基于智能卸荷电路的双馈风电机组故障穿越控制

双馈风电机组并网比例不断提高,加剧了电网遭遇外部故障导致规模化脱网问题。文章介绍了现有风机故障穿越控制方案的原理,考虑到频繁投切直流卸荷电路电阻易引起电压波形畸变、超级电容器控制方案成本过高等问题,提出了基于智能卸荷电路的双馈风电机组故障穿越控制方案。该方案将卸荷电阻通过DC/DC变换器与直流母线相连,在控制电路中引入有功功率-直流母线电压的下垂控制环节,实现故障期间电路电阻吸收功率的动态调节,同时设置高、低电压穿越两种模式,根据并网点电压变化情况自主启动。最后,在Matlab/Simulink中对智能卸荷电路控制策略进行验证。仿真结果表明,基于智能卸荷电路的风电机组故障穿越控制策略在直流母线电压抑制、电压恢复所需时间、转子电流畸变程度和方案经济成本等方面具有优势。

考虑源荷特性的双馈风电机组动态减载协同调频控制

为使双馈风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)的有功输出能响应电网频率的变化,有效参与电网频率调节,提高风电系统的稳定性,文中分析了虚拟惯性控制、下垂控制以及减载控制的基本原理,探究了相关参数对风电并网系统频率特性的影响。在此基础上,提出一种考虑系统源荷特性的动态减载协同调频控制策略。该策略结合源荷扰动情况实现减载率修正,通过MATLAB/SIMULINK仿真验证表明:当负荷波动时,该控制策略相较于固定减载调频使含风电系统在不同风速下的频率稳定性有了显著提高。

双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计

通过释放转子动能参与一次调频的风电机组,其一次调频能力随外界工况特别是风速的波动而变化,需要动态估计一次调频能力,从而为电力系统运行规划、控制策略制定等提供依据。基于风电机组参与一次调频的功率转换动态过程分析,提出了计及风电机组转子转速动态变化的一次调频简化解析模型,借助其一次调频能力的解析解,可快速分析风速波动对风电机组一次调频能力的影响;提出双馈风电机组一次调频能力的概率解析描述,利用点估计与Gram-Charlier级数展开,获得了风电机组一次调频能力随风速波动的概率分布特征。仿真验证了所提动态解析模型的准确性和一次调频能力概率估计方法的可行性与有效性。

弱电网下考虑锁相环影响的双馈风电机组复合解耦控制策略

在风力发电并网容量快速增长的同时,并网点的短路比同步降低,基于锁相环同步的双馈风电机组面临稳定裕度不足及功率耦合加剧的问题。该文通过构建双馈风电机组在弱电网下的小信号模型,探究锁相环对于电流控制的影响回路,降低系统稳定裕度的机理。进一步提出考虑锁相环影响的复合解耦控制策略,有效提升了双馈风电机组在弱电网下的稳定运行能力。该文通过仿真及实验验证了所提策略的有效性。

基于能量耗散的电压源型双馈风电机组轴系扭振阻尼特性分析

电压源型双馈风电机组具有建立和支撑电压的能力从而受到了广泛关注,然而采用电压源控制的双馈风电机组(doubly fed induction generators,DFIG)响应电网动态会更易引起轴系扭振问题,甚至恶化扭振阻尼。因此从能量耗散的角度分析了轴系扭振的阻尼特性,并提出了轴系扭振阻尼的量化表征方法。首先,基于轴系的二质量块传动模型构建了轴系的暂态能量函数;在此基础上,提取出轴系的势能和耗散能量,表征轴系振荡过程中能量的积累和耗散效应,并探究了能量耗散与特征值实部之间的联系;分析了不同的虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)控制参数对轴系扭振阻尼特性的影响;并定义了能量耗散因子用以量化表征轴系扭振的阻尼。最后对提出的结论与方法进行了仿真验证。

双馈风电机组传动链低电压穿越响应分析

为了分析双馈风电机组低电压穿越对传动链齿轮与轴承等部件冲击载荷的影响,分别采用转子有限元法与集中参数法对传动链中的盘、轴、轴承、联轴器以及齿轮等部件进行了动力学建模,结合风电机组气动载荷与控制模型,建立了传动链动态响应仿真程序。利用建立的仿真程序对风电机组稳态工况进行了仿真,筛选出齿轮啮合力与轴承力最大的部件。将风电机组低电压穿越测试曲线加载到仿真程序中,对低电压穿越各类工况动态响应进行了对比分析。结果表明:低电压穿越会对风电机组传动链的齿轮与轴承产生冲击,并且冲击载荷的大小与机组工况载荷、电压跌落幅值以及跌落形式相关,并且这三者的影响因素是依次递减的。

双馈风电机组传动系统神经网络建模及参数预测

传动系统是双馈风电机组的重要组成部分,其模型对电力系统同步稳定及频率稳定分析具有重要影响,准确的传动系统模型参数是分析新能源电力系统动态特性的前提。为解决因大扰动量测信息不充裕导致模型参数难以辨识的困难,提出利用机组正常运行状态时随机小扰动激励下丰富的历史响应数据,根据响应数据与模型参数的对应关系构建神经网络模型,并根据当前响应数据进行驱动系统模型参数预测。首先讨论了基于BP神经网络进行数据建模的基本流程;针对含双馈风电机组的无穷大系统仿真算例,提取随机风速扰动下响应信号受扰轨迹的功率谱特征;定义功率谱灵敏度指标,提出选取功率谱灵敏度较大的参数作为重点参数;最后基于BP神经网络构建响应信号功率谱与模型参数之间的非线性映射,基于训练得到的BP网络辨识新响应下的模型参数。通过分析BP神经网络动态模型的误差,验证数据驱动建模方法的可行性。

基于RBF神经网络的双馈风电机组最大功率追踪控制方法

双馈风电机组通过转子回路进行功率调节控制,当系统在最大功率点附近工作时,回路电流会出现高频振荡的问题。这种振荡会影响系统稳定性,最大功率追踪控制是解决该问题的核心手段。提出基于径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络的双馈风电机组最大功率追踪控制方法。分析双馈风电机组基本结构与运行原理,获取风电机组输出功率,并将其输入RBF神经网络输入层中,通过网络隐含层对其展开优化训练,再通过输出层输出最大功率。采用二阶滑模控制策略与比例-积分-微分(Proportion Integration Differentiation,PID)控制器相结合的方法对发电机转矩展开追踪控制,实现对双馈风电机组最大功率的追踪控制,使风电机组保持最大功率运行。实验结果表明,所提方法追踪效果好、追踪精度高、控制精度高。

基于混沌粒子群的双馈风电机组LVRT实测建模及暂态参数辨识

高准确度仿真模型是进行大规模风电并网暂态稳定分析的基础,然而双馈风电机组(DFIG)控制策略与参数属于技术秘密难以获取,模型仿真准确性难以保证。针对DFIG故障暂态精确建模难题,提出了基于实测数据的DFIG建模及参数辨识方法。首先,基于电力系统综合稳定程序(PSASP)中DFIG模型及控制结构,建立低电压穿越(LVRT)控制数学模型并分析故障暂态过程,明确LVRT暂态控制核心参数。其次,基于DFIG的LVRT部分现场实测工况数据,利用混沌粒子群算法实现了DFIG故障暂态控制参数辨识。最后,基于剩余实测工况数据进行辨识参数准确性分析与校验,仿真验证了所提参数辨识方法的有效性及准确性。所提方法辨识结果泛化能力强、准确度高,具有较高的工程应用价值。

基于频域通用建模的双馈风电机组参数的一体化辨识方法

风电在电网中的占比逐年提高,其动态特性,尤其是故障穿越特性,对电力系统的影响日益显著,亟须构建能够表征实际风电机组动态特性的白盒模型。然而,风电机组的模型参数众多且交互影响,当前的参数辨识方法无法实现对整个机组故障穿越控制参数及限幅参数、转子侧内外环控制参数、网侧内外环控制参数和电气参数的整体辨识,尤其是无法精准辨识对外特性不敏感的参数。为解决这些问题,针对双馈风电机组故障穿越工况,构建了包含机组本体及全部控制器的频域通用模型,将参数分为4类逐步辨识,提出基于频域模型的分类分步一体化辨识方法。通过与仿真模型结果对比,验证了频域通用模型的准确性;通过参数辨识值与真值的对比、辨识出的白盒模型与厂家黑盒模型的响应特性对比,验证了所提方法的有效性。

微电网中考虑运行参数变化的双馈风电机组振荡特性研究

为了研究微电网内电力设备间的耦合及振荡特性,以双馈风电机组为例,基于暂态能量流法,计及风速和机组控制策略,推导双馈风电机组中风力机子系统、发电机及励磁子系统的能量函数;然后,研究风速、机组控制参数等运行参数变化时各个子系统能量消耗的变化机理,分析机组振荡特性;最后,在PSCAD/EMTDC平台建模仿真,分析运行参数变化时双馈风电机组的能量变化及功率振荡特性,并与特征值计算结果比较,验证分析的合理性,得到风速变化对双馈风电机组振荡的影响机理。

运行参数变化时双馈风电机组振荡机理及特性研究

为研究风力机功率在风电机组中传播、变换时与风电机组各环节的耦合关系及机组输出功率振荡特性,以双馈风电机组为例,首先计及塔影效应和风剪切、风速大小,推导各子系统的能量函数;考虑机组阻尼及风速变化,分析各子系统能量变化及机组输出功率的振荡特性;最后,在PSCAD/EMTDC上建模仿真,通过能量变化深入分析风力机功率在机组内传播机理及功率振荡特性。仿真结果表明:含低频振荡分量的风力机功率通过负阻尼双馈风电机组时,与机组的次同步振荡耦合,风力机子系统、发电机及励磁子系统输出能量大幅增加,机组输出功率中既有低频振荡也有次同步振荡,它们随机组阻尼和风速变化而变化;风速变化时双馈风电机组消耗的能量主要由风力机子系统决定。

距离保护在双馈风电机组接入系统的应用分析

新能源的大规模接入对系统内传统继电保护的影响已经显现,部分地区继电保护在近区故障时灵敏性与可靠性下降。聚焦距离保护在双馈风电机组接入系统中的应用,对跟随型逆变器的双馈风电机组的故障特性进行分析。在假设风电机组电动势不变的情况下,通过叠加原理计算系统等值阻抗,并将电压相位突变转化为系统等值阻抗变化问题,进而分析正序电压极化阻抗继电器的行为。分别针对联络线上风电场侧和系统侧的阻抗继电器展开研究,结果表明,故障时双馈风电机组系统的等效阻抗变化会导致阻抗圆灵敏角偏移,从而使得风电场侧距离保护在正向故障时可能出现区外误动区内拒动的情况,系统侧距离保护在反向故障时可能存在误动的风险。此外,联络线上发生故障,系统等值阻抗的变化还可能导致无故障相邻线路的误动。最后,参照现场接线图搭建仿真模型,对风电场侧、系统侧和负荷侧的快速距离保护进行验证,试验结果与之前的分析结论一致。

基于阻抗分析法的双馈风电机组经串补线路并网系统的次同步振荡特性研究

随着风力发电的大规模并网,双馈风电机组经串补线路并网系统容易发生次同步振荡的问题,目前对次同步振荡产生机理缺乏整体性研究。利用阻抗分析法,考虑转子侧与网侧变流器,建立双馈风电机组经串补线路并网系统的等效电路模型,并对并网系统的等效阻抗表达式进行理论推导,详细分析不同控制器参数及串补度对等效电阻与等效电抗的影响,揭示次同步振荡的产生机理。然后,利用特征值法和时域仿真法,验证所提研究方法的有效性。研究结果表明:转子侧与网侧变流器都不考虑时误差较大,只考虑转子侧与转子侧和网侧都考虑时更接近实际值,准确度更高;只考虑转子侧和全考虑时基本一致,考虑网侧对次同步振荡的影响很小;次同步振荡的阻尼比和振荡频率主要受转子侧控制参数的影响,尤其是内环比例与内环积分参数;次同步振荡的阻尼比和振荡频率都随着串补度增加而逐渐降低。阻抗分析法的物理意义更加明确,可以直接找到系统的相关参数的影响,使得研究工作具有更大的价值。

基于最优权重的双馈风电机组状态评估方法

由于双馈风电机组通常运行在复杂多变的环境中,在进行风电机组状态评估时,只能获取机组部分性能,造成了对劣化状况提前判断不足的问题。为解决以上问题,提出基于最优权重的双馈风电机组状态评估方法;构建双馈风机运行状态评价指标体系,将风电机组健康状态划分为5个等级,采用主观权值计算和客观熵权法相结合的组合法,确定双馈风电机组状态评估中各个关键参数的最优权重分配,计算双馈风电机组的整体状态得分,通过与预设的阈值比较,快速确定机组的状态等级。实验结果表明,设计方法通过综合考虑机组的整体运行状态,合理分配不同性能参数的权重,显著提高了劣化状态识别的提前量,具有应用价值。

并网双馈风电机组频率支撑能力控制策略研究

针对双馈风电机组无法对电网频率提供支撑的问题。首先,研究双馈风电机组的运行原理。然后,分析实现双馈风电机组频率支撑能力的附加桨距角控制策略和综合虚拟惯量控制策略。最后,仿真验证双馈风电机组频率支撑能力控制策略的有效性。

主动支撑电网的双馈风电场故障功率协调控制方法

风电持续开发建设使同步发电机渗透率降低,电力系统抗扰能力不断下降。双馈风电场(doubly-fed wind farm,DFWF)内部故障后,双馈风电机组(doubly-fed wind turbine,DFWT)的切除导致电力系统出现功率缺额,可能威胁系统安全稳定运行。为此,利用故障期间DFWT机械功率与电磁功率不平衡累积的暂态能量,提出了主动支撑电网的双馈风电场故障功率协调控制方法。分析了DFWF内部故障特征,提出了故障全过程功率协调控制的思想。推导了DFWF内部故障下DFWT的转速解析表达式,分析了DFWT暂态能量的特征并给出了最大暂态能量的计算方法。在此基础上,给出了DFWT功率支撑控制参考值与功率支撑控制时间的计算方法,并提出了DFWT故障功率协调控制策略。算例表明,DFWF故障功率协调控制可利用暂态能量最大限度地提供功率支撑,降低DFWF内部故障对电力系统的影响。

适用于双馈风电场送出线的纵联方向保护研究

考虑风电场接入电网时,传统方向元件在短路故障发生时易受到风电场内部电力电子器件动态特性的干扰影响,导致频率特性偏移,系统参数不稳定和弱馈性等问题,使继电保护装置不能及时或正确判断故障发生区域。针对上述问题,首先对含有风电场的故障附加网络进行分析,寻找故障发生后纵联保护安装处各测量点电气量之间的关联性,确定其故障逻辑关系。其次通过对常用的相模变换解耦方式进行分析,选择一个合理的方法代入相关性表达式,根据相关系数值完成故障区域判定。最后利用PSCAD/EMTDC搭建双馈风电场并网模型,设置各种不同的故障类型和场景,并利用Matlab进行保护算法验证,检验故障区域判断结果,验证所提保护方法的正确性与合理性,并且仿真结果表明该方法具有较高的可靠性。

超速与变桨协调的双馈风电机组频率控制

双馈风电机组的有功功率输出无法响应电网频率的变化,并且由于其通常运行在最大功率点跟踪模式下,亦无备用的有功功率支援电网的频率控制。通过提升发电机转子转速和调节桨距角可实现双馈风电机组的减载运行,从而保留部分有功功率作为备用以提升对电网频率的调节能力,但是超速控制和变桨控制在不同工况下,具有一定的工程局限性。为深入挖掘双馈风电机组的调频潜力,提出了一种超速与变桨相协调的调频控制策略。该控制策略根据不同的风速条件,将调频分为低风速、中风速和高风速3种模式,并详细分析了可辨识这3种模式的判据。仿真结果表明,基于文中提出的控制方法,双馈风电机组可以有效提升系统的频率稳定性。

双馈机组风电场动态等效模型研究

针对大型双馈机组风电场,提出一种新的动态等效建模方法。该方法以双馈风电机组桨距角控制动作情况作为机群分类原则,通过提取反映桨距角控制动作的特征向量,并将其作为支持向量机的输入,从而进行双馈风电机组的动态分群以及同群机组的合并、等效。在此基础上给出了等效模型的参数计算方法,得出以3台风电机组表征的风电场等效模型。与传统等效建模方法的对比结果表明,所提出的三机表征模型能够更准确地反映双馈机组风电场并网点的动态特性。