电网故障下交流励磁双馈风力发电机变流器建模与控制

双脉宽调制(PWM)电压型变换器作为交流励磁双馈风力发电机的励磁电源,在风力发电系统得到广泛应用.电网故障时,要求网侧变换器直流链电压波动较小和转子侧变换器能有效控制转子电流,来实现发电机的不间断运行.以双PWM变换器的数学模型为依据,在电网故障时,将网侧变换器以转子侧变换器瞬时输入电流波动为附加前馈量的双环电压控制策略,转子侧变换器考虑定子磁链暂态的定子磁链定向控制策略.仿真结果表明了所提出的联合控制方案在电网故障发生和切除时能稳定控制直流链电压和转子电流,提高了DFIG风力发电系统电网故障下的不间断运行能力.     

基于变换器的分段式直接功率控制

采用传统直接功率控制(DPC)方法的变换器装置很难兼顾系统不同运行阶段的控制要求,为此,提出了一种基于多开关表的分段式DPC控制方法。该方法统筹考虑了系统的各项性能指标,设计实现了四种开关表,根据系统不同阶段的控制要求选择最佳开关状态。与传统DPC系统的仿真和实验对比表明,采用分段式DPC控制的变换器装置起动时间减少10%以上,稳态运行时交流侧电流谐波总畸变率(THD)降低30%以上,直流侧电压的暂态响应时间减少27.3%以上,进一步验证了分段式DPC控制方法的可行性和有效性。     

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.     

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。     

双馈风电系统中VRB储能型网侧九开关变换器

双馈感应电机(DFIG)风力发电系统定子侧直接挂网运行,使故障穿越运行显得尤为重要。在研究多种故障电压补偿方案与九开关变换器脉宽调制策略的基础上,提出新颖的采用九开关变换器替代双馈风电系统网侧变换器实现并网控制与电压串补一体化方案。在对九开关变换器的数学模型、调制方法、工作状态、网侧九开关变换器的控制策略、直流侧电压分配以及全钒液流电池储能环节电路模型进行理论分析的基础上,建立网侧采用九开关变换器的DFIG风电系统仿真模型。设计多种并网点电网电压短路故障工况,分别对风电系统的电气参数和运行特性进行深入仿真研究。研究结果表明九开关变换器能维持DFIG机端电压稳定,使双馈风电机组在对称与不对称电网电压故障下实现柔性故障穿越运行。     

负序及谐波畸变电网电压下双馈风力发电系统的改进直接功率控制策略

由于定子直接连接到电网,电网电压中的负序和谐波分量会严重恶化双馈风力发电机(DFIG)系统的运行性能,导致系统输出总电流三相不对称及谐波畸变、总输出有功功率及无功功率波动等,使得DFIG系统无法安全稳定可靠运行,且输出风电质量下降。同时考虑负序和谐波电网下DFIG系统机侧变流器和网侧变流器的运行状态,以改善DFIG系统总输出电流或功率质量为目标,研究基于二阶矢量积分器(SOVI)的DFIG系统网侧和机侧变流器改进直接功率控制(DPC)策略,改善DFIG系统的运行性能。实验结果验证了所提出的负序和谐波畸变电网电压下DPC策略的正确性及有效性。     

电网电压非平衡状态下双馈发电机转子侧变换器的改进控制策略

针对传统双馈感应发电机(DFIG)传统矢量控制方法在电网电压非平衡状态下控制性能较差,不利于DFIG系统的稳定运行的缺点,在改进锁相环的基础上建立了转子侧变换器的改进控制策略,以提高DFIG在电网电压非平衡状态下的控制性能.基于电网非平衡时正负序电压分量的空间矢量关系,详细分析了该控制原理,并在Matlab/Simulink中进行了系统仿真.仿真结果验证了电网电压非平衡时该控制策略可有效减小DFIG转子电流谐波含量和电磁转矩脉动,稳定机端功率输出,提高了双馈风力发电系统在电网电压非平衡状态下的稳定性.     

电网短路时交流励磁风电机组网侧变换器控制策略

电网短路故障时交流励磁用双脉宽调制(PWM)变换器应提供足够的励磁电压实现交流励磁发电机的不间断运行,要求双PWM变换器直流链电压在故障时波动较小。分析并提出一种电网短路故障时交流励磁风电机组电网侧变换器的控制策略,该方案在电压跌落时仅利用电流内环控制电网侧变换器,并于电压正常时采用带前馈的双闭环电压控制策略控制电网侧变换器。通过仿真验证了所提出的方案在电网短路故障发生和切除时稳定控制直流链电压的有效性,为故障过程发电机不脱网励磁控制奠定了基础,同时该方案也能有效保护直流侧电容及提高系统的稳定性。     

适用于双馈风电系统的九开关型统一电能质量调节器

为减小电压谐波、电压跌落与骤升、电压不平衡等电能质量问题对双馈感应发电机(DFIG)风电系统的影响,在对多种统一电能质量调节器(UPQC)拓扑结构研究对比和九开关变换器建模分析的基础上,提出一种应用于双馈风电系统的九开关型UPQC方案。在对UPQC电压、电流补偿单元运算电路建模的基础上,设计相应的控制策略。按照电网工况,设定谐波电流补偿、轻度电压补偿、重度电压补偿3种工作模式,优化UPQC运行方案。仿真与实验结果表明,九开关型UPQC可以有效治理电压、电流谐波,消除电压偏差与相位跳变,提高DFIG机端电能质量,使机组可以在多种故障电压工况下实现柔性故障穿越。     

不对称电网电压下双馈风力发电机的直接功率控制

在研究双馈感应发电机(DFIG)数学模型的基础上,分析了不对称电网条件下DFIG定子输出瞬时有功、无功功率的组成。通过引入二倍电网频率陷波器,使定开关频率直接功率控制(CSF-DPC)可适用于不对称性故障穿越运行控制。此时各改进的CSF-DPC方法具备各自特性,即基于转子磁链DPC(RF-DPC)可迅速稳定磁链,缩短DFIG动态过程;基于转子电流DPC(RC-DPC)可抑制定、转子电流振荡;基于电磁转矩DPC(EMT-DPC)可减小电磁转矩的脉动。通过分析改进CSF-DPC参数不匹配带来的误差,进一步提高了控制的鲁棒性。与正、负序双dq的不对称运行控制策略相比,CSF-DPC方法无需计算负序分量和引入负序电流控制环,结构简单,动态性能好。     

电网不平衡时采用串联网侧变换器的DFIG风电系统协调控制

针对采用串联网侧变换器的双馈感应发电机(doubly fed induction generators, DFIG)风电系统,详细分析电网电压不平衡条件下该系统的运行情况,从抑制不平衡定子电压及维持系统有功功率平衡的角度出发,分别提出电网不平衡时串联网侧变换器和并联网侧变换器的控制策略.与电网不平衡下DFIG系统的传统运行控制方案相比,所提系统协调控制策略无需改变电网不平衡下转子侧变换器的控制策略,简化转子侧变换器的控制并有效提高其运行可靠性;所提方案在实现DFIG系统电磁转矩、直流链电压及系统总输出有功功率无二倍频波动的同时,实现电网不平衡下DFIG定、转子三相电流平衡,进一步提高了DFIG系统运行的稳定性和可靠性.通过对电网不平衡下采用串联网侧变换器的DFIG风电系统和采用传统控制策略的DFIG系统进行了仿真计算和对比分析,验证所提协调控制策略的正确性和有效性.     

电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应风电系统改进控制

为进一步提高电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)风电系统的运行性能,研究了适用于该系统的改进运行控制策略。提出电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的DFIG系统的3种可选运行方案,以此为基础提出串联网侧变换器与并联网侧变换器的协调控制策略,并建立了在双同步dq旋转坐标轴系下两者的控制模型。所提系统协调控制方案无需改变电网电压不平衡下转子侧变换器的控制策略,在实现发电机输出功率无二倍频波动、电磁转矩无二倍频波动以及定、转子三相电流平衡的同时,可实现电网电压不平衡下整个系统或总输出有功功率无二倍频波动(同时可实现直流链电压无二倍频波动)或总输出无功功率无二倍频波动或整个系统无负序电流注入电网的不同运行功能,进一步增强了不平衡电压下DFIG风电系统的运行能力。对一台采用串联网侧变换器的DFIG风电模拟系统在不平衡电压条件下的运行进行了相关实验,实验结果验证了该文所提改进控制策略的可行性。     

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.     

不平衡电网电压下基于串联网侧变换器的DFIG控制策略

电网电压不平衡会导致双馈感应发电机组(DFIG)定、转子电流出现较大不平衡,使发电机功率和电磁转矩发生振荡,从而恶化机组运行状况.分析了串联网侧变换器抑制不平衡电网电压对DFIG系统影响的机理,利用并联网侧变换器的控制及静止坐标系下的比例谐振控制器,提出了基于串联网侧变换器的DFIG在不平衡电网电压条件下的控制策略;在实现DFIG电磁转矩、直流母线电压及系统总输出有功功率无2倍频波动的同时,使DFIG定、转子三相电流平衡.所述方法具有不改变转子侧变换器的控制策略、无需求解复杂高阶矩阵的特点.对一台基于串联网侧变换器的2 MW DFIG系统进行了仿真,验证了所提出控制策略的正确性和有效性.     

基于模糊自适应的双馈异步风力发电机控制策略

为了解决双馈异步风力发电机（doubly-fed induction wind generator,DFIG）不对称电网网侧变换器采用双电流闭环控制策略（double current closed loop control strategy,DCCS）时响应速度慢、动态性能差等问题,提出了根据电流差、电流差变化率在线模糊自适应修正比例积分微分（proportion integration differentiation,PID）控制器参数的Fuzzy PID策略,建立了DFIG网侧变换器数学模型。基于Matlab/Simulink仿真工具,通过模拟电网侧发生不对称电网故障,仿真得到网侧变换器在改进控制策略下的直流侧电压、电流波形。仿真结果表明：与传统DCCS相比,Fuzzy PID策略进一步改善了直流侧电压、电流的稳定性,减少了直流侧电压、电流纹波分量,改进后的控制系统响应速度更快、动态性能更好。     

双馈风力发电机低电压过渡的相角补偿控制策略

基于撬棒保护(crowbar)的控制方法是双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)实现低电压过渡(low voltage ride through,LVRT)的主要方式之一。在撬棒保护退出后,故障恢复过渡过程中,转子过电流仍有可能损坏变流器。针对上述问题,通过双馈电机的动态等效模型构建故障过程系统分析模型,深入分析故障发生和电网电压恢复过程中的机端电压相角跳变机制及其对矢量定向精度的影响。在此基础上,提出相角补偿控制原理,改进现有 LVRT控制策略,将控制流程分为正常运行、撬棒保护投入、撬棒保护退出和电网电压恢复4个阶段。在正常运行及撬棒保护退出阶段,采用定子磁链定向控制;在撬棒保护投入阶段,封闭转子侧变流器绝缘栅双极型功率管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的脉冲,网侧变流器保持正常工作;在电网电压恢复阶段采用相角补偿控制。仿真结果表明,所提控制策略能够有效抑制电网电压恢复过程中的过电流。     

Research on Short Circuit Current Characteristics of Doubly-fed Wind Power Generator Considering Converter Regulation

When fault occurs in the grid, the short circuit characteristics of doubly-fed induction generator (DFIG) are more complicated due to the coupling influence of generator electromagnetic transient and converter regulation. In view of this problem, a DFIG stator/rotor short circuit current calculation method considering the transient regulation of both rotor-side and grid-side converters is proposed in this paper. First, DFIG fault equivalent network considering the rotor-side converter control is established, and the analytical expressions of stator/rotor currents in this network are derived. On this basis, considering the DC bus voltage fluctuation, the double-loop transient control process of the gird converter in the short circuit process is described quantitatively. Thus, the mechanism of the second harmonic in the stator short circuit current is revealed, and the expression of the harmonic component is derived. Finally, the analytical expressions of stator and rotor short circuit full currents are obtained. Simulation results verify the correctness and feasibility of the proposed method.     

电网电压不平衡下双馈型风电场可控运行区域及其控制策略

电网电压不平衡条件下,双馈感应发电机(DFIG)风电机组实现电磁转矩无脉动等不同传统控制目标时所需要的负序电流幅值不同。结合电网电压不平衡条件下电网侧变换器(GSC)与转子侧变换器(RSC)实现各传统控制目标时所需的负序电流幅值,通过详细分析等值DFIG风电场GSC与RSC的输出负序电流能力,得到基于不同电网电压不平衡度和系统有功出力的DFIG风电场可控运行区域。以该可控运行区域为基础,提出电网电压不平衡条件下DFIG风电场的多目标协调控制策略,即根据电网电压不平衡度及系统有功出力选择或切换系统最优控制目标,进而改善不平衡电压下DFIG风电场的运行能力及所并电网的电能质量。仿真与实验结果验证了所提方案的可行性。