双馈机组低电压穿越过程

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浅析双馈式风力发电机低电压穿越技术

浅析双馈式风力发电机低电压穿越技术

浅析双馈式风力发电机低电压穿越技术【摘要】风力发电是在我国新能源战略下开发与应用的新型发电模式,成为全球发展速度最快的清洁能源,也促使双馈式发电机成为应用最广的,集变速运行与變流器容量小优点为—体的风力发电设备。

过去应用的保护设备要求与电网解列,失去电网的支撑作用,容易出现严重的连锁反应,基于此,当电网、电压跌落时风电场需维持一定时间,确保电网连接不发生解列,这一要求即为低电压穿越(LvRT)双馈式分离发电机因结构特征,存在诸多难点,比如,控制策略需满足不同机组、不同参数适应性,故障期间转子侧冲击电流与直流母线过电压均要在可承受范围内等。

本文将对双馈感应发电机模型进行分析,提出技术应用策略。

【关键词】双馈感应发电机;风力发电;低电压穿越技术风电作为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源技术,在全球以年增长率超过30%的速度成为发展最快的清洁能源。

双馈式风力发电机则由于具有能够变速运行、变流器容量小等优点正成为使用最广泛的变速恒频风力发电机之一。

目前,变速恒频式风力发电机,尤其是双馈式风力发电机在应对电网故障能力方面存在较大缺陷。

电网发生故障容易导致风力发电机端电压跌落,造成发电机定子电流增加。

由于转子与定子之间的强耦合,快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升。

另外,由于风力机调节速度较慢,故障前期风力机吸收的风能不会明显减少,而发电机组由于机端电压降低.不能正常向电网输送电能,即有一部分能量无法输人电网,这些能量由系统内部消化,将导致电容充电、直流电压快速升高、电机转子加速、电磁转矩突变等一系列问题。

上述问题容易导致系统元器件的损坏。

针对此问题,目前国外许多电网运营商对风电场提出了强制性要求;电网电压跌落时,风电场须维持一定时间与电网连接而不解列,甚至要求风电场在此过程中能提供无功以支持电网电压的恢复“1。

此要求即为低电压穿越技术。

一、低电压穿越技术的应用要求双馈风力发电系统需实现以下要求:(1)电网发生故障时,保护电网与电压、变流器不出现损坏。

低电压穿越

低电压穿越
目前风电机组实现低电压穿越需要克服的难点有: (1)提高风电场、风电机组的低电压穿越能力,必然会导致工程的造价增加。且 对低电压能力要求越严格,工程造价就越高。 (2)电网电压跌落时,不同类型机组的暂态特性不同,没有一个统一的方法,必 须根据具体的机组进行分析,给低电压穿越的普及带来不便。 (3)所采取的对策应具备各种故障类型下的有效性。电网运行时经常出现的是不 对称故障情况,当电网出现不对称故障时,会使过压、过流的现象更加严重,因为 在定子电压中含有负序分量,而负序分量可以产生很高的滑差。然而目前严重故障 下进行的研究大都是针对电网对称故障的情况,无法满足实际电网故障情况要求, 不能实现工程实际应用。
系统故障出现电压跌落时,闭锁双馈感应发电机励磁变流器,同时投入转

子回路的旁路保护装置,达到限制通过励磁

变流器的电流和转子绕组过电压的作用,

以此来维持发电机不脱网运行
目前比较典型的crowbar电路有如下几种:
(1)混合桥型crowbar电路:每个桥臂由控

制器件和二极管串联而成。
低电压穿越的种类——转子保护技术
产生暂态冲击。
新型拓扑结构
优:采用新型旁路可实 现减小对IGBT耐压、耐 流的要求;减少双馈感 应发电机的脱网运行时 间;减小系统受电网扰 动的影响,强化电网。
缺:需要增加系统的成 本和控制的复杂性。考 虑到定子故障电流中的 直流分量,需要可控硅 器件能通过门极关断, 这要求很大的门极负驱 动电流,驱动电路太复
低电压穿越简介
4、电压降落对不同风机的影响:
三种主要的风机拓扑: 定速异步风机(FSIG);同步直驱风机(PMSG);双馈感应异步风机(DFIG)
FSIG&和DFIG:定子侧直接连接电网 直接耦

双馈风力发电机的综合低电压穿越策略

双馈风力发电机的综合低电压穿越策略

双馈风力发电机的综合低电压穿越策略摘要:近年来,双馈感应发电机(doublyfedinductiongenerator,DFIG)在风力发电系统中得到广泛应用。

针对目前低电压穿越(LVRT)方案,尤其是转子并联撬棒在穿越过程中存在的不足,提出了一种软硬件结合的双馈风力发电机(DFIG)综合低电压穿越策略。

在双馈感应发电机(doubly-fedinductiongenerator,DFIG)基于电压源输出并入弱电网的条件下,针对系统中含有非线性负载的情况,提出一种改善公共连接点(pointofcommoncoupling,PCC)谐波电压的方法。

关键词:双馈风力发电机;低电压;穿越;措施1 ADN电流正序故障分量的分布1.1正序故障网络特征分析传统配电网主要采用非有效接地方式,故障类型分为相间故障和接地故障,相比而言,相间故障造成的影响更为严重。

光伏采用正序分量控制,其输出的故障电流只包含正序故障分量,故障模型可看作受并网点正序电压控制的电流源。

因此,本文研究适用于ADN相间故障的保护方法,建立正序故障附加网络进行故障分析,等效模型如图1所示。

需要说明的是,ADN故障后的电气量变化是由故障类型及DG的控制策略共同决定,由于本文的故障分析为基于故障附加网络,因此可使用故障分量表示电气量的变化。

图1 正序故障分量附加网络图1中,箭头表明馈线正序电流故障分量,正方向为母线指向线路;ΔI1—ΔI5为光伏输出的等效正序附加电流;Zs为系统等效正序阻抗;Z20、Z40、Z50、Z60为负荷等效正序阻抗;Z56、Z12、Z1F、Z34、Z3F、Z15、Z56为线路等效正序阻抗;当发生故障时,在故障点处产生正序附加电压源ΔUF,ZF为故障点的过渡阻抗;F1、F2、F3为ADN内不同的故障位置。

本文将详细分析ADN不同位置发生故障时各馈线电流正序故障分量特征。

1.2ADN保护实现方案本文设置的ADN保护方案中,馈线保护检测到正向故障后,本端需延时速动跳闸,同时需使用单端通信以检测对端保护是否检测到正向故障,通过对端通信,实现全线速动;保护动作跳闸后,还需向网内其他保护发送闭锁信号。

低电压穿越技术(2011-9-28)

低电压穿越技术(2011-9-28)

风力发电低电压穿越技术1. 低电压穿越技术的提出在风电场容量相对较小并且分散接入时,系统故障时风电场退出运行不会对系统稳定造成影响。

随着风电装机容量在系统中所占比例增加,风电场的运行对系统稳定性的影响将不容忽视。

世界各国电力系统对风电场接入电网时的要求越来越严格,甚至以火电机组的标准对风电场提出要求。

包括低电压穿越(Low Voltage Ride Through ,LVRT )能力,无功控制能力,甚至是有功功率控制能力等,其中LVRT 被认为是对风电机组设计制造技术的最大挑战。

2. 低电压穿越的定义及要求定义:低电压穿越(LVRT ),指在风力发电机并网点电压跌落的时候,风机能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网恢复,直到电网恢复正常,从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

要求①:我国对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省(区域)级电网,要求该电网电机组能够保证不脱网连续运行。

3. LVRT 国内外研究现状风力发电系统,根据发电机转速,可以分为失速型与变速恒频型,其中变速恒频又可以分为双馈型和直驱型;根据传动链组成,可以分为有齿轮箱和直接驭动型;有齿轮箱又可以分为多级齿轮+高速发电机型与单级齿轮+低速发电机型。

目前市场上风机类型可概括为三类,即直接并网的定速异步机FSIG(fixed speed induction generator)、同步直驱式风机PMSG(permanent magnetic synchronous generator)和双馈异步式风机DFIG(doubly-fed induction generator)。

这三种机型, FSIG 属于淘汰机型,以后的发展趋势是PMSG 和DFIG 。

①目前,各国对低电压穿越的要求不同,其中在行业中影响最大的是德国的E.ON 标准。

②低电压穿越特性曲线主要是由故障期间的电压最低值(即低电压穿越曲线中U/UN 的最小值)电压最低点的时间长度和故障恢复时间来决定。

低电压穿越详解

低电压穿越详解

低电压穿越详解前言当电网的电源由于电压过低或者切换调配供电导致风电场不能正常工作而停机,被停止工作后的风电场相对形成一个比电网的阻抗较大的负载或电源。

当电网再次可以向风电场供电时,这时电网和风电场双方之间的阻抗不再是相等的,换句话说,这时己经造成了电网和风电场之间的严重不匹配现象。

这时如果想要让风电场和电网间的相位一致则必须利用风机的力量强制将风机的相角前移180度,此时导致的后果是造成风机的机械传动部分严重超载,由此经常引起的事故是导致齿轮箱的损坏或者其它导致其它机械部件的损坏.因为这个相位差可造成比发电机短路电流值的2倍还要多,如果换算成转矩,则相当于发电机正常工作转矩的4倍的峰值转矩.这样发生齿轮箱及其它机械部件的损坏就是不难理解了. 什么是低电压穿越?低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比例较大时,电力系统故障导致电压跌落后,风电场切除会严重影响系统运行的稳定性,这就要求风电机组具有低电压穿越(Low V oltage Ride Through,LVRT)能力,保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。

风电机组应该具有低电压穿越能力:a)风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力;b)风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时,风电场必须保持并网运行;c)风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时,风电场必须不间断并网运行。

风电机组低电压穿越(LVRT)能力的深度对机组造价影响很大,根据实际系统对风电机组进行合理的LVRT能力设计很有必要。

对变速风电机组LVRT原理进行了理论分析,对多种实现方案进行了比较。

在电力系统仿真分析软件DIgSILENT/PowerFactory中建立双馈变速风电机组及LVRT功能模型。

以地区电网为例,详细分析系统故障对风电机组机端电压的影响,依据不同的风电场接入方案计算风电机组LVRT能力的电压限值,对风电机组进行合理的LVRT能力设计。

电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略

电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略

第27卷㊀第3期2023年3月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electric㊀Machines㊀and㊀Control㊀Vol 27No 3Mar.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略王鑫达1ꎬ㊀张澳1ꎬ㊀李少林2ꎬ㊀宋鹏3ꎬ㊀张扬帆3ꎬ㊀张学广1(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院ꎬ黑龙江哈尔滨150001ꎻ2.中国电力科学研究院有限公司ꎬ北京100192ꎻ3.国网冀北电力有限公司电力科学研究院ꎬ北京100045)摘㊀要:在电网深度故障情况下ꎬ电压源型双馈风电机组控制环节中的惯量和阻尼作用不利于风电机组低压穿越ꎮ根据电流源型双馈风电机组的低压穿越策略提出了一种基于模式转换的电压源型双馈风电机组低压穿越控制方法ꎬ即在故障期间切换为电流源型控制方式ꎬ故障恢复后切换为电压源型控制方式ꎮ通过分析双馈风电机组电压源型和电流源型控制结构ꎬ提出基于状态变量预同步的柔性模式切换方法ꎬ实现了电压源和电流源运行模式的无冲击切换ꎮ根据风电机组低压穿越相关规定ꎬ制定暂态期间机组冲击电流抑制㊁有功恢复整定以及动态无功补偿方案ꎬ实现了电压源型双馈风电机组在电网深度故障情况下的低压穿越ꎮ通过仿真对上述方法的有效性进行了验证ꎮ关键词:电压源型控制ꎻ双馈风电机组ꎻ低压穿越ꎻ模式切换ꎻ电流源型控制ꎻ无功补偿DOI:10.15938/j.emc.2023.03.003中图分类号:TM614文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)03-0021-09㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-09-01基金项目:国家自然科学基金(51977046)作者简介:王鑫达(1998 )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ研究方向为风力发电系统并网稳定性控制ꎻ张㊀澳(1999 )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ研究方向为风力发电系统并网稳定性控制ꎻ李少林(1984 )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为风电并网与试验检测技术ꎻ宋㊀鹏(1981 )ꎬ男ꎬ博士ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为新能源并网技术及电力系统稳定性分析ꎻ张扬帆(1987 )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ研究方向为新能源电站运行优化控制ꎻ张学广(1981 )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ研究方向为风力发电技术和大功率电力电子技术等ꎮ通信作者:张学广LowvoltageridethroughcontrolstrategyofVSGcontrolleddoublyfedwindturbineWANGXin ̄da1ꎬ㊀ZHANGAo1ꎬ㊀LIShao ̄lin2ꎬ㊀SONGPeng3ꎬ㊀ZHANGYang ̄fan3ꎬ㊀ZHANGXue ̄guang1(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomationꎬHarbinInstituteofTechnologyꎬHarbin150001ꎬChinaꎻ2.ChinaElectricPowerResearchInstituteꎬBeijing100192ꎬChinaꎻ3.StateGridJibeiElectricCo.ꎬLtd.ResearchInstitutionꎬBeijing100045ꎬChina)Abstract:Theinertiaanddampinginthecontrollinkofvoltage ̄sourcedoubly ̄fedwindturbinesarenotconducivetothelow ̄voltageride ̄throughofwindturbinesinthecaseofdeepfaultinthepowergrid.Asthelow ̄voltageride ̄throughstrategyofcurrent ̄sourcedoubly ̄fedwindturbinesisrelativelymatureꎬalow ̄voltageride ̄throughcontrolmethodofvoltage ̄sourcedoubly ̄fedwindturbineswasproposedbasedonmodeconversion.Thatisꎬitswitchestocurrentsourcecontrolmodeduringthefaultꎬandswitchestovoltagesourcecontrolmodeafterthefaultrecovery.Byanalyzingthecontrolstructureofvoltagesourcetypeandcurrentsourcetypeofdoubly ̄fedwindturbinesꎬaflexiblemodeswitchingmethodbasedonpre ̄synchronizationofstatevariableswasproposedꎬwhichrealizestheimpact ̄freeswitchingofvoltagesourceandcurrentsourceoperationmodes.Accordingtotherelevantregulationsoflow ̄voltageride ̄throughofwindturbinesꎬtheschemesofimpulsecurrentsuppressionꎬactivepowerrecoverysettinganddynamicre ̄activepowercompensationofwindturbinesduringtransientstatewereformulatedꎬandthelow ̄voltageride ̄throughofvoltagesourcedoubly ̄fedwindturbinesinthecaseofdeepfaultofpowergridwasreal ̄ized.Effectivenessoftheabovemethodsisverifiedbysimulation.Keywords:voltagesourcecontrolꎻdoubly ̄fedwindturbineꎻlow ̄voltageridethroughꎻmodeswitchꎻcur ̄rentsourcecontrolꎻreactivepowercompensation0㊀引㊀言随着电网中风电等分布式电源的占比逐渐上升[1-2]ꎬ电力系统电力电子化程度提高速度日益加快ꎮ传统电流源型控制双馈风电机组无法主动提供电压㊁频率支撑[3]ꎬ而电压源型控制双馈风电机组能够实现电力系统灵活动态调压㊁调频ꎬ因此相比于电流源型控制提高了系统的可控性ꎮ针对上述问题ꎬ有文献提出虚拟同步机(virtualsynchronousgeneratorꎬVSG)这一典型的电压源型控制结构[4-5]ꎬ其基本原理是通过模拟同步机的运动方程ꎬ在控制系统中引入惯性和阻尼等状态量ꎬ使发电设备具有与同步机相似的输出外特性[6]ꎮ对于双馈风电机组的虚拟同步控制是在机侧变流器功率环中引入同步机有功摇摆方程和无功下垂方程[7-8]ꎬ通过调整功率外环惯性㊁阻尼系数改变双馈风电机组对外接口特性[9-10]ꎮ目前ꎬ对于虚拟同步控制双馈风电机组(VSG ̄DFIG)的研究大多集中于稳态建模和优化调压㊁调频特性[11]ꎮ对其暂态过程的研究尚处于初期阶段ꎬ鲜有文献提出系统的VSG ̄DFIG低压穿越控制策略[12-13]ꎮ现有文献对电流源型控制双馈风电机组的暂态过程和低压穿越研究相对完善ꎮ文献[14]分析了电网低压故障时双馈电机的电磁暂态过程ꎬ并提出了矢量控制双馈风电机组的低压穿越策略ꎮ文献[15]分析了电网对称故障下VSG ̄DFIG的电磁暂态过程ꎬ提出了基于暂态电压补偿的过电流抑制策略ꎮ文献[16]通过补偿双馈电机转子电压故障分量改善其响应速度ꎮ文献[17]讨论了电流源型和电压源型双馈风电机组的稳态运行特性和应用范围ꎬ并设计两种切换策略以提高DFIG并网稳定性ꎮ上述文献对VSG ̄DFIG暂态稳定性的提高策略大多基于原有的虚拟同步控制结构进行改进ꎬ在电网电压深度跌落时的故障穿越可靠性尚有待验证ꎮ虚拟同步控制通过在功率外环引入惯性和阻尼ꎬ提高了稳态运行时抗扰动能力ꎬ使并网发电设备能够获得更多可控的调节裕度ꎮ但同时惯性环节的滞后作用使得VSG ̄DFIG的暂态响应速度变慢ꎬ不利于暂态电流的抑制ꎬ相对于电流源型控制ꎬ更加难以实现低压穿越ꎮ因此可将电流源型低压穿越控制策略应用于VSG ̄DFIG的暂态期间控制ꎬ通过两种控制模式的切换实现VSG ̄DFIG低压穿越ꎮ由于两种控制模式结构和内部状态量不同ꎬ在切换过程中可能存在控制变量阶跃的问题ꎬ进而导致电压㊁电流冲击ꎬ因此需要相应的控制切换策略实现两种模式的平滑切换ꎮ为此ꎬ本文提出一种基于模式平滑切换的电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略ꎮ首先根据电流源型与电压源型控制结构ꎬ分析两种控制模式并网角度同步方式及转子电流控制方式ꎬ得到基于状态变量预同步的模式平滑切换方法ꎮ结合暂态期间电流源型双馈电机冲击电流抑制㊁动态无功补偿控制技术ꎬ实现VSG ̄DFIG不同工况下低压穿越ꎮ通过仿真验证此方法的有效性ꎮ1㊀DFIG电流源和电压源控制原理图1为双馈风电机组拓扑连接图ꎬ风力机捕获风能并通过齿轮箱拖动双馈电机转子旋转ꎬ双馈电机定子直接并网ꎬ转子通过背靠背变流器接入电网ꎬ网侧变流器提供稳定的直流母线电压ꎬ转子侧变流器提供灵活可控的交流励磁ꎬ双馈风电机组的不同控制策略ꎬ可以通过改变转子侧变流器的控制方法来实现ꎮ图1㊀双馈风电机组拓扑连接图Fig.1㊀TopologyconnectiondiagramofDFIGwindturbines22电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀根据双馈风电机组控制量和对外输出特性的不同ꎬ可将其控制模式分为电流源型和电压源型ꎮ电流源型控制通过锁相环同步电网角度ꎬ并网点电压扰动信息体现在锁相角度波动ꎬ通过电压㊁电流dq变换进入控制环节ꎬ实现对双馈电机的电流闭环控制ꎮ本文采用传统矢量控制作为双馈风电机组电流源型控制ꎬ其结构如图2所示ꎮ图2㊀矢量控制结构框图Fig.2㊀Structureblockdiagramofvectorcontrol图2中:us㊁ur㊁is㊁ir分别为定转子电压和定转子电流ꎻ下标d㊁q分别代表相应物理量的d轴分量和q轴分量ꎻLs㊁Lr分别代表定子侧电感和转子侧电感ꎻLm代表定转子互感ꎻω㊁ω2分别代表电网电流角频率和转子电流角频率ꎻusabc为并网点三相电压ꎻθ为锁相环输出角度ꎮ整个控制器由电流控制内环和功率控制外环构成ꎮ转子侧控制器的电流环实现有功电流和励磁电流的解耦控制ꎬ其输入为转子电流参考ꎬ输出为转子电压给定ꎮ根据图2ꎬ电流环的数学表达式如下:urd=(kp_ir+ki_irs)(ird_ref-ird)-ω2Lrirq-ω2Lmisqꎻurq=(kp_ir+ki_irs)(irq_ref-irq)+ω2Lrird+ω2Lmisdꎮüþýïïïï(1)式中:kp_ir和ki_ir分别为电流环比例系数和积分系数ꎻird_ref和irq_ref分别表示功率环输出的转子电流给定值的d轴分量和q轴分量ꎮ与电流源型控制不同ꎬ电压源型控制采用功率自同步并网ꎬ不受锁相环影响ꎮ本文采用带内环的虚拟同步控制作为双馈风电机组的电压源型控制ꎮ功率外环控制输出跟随给定ꎬ得到并网同步角度和电压幅值ꎬ内环依据功率环输出控制定子电压㊁转子电流ꎬ其控制结构框图如图3ꎮ控制器分为VSG和电压电流双闭环两部分ꎬVSG部分中P㊁Q㊁Pref㊁Qref分别为输出有功功率㊁无功功率及其参考值ꎻω为VSG输出角频率ꎬωref为频率参考值ꎻU为输出电压幅值ꎬUn为输出电压基值ꎻθ为VSG输出角度ꎮ功率环模拟同步机机械方程以提供惯性和阻尼ꎬ控制方程如下:Jdωdt=Dp(ωn-ω)+1ωn(Pref-P)ꎻ(2)KdEdt=Qref-Q+Dq(Un-U)ꎮ(3)式中:Dp为有功-频率下垂系数ꎻDq为无功-电压下垂系数ꎻJ为虚拟转动惯量ꎻK为惯性系数ꎻE为VSG参考电压幅值ꎮ图3㊀虚拟同步控制结构框图Fig.3㊀Structureblockdiagramofvirtualsynchronousgeneratorcontrol虚拟同步控制外环输出的电压幅值为定子电压控制环提供的d-q轴参考值ꎬ其与实际定子电压进行比较得到的差值经过PI控制器ꎬ可以获得转子电流的d-q轴参考值ꎬ控制方程可表示为ird_ref=(kp_ur+ki_urs)(usq_ref-uvsgsq)ꎻirq_ref=-(kp_ur+ki_urs)(usd_ref-uvsgsd)ꎮüþýïïïï(4)式中:usd_ref㊁usq_ref分别表示定子电压的d-q轴参考值ꎻird_ref㊁irq_ref分别表示转子电流的d-q轴参考值ꎻusd㊁usq㊁isd㊁isq分别表示定子电压㊁电流d-q轴的实际值ꎻurd㊁urq㊁ird㊁irq分别表示转子电压㊁电流d-q轴的实际值ꎻkp_ur㊁ki_ur分别为电压控制环中PI控制器的比例系数和积分系数ꎻkp_ir㊁ki_ir分别为电流控制环中PI控制器的比例系数和积分系数ꎮ由上述电流源㊁电压源型控制结构可得到:当电网发生低压故障ꎬ由于虚拟同步控制的惯性和阻尼作用ꎬ其相较于矢量控制更加难以达到快速抑制暂态冲击电流的效果ꎮ2㊀电压源型DFIG机组低压穿越根据风电并网的相关规定ꎬ风电场的低压穿越要求如下(见图4):32第3期王鑫达等:电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略1)风电场并网点电压跌至标称电压的20%时ꎬ风电机组应保证不脱网的情况下连续运行625msꎮ2)风电场并网点电压在跌落后2s内能够恢复到标称电压90%ꎬ同时也能够不脱网连续运行ꎮ图4㊀风电场低压穿越要求Fig.4㊀LVRTrequirementsofwindfarm当电网发生低压故障ꎬ对风电机组的动态无功支撑量应响应并网点电压变化ꎬ满足ΔIt=K1ˑ(0.9-Ut)ˑINꎬ(0.2ɤUtɤ0.9)ꎮ(5)式中:ΔIt为风电场注入无功电流增量ꎬ单位为安(A)ꎻK1为动态无功电流比例系数K1(1.5ɤK1ɤ3)ꎻUt为风电场并网点电压ꎬ单位为标幺值(pu)ꎻIN为风电场额定电流ꎬ单位为安(A)ꎮ对风电场有功恢复速率的要求为:对电力系统故障期间没有切出的风电场ꎬ其有功功率自故障清除时刻开始ꎬ以至少20%PN/s的功率变化率恢复至故障前的值ꎮ根据上述风电场低压穿越要求可知ꎬDFIG并网点电压最低标准为20%ꎮ当电网电压深度跌落时ꎬ双馈电机内部剧烈的电磁暂态过程产生冲击电流ꎬ可能对风电机组的硬件设备产生安全威胁ꎮ本文采用Crowbar硬件保护电路进行冲击卸荷ꎬ如图5所示ꎮ图5㊀双馈风电机组转子侧Crowbar电路Fig.5㊀Crowbarcircuitatrotorsideofdoubly ̄fedwindturbinegenerator图5中ꎬ在双馈风电机组电磁暂态过程中为防止冲击电流破坏转子侧变流器ꎬ可通过投切保护电阻Rcrow抑制冲击电流ꎮ暂态期间由双馈风电机组网侧变流器进行无功支撑ꎬ动态支撑量按照下式给定:Qout=0ꎬ(0.9ɤUt)ꎻ1.5In(0.9-Ut)Utꎬ(0.2<Ut<0.9)ꎻ1.05InUtꎬ(Utɤ0.2)ꎮìîíïïï(6)式中:In为额定电流ꎻQout为暂态期间无功输出标幺值ꎬ满足式(5)对暂态无功支撑的要求ꎮ暂态期间有功给定及有功恢复速率在上述要求的条件下ꎬ依据故障程度进行整定ꎬ具体为ΔPrefΔt=5Pref=5ꎬ(0.8ɤUt)ꎻ203Ut-13ꎬ(0.2<Ut<0.8)ꎻ1ꎬ(Utɤ0.2)ꎮìîíïïïï(7)式中:ΔPref/Δt表示故障恢复后有功恢复速率ꎻPref为暂态期间有功指令值ꎬ均满足并网标准ꎮ综合上述分析结论ꎬ电压源型双馈风电机组低压穿越基本思路为:电网低压暂态期间由电压源型控制切换为电流源型低压穿越控制ꎬ待故障恢复且功率稳定后ꎬ再由电流源型切换为电压源型控制ꎮ控制切换的整体时序关系如图6所示ꎮ图6㊀低压穿越控制切换时序Fig.6㊀Controlswitchingtimingoflowvoltageride ̄through由图6可知ꎬ上述电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略需要分别在故障开始㊁恢复稳态后进行控制切换ꎬ电流源型持续期间进行矢量控制低压穿越改进和故障结束后的功率恢复ꎮ利用矢量控制响应速度快的优势ꎬ依据风电并网要求进行无功补偿ꎬ同时快速降低输出功率保证硬件设备不过流ꎮ3㊀控制切换方法3.1㊀VSG-矢量控制切换方法如上文所述ꎬ电压源型控制双馈风电机组的低42电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀压穿越需要两次模式切换ꎮ其中第一次切换发生在故障初期的电磁暂态过程中ꎬ各物理量发生剧烈波动ꎬ此外切换期间包含硬件保护投切ꎬCrowbar电路将转子变流器旁路ꎬ期间无须考虑切换造成的暂态冲击ꎮ因此首次从稳态电压源型切换为电流源型控制仅需进行角度预同步ꎬ其控制结构如图7所示ꎮ图7㊀VSG-矢量控制切换策略框图Fig.7㊀BlockdiagramofVSG ̄vectorcontrolswitchingstrategy由图7可知ꎬ当低压故障检测信号置1时ꎬ将矢量控制功率环和电流环PI清零ꎬ硬件保护切出后由矢量控制功率环输出暂态电流指令ꎮ当虚拟同步控制下双馈风电机组并网运行时ꎬ由VSG的有功控制环提供旋转坐标系下控制器中坐标变换所需要的相角ꎮ通过前文分析可知ꎬ电压源型VSG通过线路阻抗向电网传输有功功率ꎬ所传输有功功率的大小由VSG输出电压相角与电网电压相角之差决定ꎮ而矢量控制通过同步旋转坐标系下的锁相环来获取电网电压的相位ꎮ由VSG向矢量控制切换时ꎬ需要提前将锁相环角度与VSG功率环输出角度同步ꎬ使其在切换瞬间保持一致ꎬ具体控制结构如图8所示ꎮ图8㊀VSG ̄PLL角度预同步结构框图Fig.8㊀StructuralblockdiagramofVSG ̄PLLanglepre ̄synchronization图8所示虚线上面的部分为虚拟同步控制的有功环ꎬ虚线下方为锁相环环节ꎬ图中引入了K0㊁K1㊁K23个开关ꎬ通过3个开关的协同控制可以实现锁相环角度与VSG功率环保持同步ꎮ矢量控制期间ꎬ开关K2置于2ꎬ控制器使用锁相环角度进行坐标变换ꎬK0闭合㊁K1断开ꎬ通过锁相环中的积分环节对PLL的输出角度与VSG有功环的输出角度进行无差控制ꎮVSG控制期间K2置于1㊁K0断开㊁K1闭合ꎮ3.2㊀矢量控制-VSG切换方法第二次稳态时的切换ꎬ则需要考虑两种模式控制环节的状态量是否保持一致ꎬ为实现平滑切换ꎬ需要进行关键控制参数的预同步ꎮ由于虚拟同步控制与矢量控制的电流环结构相同ꎬ因此可采用电流环指令值切换策略ꎬ预同步环节包括:1)虚拟同步功率环输出角度θS与矢量控制锁相环角度θPLLꎻ2)虚拟同步定子电压环输出ir_VSG与矢量控制功率环输出电流指令ir_PLLꎮ暂态期间变功率给定以及故障恢复后有功恢复整定通过对矢量控制功率环改进实现ꎬ整体结构如图9所示ꎮ图9㊀矢量-VSG控制切换策略框图Fig.9㊀Strategyblockdiagramofvector ̄VSGcontrolswitchingcontrol由矢量控制向VSG切换时需要提前将VSG功率环输出角度与锁相环角度同步ꎬ使其在切换瞬间保持一致ꎬ具体控制结构如图10所示ꎮ图10㊀PLL ̄VSG角度预同步结构框图Fig.10㊀StructuralblockdiagramofPLL ̄VSGanglepre ̄synchronization图10所示虚线上方部分为锁相环ꎬ虚线下为虚拟同步控制的有功环ꎬ图中引入了Kᶄ0㊁Kᶄ1㊁Kᶄ2三个开关ꎬ通过三个开关的协同控制可以实现虚拟同步机与电网角度同步ꎮ矢量控制期间开关Kᶄ2置于1ꎬ控52第3期王鑫达等:电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略制器使用锁相环角度进行坐标变换ꎬKᶄ0断开㊁Kᶄ1闭合ꎬVSG有功环惯性积分环节输入清零ꎬ通过有功频率控制环中的积分环节对有功环的输出角度与PLL的输出角度进行无差控制ꎬ使有功环的输出角度与锁相角度相同ꎮ虚拟同步控制期间Kᶄ2置于2㊁Kᶄ0闭合㊁Kᶄ1断开ꎮ除角度预同步外ꎬ完成控制平滑切换还需要电流环指令的预同步ꎮ由上文分析可知ꎬ矢量控制功率环通过PI控制器将双馈电机定子输出控制为给定值ꎬ输出电流环指令ꎮ虚拟同步电压环将定子电压与电压指令的差值通过PI控制器ꎬ得到转子电流环指令ꎮ由矢量控制向VSG切换时ꎬ需要提前将VSG电压环输出与矢量功率环同步ꎬ使其在切换瞬间保持一致ꎬ具体控制结构如图11所示ꎮ图11㊀电流指令预同步结构框图Fig.11㊀Structureblockdiagramofcurrentinstructionvaluepre ̄synchronization图11中虚线左侧部分为矢量功率环ꎬ虚线右侧为虚拟同步控制定子电压环ꎬ图中引入了K3㊁K4㊁K5㊁K64个开关ꎬ通过各开关的协同控制可以实现VSG与矢量控制电流指令预同步ꎮ矢量控制期间开关K5㊁K6置于2ꎬ电流环指令取矢量功率环输出irq_PLL㊁ird_PLLꎬK3㊁K4置于2ꎬVSG电压环积分环节输入清零ꎬ使其对输出转子电流环指令值与矢量控制功率环输出进行无差控制ꎬ确保二者在切换时保持相同ꎮVSG控制期间4个开关置于1ꎮ4㊀仿真分析对上述电压源型双馈风电机组低压穿越策略进行仿真验证ꎬ主要参数如表1和表2所示ꎮ双馈电机工作在转速1.3puꎬ输出额定功率状态下ꎮ仿真时长4sꎬ其中0~0.5s电网为额定电压ꎬ双馈电机工作于稳态ꎻ0.5~1.5s电网发生低压故障ꎬ并网点电压跌落80%ꎻ1.5~3s电网电压恢复ꎬ有功功率恢复至额定值ꎮ表1㊀仿真主电路参数Table1㊀Mainparametersofsimulation㊀㊀㊀参数数值DFIG额定电压Ub/V690DFIG基准容量Sb/MVA2.6额定频率f/Hz50转子漏感Lr/pu0.16定子漏感Ls/pu0.18转子电阻Rr/pu0.016定子电阻Rs/pu0.023励磁电感Lm/pu2.9直流母线电压Udc/V1070电网电感Lg/pu0.107电网电阻Rg/pu0.068电网电容Cg/pu6.67并网高压母线电压Ug/kV40.5并网变压器变比n40.5e3ʒ690变压器短路电压UT/%6.05表2㊀控制器参数Table2㊀Controllerparameters㊀㊀㊀参数数值VSG惯性时间常数Tj0.5VSG阻尼常数D30VSG无功环比例系数kpv0.3VSG无功环积分系数kiv5VSG电压环比例系数kpu_VSG1.5VSG电压环积分系数kiu_VSG50VSG电流环比例系数kpi_VSG0.05VSG电流环积分系数kii_VSG10锁相环比例系数kp_PLL100锁相环比例系数ki_PLL1000矢量功率环比例系数kpS_PLL1矢量功率环积分系数kiS_PLL50矢量电流环比例系数kpi_PLL0.2矢量电流环积分系数kii_PLL5图12为采用模式平滑切换的电压源型双馈风电机组低压穿越仿真波形ꎬ0.5s时由虚拟同步控制切换至矢量控制ꎬ硬件保护设备投入30msꎬ3s时功率恢复为额定值ꎬ由矢量控制切换至虚拟同步控制ꎮ满足相关规定中故障深度80%ꎬ持续至少625ms的低压穿越要求ꎮ62电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图12㊀低压穿越仿真波形Fig.12㊀Simulationwaveformoflowvoltageride ̄through由图12并网点电压和双馈电机直流母线电压波形可知ꎬ采用上述方法能够使虚拟同步控制双馈风电机组完成低压穿越ꎬ且在故障发生与恢复阶段并网点电压与直流母线电压暂态波动较小ꎮ图13为双馈风电机组并网点输出有功功率㊁无功功率ꎬ电网低压故障期间有功输出0.2puꎬ无功输出0.4puꎮ3s时控制切换各控制量及输出量基本无波动ꎬ实现了控制模式平滑切换ꎮ红色曲线为风电机组低压穿越相关要求ꎬ有功恢复速率为50%PN/sꎬ满足至少20%PN/s的要求ꎮ按照式(6)计算ꎬ暂态期间无功支撑至少为0.25puꎬ且输出速度不超过75msꎬ由仿真波形可知均满足上述要求ꎮ图13㊀输出功率仿真波形Fig.13㊀Simulationwaveformofoutputpower图14为并网点电流和转子电流仿真波形ꎬCrowbar电路检测故障后转子电流峰值ꎬ当三相转子电流任一相峰值超过1.75puꎬ则投入Crowbar电路ꎬ闭锁转子变换器ꎮCrowbar电路在电网低压故障后投入30msꎬ快速抑制了暂态冲击电流ꎮ图14㊀并网点、转子电流仿真波形Fig.14㊀Simulationwaveformofparallelnodecurrentandrotorcurrent图15为VSG与矢量控制的角度差和电流环指令差ꎮ在0.5s故障发生后的首次切换时ꎬ两种控制模式的角度保持相同ꎻ1.5s故障恢复时各状态量波动ꎬ在短暂延时后角度和电流指令恢复同步ꎻ3s由矢量控制向VSG切换时并网角度和电流指令保持同步ꎮ综上分析基于状态变量预同步的模式切换方法ꎬ能够实现矢量控制与VSG控制间的平滑切换ꎮ图15㊀状态变量预同步仿真波形Fig.15㊀Simulationwaveformforpre ̄synchronizingstatevariables5㊀结㊀论1)在电网深度故障情况下ꎬ由于电压源控制中惯量和阻尼环节的影响ꎬ机组动态特性较慢ꎬ因此在故障过程中完全依靠电压源控制难以满足低压穿越运行要求ꎮ2)传统电流源型双馈风电机组故障穿越技术相对成熟ꎬ因此可以通过转子侧Crowbar电路限制暂态冲击电流ꎬ在暂态期间采用矢量控制进行暂态72第3期王鑫达等:电压源型双馈风电机组低压穿越控制策略电流抑制ꎬ动态无功补偿ꎮ3)在切换过程中ꎬ通过控制参数和状态变量预同步ꎬ可以实现电压源运行模式和电流源矢量控制模式的平滑切换ꎮ仿真结果表明ꎬ所提出的控制策略能够使电压源型双馈风电机组在电网深度故障情况下安全稳定运行ꎬ并且满足风电并网低压穿越暂态时长㊁有功恢复㊁无功支撑等要求ꎮ参考文献:[1]㊀赵恩盛ꎬ韩杨ꎬ周思宇ꎬ等.微电网惯量与阻尼模拟技术综述及展望[J].中国电机工程学报ꎬ2022ꎬ42(4):1413.ZHAOEn shengꎬHANYangꎬZHOUSiyuꎬetal.Reviewandprospectofinertiaanddampingsimulationtechnologiesofmicro ̄grids[J].ProceedingsoftheCSEEꎬ2022ꎬ42(4):1413. 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双馈风力发电机低电压穿越技术的分析

双馈风力发电机低电压穿越技术的分析

双馈风力发电机低电压穿越技术的分析作者:高伟来源:《城市建设理论研究》2013年第29期摘要:随着风电装机容量在系统中所占比例增加,风电场的运行对系统稳定性的影响将不容忽视,双馈风力发电机低电压穿越技术的研究倍受关注。

介绍了低电压穿越的定义和标准,从转子侧保护电路、定子侧保护电路和直流侧保护电路三个方面详细分析了双馈风机的低电压穿越技术及其实现方法,并对各个方法的优缺点进行了分析,对双馈风力发电机低电压穿越技术的发展趋势和改进进行了总结。

关键词:低电压穿越(LVRT);双馈风力发电机(DFIG);撬棒;DC-Chopper;能量存储设备(ESS)中图分类号: TB857+.3 文献标识码: AAnalysis on the low voltage ride through technology of doubly-fed induction generatorABSTRACT: Along with the increasing proportion of wind power in the power system, the impact of the operation of the wind farm on the stability of the power system cannot be ignored, so the low voltage ride through technology of doubly-fed induction generator attracted much attention. In this paper ,the definition and standard of the low voltage ride through are introduced, low voltage ride through technology and its implementation of DFIG are analyzed mainly in three aspects, they arethe rotor side protection circuit, the stator side protection circuit and the DC side protection circuit; meanwhile the advantages and disadvantages of each method were analyzed; the trends and improvements on the low voltage ride through technology of DFIG are summarized.KEY WORDS: low voltage ride through (LVRT); doubly fed induction generator (DFIG); Crowbar; DC-Chopper; energy storage devices (ESS)中图分类号:TM714.2文献标识码: A0引言随着风力发电技术的日趋成熟,依靠风力发电来增加能源供应的方式越来越受到世界各国的青睐。

电网电压骤降情况下双馈风力发电机低电压穿越技术分析

电网电压骤降情况下双馈风力发电机低电压穿越技术分析

1 引言目前,在欧洲一些风力发电技术领先的国家如丹麦、德国等已经相继制定了新的电网运行规则:要求只有当电网电压跌落低于规定的曲线后才能脱网,当电压在一定范围内时,风力发电机组应该向电网提供无功功率支持,从而使电网尽快的恢复稳定状态。

其中最著名的当属德国E.ON公司的标准,如图1所示,图中阴影部分表示风电机组在不脱网的情况下还需向电网提供一定的无功支持。

对于DFIG在电网故障情况下低电压穿越技术(LVRT)的研究已经成为当前风力发电领域一大热点[1]。

电网电压的骤降会引起双馈发电机定子绕组电流的增加,由于定子和转子之间存在强耦合关系,这个电流也会涌入转子回路和交流变频器,致使直流侧母线电压升高,机侧变流器的电流以及有功、无功功率都会发生振荡,同时引起转子回路产生过电压,过电流。

过电流会损坏变换器,而过电压会损坏发电机的转子绕组[2]。

本文从建立双馈感应风力发电机在定子电压跌落情况下的暂态数学模型出发,详细探讨了DFIG系统在电网故障情况下实现低电压穿越的各种应对措施,以期对我国将来风力发电运行标准的制定有所帮助。

图1 E.ON标准中规定的风力发电低电压运行能力曲线2 电网故障情况下DFIG的暂态数学模型一般情况下,当电网电压跌落时,定子三相电压对称跌落的过程可看作在定子端突加一组与原端电压大小相等、相位相反的三相电压过程。

于是,根据叠加原理可知,定子短路电流的空间向量为:。

式中,为定子电压跌落前定子稳态电流的空间向量;为定子端突加反向的三相电压所产生的定子电流空间向量。

3 LVRT的实现方法通常情况下,针对电网故障的严重程度应采取不同的应对措施。

当电网电压跌落幅度不大时,应当考虑采用改进控制策略使DFIG渡过电压的跌落;当出现大值电压跌落时,目前国外采用的最有效的方法是增加硬件电路以防止损坏转子侧变换器[3]。

3.1 转子侧变换器的LVRT实现方法从转子侧变换器来说可实现双馈式风力发电机低电压穿越(LVRT)的方法主要有3种:①基于Crowbar保护电路的实现方法;②改进DFIG的励磁控制策略;③在转子侧串联电阻。

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双馈机组低电压穿越过程
引言:
双馈机组是一种常见的发电机组类型,具有较高的效率和可靠性。

然而,在运行过程中,双馈机组可能会遭遇低电压情况,这对其正常运行和设备安全都会带来一定的影响。

本文将重点探讨双馈机组低电压穿越过程,以期帮助读者更好地了解和理解这一问题。

一、双馈机组简介
双馈机组是指由一台同步发电机和一台双馈感应电动机组成的发电装置。

其中,同步发电机负责将机械能转化为电能输出,而双馈感应电动机则通过转子上的转子绕组来调节发电机的输出功率。

这种结构使得双馈机组具有自适应功率控制能力,能够适应电网负荷的变化,并保持较高的效率。

二、低电压对双馈机组的影响
低电压是指电网电压降低到低于额定电压的情况。

对于双馈机组来说,低电压会导致以下问题:
1.降低输出功率:低电压会使得双馈感应电动机的转子电动势降低,从而限制了发电机的输出功率。

2.增加转矩波动:低电压下,双馈感应电动机的转子电动势波动加剧,导致发电机输出转矩波动增大。

3.加剧设备热损耗:低电压会使得双馈机组的电流增大,从而导致设备的热损耗增加,降低了设备的使用寿命。

4.影响电网稳定性:低电压下,双馈机组的输出功率不稳定,可能会对电网稳定性造成一定的影响。

三、双馈机组低电压穿越过程
双馈机组低电压穿越过程是指从低电压状态恢复到正常电压状态的过程。

在低电压穿越过程中,双馈机组需要经历以下几个阶段:1.低电压检测阶段:双馈机组通过感知电网电压的变化,判断是否出现了低电压情况。

2.启动电压恢复控制:一旦检测到低电压,双馈机组会启动电压恢复控制策略,通过调整转子绕组的电压和电流来提高发电机的输出功率。

3.电压恢复阶段:在电压恢复控制的作用下,双馈机组逐渐提高输出功率,使得电网电压逐渐恢复到正常水平。

4.稳定运行阶段:一旦电网电压恢复到正常水平,双馈机组将进入稳定运行阶段,继续向电网输出电能。

四、低电压穿越过程中的注意事项
在双馈机组低电压穿越过程中,需要注意以下几个问题:
1.保护装置的设置:双馈机组应该配备恰当的保护装置,以便在低电压情况下及时切除电网连接,保护设备的安全运行。

2.控制策略的优化:针对不同的低电压情况,应该优化双馈机组的控制策略,以提高电压恢复的效率和稳定性。

3.设备的选型和参数设计:在设计双馈机组时,应该充分考虑低电
压穿越过程的要求,选择合适的设备和合理的参数,以确保其在低电压情况下的可靠性和性能。

结论:
双馈机组低电压穿越过程是一项重要的技术挑战,对于确保双馈机组的安全运行和电网的稳定性具有重要意义。

在实际应用中,需要通过合理的设计和控制策略,确保双馈机组能够在低电压情况下快速恢复正常运行。

同时,也需要加强对双馈机组低电压穿越过程的研究,以提高双馈机组的性能和可靠性,促进清洁能源的发展和利用。

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