大规模风电并网无功电压协调控制策略研究

本文开展了大容量、集团式风电场接入输电网的协调电压控制方法研究。针对双馈风电机组(DFIG)的无功电压控制方式,提出了考虑运行约束的风电机组及风电场无功调节能力计算方法,并提出了基于电压控制器和控制任务协调分配的风电场电压控制策略,使风电场相对电网整体表现为可控电压源;进一步,基于危险节点等值模型,选择控制节点和构建风电网系统协调电压控制模型,并通过在线求解简单的优化问题确定控制量;基于此提出了风电场并网的电压协调控制系统方案,使并网DFIG风电场参与电力系统电压控制。基于典型系统的仿真结果表明,该方案能充分利用系统中的电压支撑能力,提高系统的电压稳定性,能适应风电并网系统在线电压协调控制的要求。     

弱电网下双馈风电机组电网电压扰动补偿控制策略

针对弱电网下双馈风电并网系统的稳定性问题,文中提出了一种基于电网电压扰动补偿的双馈风电机组补偿控制策略。首先,在同步旋转坐标系下建立双馈风电机组,包括转子侧变换器和网侧变换器的统一阻抗模型。然后,基于所建立的阻抗模型分析了并网点电压扰动到控制器输出的传递关系,分别在转子侧电流环和网侧电流环引入了电压扰动补偿对变换器进行改进控制,并通过广义奈奎斯特判据证明了该方法能有效提高双馈风电机组在弱电网下的并网稳定性。理论分析表明,基于并网点电压扰动补偿的转子侧和网侧补偿控制能很好地改善双馈风电机组的输出阻抗特性,从而提高其在弱电网下的稳定性。最后,通过仿真分析验证了该补偿控制方法的有效性。     

双馈感应发电机空载并网的高阶滑模控制策略

围绕双馈感应发电机(DFIG)空载并网问题,将基于矢量控制的电网电压定向技术应用于双馈风力发电的并网发电上,提出一种基于电网电压定向的高阶滑模控制的空载并网控制策略。从分析DFIG的运行特性入手,研究了空载并网控制原理,基于DFIG的空载数学模型,提出了具有鲁棒性的高阶滑模空载并网控制器。对DFIG并网前后的整个过程进行了仿真研究,仿真结果表明,所提出的策略是一种较理想的空载并网方式。     

改进的配电网双馈风电场电压控制策略

结合双馈风电机组(doubly-fed induction generators,DFIG)的运行特点,提出了一种改进的适用于与配电网连接的双馈风电场的电压控制策略,其中既包括了传统的通过无功功率控制电网电压的方法,也包括电网负序电压的补偿控制策略。以双馈风电系统的功率关系为基础,给出双馈风电机组不同运行状态下的无功功率的计算方法,阐述双馈风电机组的无功功率控制方法及通过风电场无功功率控制电网电压的方法。针对电网电压不平衡的情况,给出通过双馈风电机组抑制电网负序电压影响的控制方法,分析了双馈机组的控制电网负序电压的限制条件和控制策略。由双馈风电机组构成的与配电网连接的风电场的仿真结果验证了所提出的电压控制策略的有效性,仿真结果表明这种电压控制方法可以有效地提高电网及风电场运行的稳定性。     

电网电压对称骤升下双馈风力发电系统的改进控制策略研究

该文基于双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG),在电网电压对称骤升下,对电网电压与转子电流之间的暂态过程进行详细的理论推导,提出一种有效抑制转子过电流的控制策略,并针对网侧变换器传统控制方法作出相应的改进。在不增加任何硬件设备的情况下,转子侧和网侧分别附加转子电流抑制(rotor current suppression,RCS)和外环电网电压控制(grid voltage suppression,GVS)措施,并给出详细的控制框图。该控制方法不仅可以减少Crowbar装置频繁动作致使转子侧变换器快速短接的问题,而且充分发挥风电机组自身的动态无功支撑能力,保证风电机组在电网电压故障骤升期间不脱网运行,有效提高双馈风力发电机的高电压穿越(high voltage ride through,HVRT)能力及风电机组运行的可靠性。最后,在PSCAD/EMTDC中对所提出的控制策略进行仿真建模分析,验证了该控制方案的有效性和可行性。     

风电大规模并网时机组级电压控制技术研究

风电机组电压控制在维持风电场并网后的系统电压稳定方面具有较大的优势,且对于提高电网运行经济性具有重要意义。此处主要从风机电压控制的3个关键技术点展开分析。在无功极限方面主要针对相对复杂的双馈型风电机组(DFIG)展开分析,定子侧考虑定转子电流极限的约束,网侧考虑了网侧变流器无功能力限制。风机在无功极限内参与调压时其无功支撑能力远大于按照0.9～0.95功率因数运行所具备的无功支撑能力。无功分配及环流抑制方面,采用了基于下垂特性的电压控制,避免了无功环流,保证机组间无功合理分配。风机参与调压后振荡风险分析及抑制方面,通过仿真模拟了振荡过程,分析了振荡影响因素,合理设置电压控制速度以规避振荡风险。最后,基于1.5 MW双馈风电实验台开展了控制策略测试,验证了所提方法的可行性。     

双馈风电系统低电压故障保护方法的研究

提出一种基于串联动态制动电阻(SDBR)的低电压主动保护方法,在电网故障时吸收由于电网电压跌落引起的不平衡功率,保证故障期间双馈风电机组不脱网运行。分析SDBR对DFIG的暂态影响,提出SDBR的投切控制策略。根据低电压穿越(LVRT)规范对无功功率的要求,研究转子侧变流器无功补偿控制方式。利用PSCAD/EMTDC仿真平台,建立基于SDBR的双馈风电系统仿真模型,对三相对称故障时DFIG的低电压穿越能力进行仿真研究。仿真结果表明,串联动态制动电阻能够有效的抑制定、转子过电流,限制直流母线过电压,从而提高DFIG的低电压穿越能力,保证风电系统的不脱网运行。     

基于广域测量信号的双馈风电机组阻尼控制策略

为了抑制电力系统的区域间低频振荡,本文提出了一种应用于双馈风电机组(DFIG)的附加阻尼控制策略。首先,建立了双馈风电机组的动态模型及其控制策略。然后阐明了动态有功功率注入和动态无功功率注入提高系统阻尼的原理,在此原理的基础上提出了双馈风电机组附加阻尼控制器的设计方法。阻尼控制器基于电力系统稳定器(PSS),将广域测量信号区域间同步机组电压相角差作为输入信号。考虑到DFIG有功功率和无功功率可解耦控制,控制器输出信号附加到DFIG有功功率控制环和无功功率控制环。最后,建立了四机两区域电力系统仿真模型,通过特征值分析和时域仿真分析验证了附加阻尼控制策略的有效性及动态功率注入提高系统阻尼原理的正确性。     

基于系统有功网损-风速灵敏度的双馈机风电场并网位置研究

关于风电并网对网损影响的分析,有助于风电系统安全经济运行,但是现有网损灵敏度指标,不能直接反映风速波动影响。在最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)方式下,考虑双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)内部损耗时,有功出力与定子电压有关,在潮流求解前未知。基于并网DFIG潮流模型,拓展网损灵敏度算法,提出电网有功网损对风速的灵敏度模型,以反映有功网损受风速影响及趋势。量化DFIG不同无功控制方式对网损及风速灵敏度的影响。考虑风速概率区间分布,综合分析灵敏度结果对风电场选址和双馈感应风电机组无功控制方式的辅助参考价值。算例结果证明了所提灵敏度模型的可行性和正确性。     

基于预测虚拟转矩控制的DFIG并网逆变方法

针对双馈风力发电机组(DFIG)高性能并网控制问题,提出一种DFIG并网逆变系统预测虚拟转矩控制方法。虚拟转矩的概念衍生于直接转矩控制中的电磁转矩,是由DFIG的转子磁链和电网虚拟磁链合成产生的。在建立DFIG并网逆变系统数学模型的基础上,分析了不同扇区中电压矢量对系统虚拟转矩、转子磁链的影响趋势,选取一个包含两个有效电压矢量和一个零电压矢量的三矢量序列,并给出功率无差拍跟踪时的矢量作用时间求取方法。最后,基于55 kW双馈风力发电实验样机对所提预测虚拟转矩方法进行性能验证。实验结果表明,该方法可实现DFIG系统平滑、无冲击并网,保证了并网接入点的动、稳态电能品质。     

电压不对称骤升下DFIG暂态特性及无功协调控制

针对双馈感应风力发电机(DFIG)电网电压不对称骤升故障,传统的研究大多集中于定子磁链暂态特性的分析,忽略了故障时间对DFIG的影响。以单相和两相不对称骤升故障为例,详细分析了DFIG在不同故障发生时刻的定子磁链暂态特性,并推导出对应的定子磁链和转子电压表达式。此外,DFIG一般运行在单位功率因数下,这忽略了其自身RSC和GSC的无功协调能力。针对这一问题,提出了DFIG无功协调控制方案,以此帮助风电系统实现穿越故障。仿真结果验证了暂态特性推导的正确性以及RSC和GSC无功协调控制方案的有效性,所提控制策略有效抑制了并网点电压的骤升,同时满足了系统无功支撑的需求。     

基于DFIG控制方法的微电网的并网及孤岛运行方式分析

双馈异步发电机(Double Fed Induction Generators, DFIG)控制方法对微电网运行方式有着重要影响。重点研究主从控制方式下含DFIG微电网的运行特性。深入分析转子转速和励磁电压控制、浆距角控制、储能系统控制和用电负荷控制等DFIG控制功能模块,分别建立并网运行时的储能控制器和DFIG控制器的PQ模型,以及孤岛运行时主控制器的VF模型。基于Matlab平台仿真微电网在两种模式下的运行特点。仿真结果表明,由于大电网支撑,并网运行时微电网的电压具有更好的稳定性。孤岛运行时,同一性质的负荷对基于DFIG控制方法的微电网运行质量影响不大,而主要由微电网控制方法决定。     

基于宽频带转子附加阻尼的双馈型风机次同步振荡抑制策略

针对双馈型风电场并网引发的次同步振荡问题进行了研究,建立了双馈电机以及变流器的等效模型。基于动态等值阻抗解析式分析了并网阻抗特性的关键影响因素。结果表明控制器转子侧内环增益对次同步频带阻抗特性影响较大。在此基础上,提出了一种基于宽频带转子附加阻尼控制的次同步振荡抑制措施。该抑制措施实施于双馈型风机转子侧变流器控制中,无须附加装置,利于工程实现。最后,通过时域仿真验证了该抑制措施的有效性以及在暂态工况下的适用性。     

考虑相位跳变的双馈感应发电机转子电压动态特性

风电并网点低电压事件的电压相位跳变(PAJ)及跳变角度值会改变低电压穿越期间双馈感应发电机(DFIG)转子电压动态特性,进而影响保护性能。但现有DFIG故障特性研究中,对PAJ考虑不足。针对这一问题,基于DFIG动态模型,推导考虑PAJ的DFIG定子磁链和转子电压瞬时表达式;采用定子磁链和转子电压空间矢量图分解法,分析PAJ对定子磁链的作用机理,揭示了转子电压直流瞬态分量受PAJ的影响规律;详细研究不同PAJ值、电压幅值和持续时间下定子磁链和转子电压的矢量轨迹特征、振荡衰减特性及其叠加机制,并给出了不同恢复时刻下转子电压的最大、最小值。相应的1.5 MW DFIG仿真结果验证了所提理论分析和方法的正确性。最后,综合分析PAJ任意和约束条件对DFIG转子过压峰值影响规律,提出了一种计及相位补偿的改进励磁控制设计建议。     

基于协同惯量控制的双馈风机并网系统稳定性分析

双馈风力发电机由于其运行特性,失去了一定类似同步发电机的惯性响应能力,导致双馈风力发电机大规模并网之后,电力系统惯性响应能力降低。若系统受到扰动,有时不能够维持频率在允许的范围内变动,将会对含风电的电力系统稳定性造成不同程度的影响。文章推导了采用定子磁链定向矢量控制的双馈风力发电机的惯量控制模型,提出一种基于虚拟惯量控制和转子转速控制的协同控制策略,在Matlab/Simulink中建立虚拟惯量控制模块及转子转速控制模块,仿真分析协同惯量控制下双馈风力发电机并网系统惯性响应的影响以及该控制策略对惯量支撑、系统频率的影响。仿真结果表明,不同工况下,协同惯量控制可为风电并网系统提供一定惯量支撑,在有效防止系统频率深度跌落的同时提升了系统的稳定性。研究结果可为实际工程提供理论指导。     

弱电网情况下双馈风电机组改进虚拟感抗控制方法

当前弱电网条件下双馈风电机组的运行稳定性问题受到广泛关注。在同步旋转坐标系下建立了综合考虑锁相环、转子侧电流环和功率环控制器影响的双馈风电机组等效输入导纳模型。在此基础上,结合广义奈奎斯特稳定判据分析了增大转子侧电感对系统稳定性的提升作用,由此提出在控制器中引入虚拟感抗提高系统稳定性的方法。相对于传统的直接在转子侧电流环中引入虚拟感抗,在设计基于虚拟感抗的控制器时,充分考虑锁相环耦合弱电网扰动对双馈风电机组运行稳定性带来的不利影响,提出了改进的控制方法。通过广义奈奎斯特判据证明了该方法能有效提高弱电网条件下双馈风电机组的运行稳定性。在MATLAB/Simulink中搭建了1.5 MW的双馈风电机组详细模型,通过仿真验证了所提改进控制器对提高系统稳定性的有效性。     

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.     

基于可释放动能的双馈风机虚拟惯性控制策略影响分析

针对现有双馈风力发电机（doubly-fed induction generator,DFIG）附加虚拟惯性控制策略后存在兼顾频率稳定及暂态功角稳定方面的不足,首先利用DFIG的电压和磁链方程,推导出电磁功率表达式,基于同步发电机功角概念推导出与其类似的DFIG等效功角,并分析了DFIG的调频能力与其等效功角稳定性的关系。其次,鉴于DFIG在不同风速下含有不同程度的可释放动能（kinetic energy,KE）,提出了一种基于可释放动能的惯性控制策略:根据转子转速调整DFIG惯性控制策略中频率变化率和下垂回路的回路增益,使运行在较高转速下的DFIG释放更多的动能,根据释放的动能来决定风电机组对系统惯性响应可提供的贡献。该策略在提高系统调频能力的基础上能兼顾改善暂态功角稳定性,并避免了转子转速过低,从而保证了DFIG在惯性控制过程中的稳定运行。最后,基于实时数字仿真系统（real time digital simulation system,RTDS）的仿真软件RSCAD搭建了DFIG单机并网仿真系统,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。