应用于风力发电系统中的撬棒阻值整定新方法

在电网发生电压跌落故障的情况下,双馈异步发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)多采用撬棒保护电路以实现低电压穿越(Low Voltage Ride Though,LVRT),而撬棒阻值的选择对机组的LVRT效果影响很大。从DFIG在电压跌落故障下的暂态数学模型出发,运用空间矢量分析和拉普拉斯变换的方法,推导出风电机组在电压跌落故障下的暂态电流时域表达式、转子侧故障电流的计算式。由此提出一种切合工程实际的撬棒阻值整定方法,解决了投入撬棒保护电路后转子侧出现过电流和直流母线过电压的问题。算例及仿真实验数据均表明,采用该方法可有效抑制暂态故障分量,显著提高风力发电系统的LVRT水平。     

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。     

Crowbar保护电路参数选择对双馈风电系统低电压穿越的影响

在电网电压严重跌落故障下,通常采用转子侧增设Crowbar保护电路实现双馈风电系统低电压穿越(LVRT)运行,而不同的Crowbar退出时间和阻值对LVRT性能影响较大。针对双馈感应发电机(DFIG)系统机端三相短路故障,从磁链角度推导出转子侧暂态电流及其最大估算值,根据短路电流和直流母线耐受电压,给出Crowbar串联电阻值的整定范围。在MATLAB/Simulink平台进行仿真研究,结果表明,为防止电网电压恢复时Crowbar电路再次动作,可采取故障消除后切除Crowbar电路方案;在约束范围内,Crowbar电路阻值有利于暂态电流加速衰减,提高DFIG系统LVRT能力。     

双馈风电系统低电压穿越的联合控制策略

由于双馈风力发电机的定子绕组直接与电网相连,容易受到电网电压故障的影响。主要的DFIG低电压穿越技术有灭磁控制和撬棒控制等。灭磁控制是通过控制转子侧变换器(RSC)来获得适当的转子磁场,以抵消定子磁链中的暂态分量。由于RSC的容量限制,灭磁控制只能穿越轻微的电压跌落故障。对于严重的电网电压跌落故障,更常用的方法是使用撬棒电路将RSC旁路。但使用撬棒电路只能保证双馈风电系统的安全,无法协助电网电压恢复。提出一种灭磁控制与撬棒电路联合的LVRT方案,并使用Matlab/Simulink软件进行了仿真实验,仿真结果表明所提方案有助于提高双馈风电系统的LVRT能力。     

改善双馈感应发电机无功特性的变阻值撬棒保护方案

撬棒保护的接入及其电阻值会改变低电压穿越期间双馈感应发电机(DFIG)的无功功率动态特性,由此将影响风电场周边区域电网电压稳定性。针对这一问题,详细分析不同电网电压跌落水平和低电压过渡不同时期撬棒保护接入对DFIG无功特性的影响机理及其变化规律。提出了一种改善机组无功特性的变阻值撬棒保护方案,制定了该方案的撬棒阻值整定方法及其投切控制策略,并进行仿真对比研究。仿真结果表明,相比以限流为目标的传统撬棒保护和以尽快恢复机组可控性的主动式撬棒保护,所提撬棒保护方案不仅能在故障持续期间缩短撬棒投入时间,减少撬棒投入期间DFIG吸收的无功功率,提升出口电压。同时也能最大限度降低故障切除时的DFIG无功振荡峰值,加速电网电压恢复,有助于系统区域电压稳定性的提升。     

计及撬棒保护的双馈风电机组不对称短路电流特性分析

电网故障时,双馈式感应风电机组(DFIG)在机端电压深度跌落过程中表现出的电磁暂态特性十分复杂。计及撬棒保护的DFIG不对称短路特性研究较少,为了准确描述机端电压深度跌落过程中DFIG不对称短路电流变化特性,基于空间矢量和序分量法,建立了双馈感应电机的正、负序数学模型。在考虑双馈风电机组不同初始运行功率的情况下,通过数学解析的方法推导了撬棒保护电路投入后定转子正、负序磁链的计算表达式,在此基础上得到了定、转子电流的解析表达式。该方法同样适用于对称性故障时DFIG短路电流的解析计算。最后,通过Matlab/Simulink仿真软件验证了双馈风电机组机端发生对称和不对称电压跌落时定子电流解析计算表达式的准确性。     

PI控制参数对双馈风电机组短路电流特性的影响分析

在机端电压跌落程度不深的情况下,双馈风电机组(DFIG)不投入撬棒,而是通过改变转子侧控制策略的方法抑制转子侧过电流,此时定子短路电流中会产生衰减暂态电流分量,而DFIG控制系统的PI参数是影响该衰减暂态电流分量的主要因素。以机端发生对称故障的情况为例,针对机端电压跌落程度不深时撬棒保护未投入的情况,推导了DFIG短路电流的表达式,从理论上分析了PI参数对其短路电流特性的影响,并且辅以PSCAD仿真验证分析了在机端电压跌落轻微的情况下DFIG的短路电流特性。     

基于转子串电阻的DFIG低电压穿越优化控制策略

针对双馈感应风力发电机组(DFIG)的低电压穿越(LVRT)问题,在分析现有转子串电阻电路基础上,考虑限流电阻阻值对低电压穿越期间DFIG瞬态性能的影响,权衡转子电流、转子电压、无功功率、电磁转矩间的关系,对限流电阻阻值的选取原则进行了优化; 转子串电阻电路退出但电网电压未恢复时转子侧变流器的功率协调控制策略得到改善; 在此基础上,利用变流器对DFIG的控制灵活性,提出一种无需定子磁链观测且控制算法简单的换流器改进控制策略。本文所提的LVRT优化控制策略在提高DFIG瞬态性能的同时兼顾了系统暂态稳定性     

基于主动式Crowbar的双馈风电机组LVRT性能优化分析

面对短路故障引起的电压大幅跌落,为避免直接脱网对电网造成的不利影响,双馈感应风电(DFIG)机组多采用撬棒保护电路(Crowbar)实现低电压穿越(LVRT)功能。文章利用磁链平衡原理对含Crowbar电路的DFIG三相短路电流简化表达式进行推导,提出旁路阻值的优化整定方法。为验证整定方法的有效性及Crowbar退出时间对LVRT性能的影响,利用PSCAD/EMTDC平台对电压骤降情况下DFIG的LVRT性能进行了一系列仿真分析,结果表明:在确保网侧变流器正常工作的前提下,Crowbar阻值在整定范围内取偏大值且Crowbar在故障清除1个周波后退出运行,会使DFIG得到更好的LVRT效果。     

基于模糊切换的DFIG转子串联双动态电阻LVRT优化控制

针对双馈感应风力发电机(DFIG)转子串联单电阻不能满足高性能低电压穿越(LVRT)需求的问题,提出了基于模糊切换的DFIG转子串联双动态电阻LVRT优化控制策略.建立LVRT期间DFIG转子串联阻尼电阻的数学模型,剖析串联电阻对转子磁链、电流、电压及温度的影响机理.根据实际中不同电网电压跌落深度和转子电流大小的逻辑关系,设计转子串联双动态电阻开关信号模糊控制器,对其切换状态进行全面、详细、精确的控制.仿真和实验结果表明,所提控制策略可根据电网电压跌落深度和转子电流幅值的不同,快速、准确地选择相应电阻值,在有效抑制LVRT期间转子过流、直流母线过压的同时,减小了转子串联电阻消耗的有功功率,促进了电网跌落电压的快速恢复,提高了LVRT期间机组整体安全性能.     

双馈感应发电机暂态特性分析及Crowbar阻值优化

双馈感应发电机(DFIG)的暂态过程是研究其低电压穿越(LVRT)的基础和关键。常规研究大多只针对故障发生期间的电磁暂态过程,而未涉及故障清除这一过程,对DFIG的暂态过程分析不全面,导致对转子最大短路电流计算不准确,进而导致Crowbar阻值选取不合理。本文从DFIG数学模型出发,给出了电网电压对称跌落及电网电压恢复时的定子磁链暂态表达式,以转子侧等效电路为基础分析推导转子电流的解析表达式,并据此修正了Crowbar阻值。在PSCAD/EMTDC中建立1.5MW并网DFIG仿真模型,验证了理论分析推导的正确性;并揭示不同故障持续时间将导致电网电压恢复时DFIG不同的暂态过程,忽略故障清除时刻的暂态过程将导致Crowbar阻值选取过大,Crowbar阻值选取需同时考虑故障发生和清除时刻的暂态过程。     

基于Crowbar的双馈风力发电低电压穿越研究

随着风力发电机容量和风电规模的增加,要求双馈感应发电机(DFIG)能够实现低电压穿越(LVRT)能力。在电网电压跌落的对称故障下,针对原有LVRT技术的不足,提出一种采用主动式Crowbar电路的控制策略。在电压跌落后,转子电流突升时,触发Crowbar电路,旁路转子侧变换器;在电流恢复到一定程度时,断开Crowbar电路,使转子侧变换器投入工作。通过有、无Crowbar电路仿真对比表明,该方法可较好地控制转子过电流、母线过电压及电磁转矩的振荡,同时在故障期间向系统输送无功,达到LVRT的要求。     

基于转子串阻容的双馈风机低电压穿越能力优化

为了优化电网电压发生不对称故障时双馈风力发电机(doubly fed induction generator,DFIG)的低电压穿越(low voltage ride through,LVRT)能力,提出一种优化方法,即在转子侧串联电阻和电容改善DFIG的LVRT能力。传统的Crowbar方法中,故障期间DFIG将产生不可控的情形并且吸收一定无功,不利于电网电压恢复。而采用转子串阻容方法,限制了转子侧电压的负序分量和直流分量,抑制了转子开路电压和转子过电流,保证了DFIG在故障期间可控状态,并提供无功,有利于电网电压的恢复。仿真结果表明,所提方法能使DFIG成功进行低电压穿越,保证了DFIG在故障期间可控。     

双馈风电机组低压穿越特性对电力系统暂态稳定的影响

双馈风电机组(DFIG)的低压穿越(LVRT)特性与同步发电机不同,使得大规模DFIG接入电力系统后同步发电机的功角特性发生改变,因此分析系统暂态稳定性时有必要考虑DFIG LVRT行为的特殊性。推导机电暂态时间尺度下DFIG撬棒未投入和投入2种工况下的等值模型,基于该模型对典型LVRT策略下DFIG的外特性进行分析;基于等面积定则研究DFIG LVRT策略中无功补偿系数与撬棒电阻对电力系统暂态稳定的影响。时域仿真结果表明,提高无功补偿系数和增加撬棒电阻有利于电力系统的暂态稳定性,验证了理论分析的正确性。     

Short circuit fault analysis in a grid connected DFIG based wind energy system with active crowbar protection circuit for ridethrough capability and power quality improvement

In power industry, improvement of the short circuit Fault-ride through (FRT) capability of grid integrated Doubly Fed Induction Generators (DFIGs) for the wind power system is an important issue. In this paper an Active Crowbar Protection (ACB_P) system is proposed to enhance the Fault-ride through (FRT) capability of DFIG so as to improve the power quality of the system. The protection scheme proposed here is designed with a capacitor in series with the resistor unlike the conventional Crowbar (CB) having only resistors. The importance of ACB_P is to maintain the connection of DFIG with the grid during fault conditions to provide uninterruptable power supply to the loads. The major functions of the capacitor in the protection circuit are to eliminate the ripples generated in the rotor current and to protect the converters as well as the DC-link capacitor. The main objectives of the proposed approach are: minimisation of magnitude of rotor fault currents, maintenance of constant DC-link voltage, reduction in crowbar operation time to avoid disconnection between the DFIG and the Rotor side converter (RSC), improvement in the short circuit response of terminal voltage and enhancement in the dynamic responses of the DFIG. These objectives are achieved through the incorporation of ACB_P scheme between the rotor of the DFIG and RSC. The proposed scheme is validated on different types of fault conditions and it is observed that there is significant improvement in the objectives. Simulation results are carried out on a 1.7 MVA DFIG based WECS under different types of short circuit faults in MATLAB/Simulation and functionality of the proposed scheme is verified.     

基于无功判定法的Crowbar保护电路退出控制

"并网难"已成为风电发展的瓶颈,而低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)是风电并网中的核心技术,目前主要采用Crowbar保护电路实现风电机组在大干扰下也具有LVRT能力,而Crowbar电路退出时间对电网故障恢复有很大的影响。根据我国风电大规模远距离的特点,在DIgSILENT中建立了双馈风力发电机组(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)的动态模型,并经过远距离输电线与IEEE9节点电力系统相连,仿真分析了DFIG在各种短路故障条件下的运行特性,提出一种基于无功功率判定的Crowbar退出控制方法,能实现Crowbar电路在故障切除后立刻退出,提高了DFIG的LVRT能力。     

双馈风机定子侧串阻抗的阻值优化

当电网受到大扰动导致电压骤降时,双馈风机需配合硬件改造措施以实现机组的低电压穿越。针对双馈风机采用定子侧串联阻抗的低电压穿越策略中存在的阻值整定问题,首先推导了双馈风机的转子暂态电流和开路电动势表达式,再以故障期间换流器的运行限制分析其有功无功耦合特性,最后结合上述分析提出了一种基于无功最优定子侧串阻抗的阻值优化方法。通过转子暂态电流约束和转子开路电动势约束确定阻抗选取范围,以暂态期间最大无功出力为目标,优选串联的阻抗值。仿真结果表明,所提方法优选出的阻抗值不仅能够有效抑制双馈风机所受到的暂态冲击,还能保证机组在故障期间提供无功功率,为电网电压提供支撑,提升机组故障运行能力。