量。最后,通过PSCAD/EMTDC的多组仿真,验证了并网系统无闭锁穿越交直流故障及快速恢复的有效性。     

风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术

针对永磁同步风电机组远距离大规模并网的问题,研究了采用半桥型模块化多电平换流器(MMC)和直流断路器(DCCB)进行架空直流输电的并网方案。但架空线路故障率高,在发生直流侧故障、网侧交流故障时,基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)系统保护装置会动作,导致MMC闭锁,不能不间断运行。为解决MMC-HVDC穿越交、直流故障的问题,基于DCCB和耗散电阻,提出了一种MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越方案。在故障发生后,通过设计DCCB风电场侧MMC降压协调控制策略,以及高压直流侧耗散电阻和风电场侧制动电阻间的控制策略和配合方案,实现了MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越。最后,通过PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了上述交直流故障穿越方案的有效性和正确性。仿真结果表明,所设计的穿越方案能够使MMC-HVDC系统在不闭锁MMC的前提下,安全穿越故障期;在故障清除后,系统快速恢复到正常运行状态。     

大规模海上风电多电压等级混合级联直流送出系统

海上风电场拥有更加丰富与稳定的风能资源,同时具备适宜大规模开发的优点,发展潜力巨大,是未来风电的主要发展趋势.文中总结分析了现有工程和理论研究中涉及的大规模海上风电直流送出拓扑,包括仅采用模块化多电平换流器的柔性直流换流站系统和二极管整流单元-模块化多电平换流器混合直流换流站系统,归纳了各方案的运行特点.为解决现有方案运行灵活性低、可行性差的问题,提出了一种多电压等级混合级联直流送出系统,从技术性和经济性两方面对方案进行了对比分析.最后,设计了多电压等级混合级联直流送出系统协调控制策略,通过PSCAD/EMTDC仿真分析对并网方案进行了可行性验证.     

多端口电感耦合型直流限流断路器快速重合闸策略

高压直流（high voltage DC,HVDC）电网是连接可再生能源与交流主网的主要载体,直流故障后的恢复速度对整个交直流电网的稳定性有重要影响。基于多端口电感耦合型高压直流限流断路器,提出一种与直流电网换流器控制策略相配合的快速重合闸策略。介绍了多端口限流断路器的拓扑结构,分析了换流器控制策略对故障隔离后直流电压的影响,并对限流断路器的重合闸时序进行了选择,形成了与风电场等弱交流系统连接的换流器-断路器协调配合重合闸的控制策略及逻辑流程。在4端双极直流电网仿真模型中,验证了所提重合闸策略具有冲击电流较低,故障恢复时间较短的优势。