基于Boost变换器的D-PMSG风力发电系统MPPT控制

为了提高直驱永磁风力发电系统的最大功率点跟踪控制性能,通过对Boost占空比变化与风力机输出特性的关系分析,提出一种基于模糊梯度步长爬山搜索法,将风力机输出转速变化量和风力机输出功率变化量作为模糊控制器的输入量,Boost变换器的占空比作为模糊控制器的输出量,实现风力机最大功率点跟踪控制。建立了系统仿真模型并进行仿真验证,结果表明,模糊梯度步长爬山搜索法能实现直驱永磁风力发电系统的最大功率点跟踪控制,控制效果优于传统变步长爬山搜索算法。

海上风电场PMSG和VSC-HVDC综合调频概率评估

考虑永磁同步发电机PMSG(permanent magnet synchronous generator)减载运行后的一次调频和改变柔性直流输电VSC-HVDC(voltage-source converter based high-voltage direct-current)直流电压的惯性调频,提出基于时域仿真的概率统计指标,量化调频效果。枚举不同调频策略、参数及扰动位置和规模,仿真电网频率响应。计算最大频率偏差、频率下滑速度、频率恢复速度和稳态频率偏差,根据扰动概率统计上述指标的系统期望。仿真结果表明:稳态频率偏差及其系统期望值仅随PMSG调频参数增大而减小;其余3项指标及系统期望随PMSG和VSC-HVDC调频参数增大而减小;PMSG和VSC-HVDC分别在频率偏差和变化率较大时起主要作用。

基于RT-LAB兆瓦级PMSG实时仿真及最大功率跟踪

为了充分利用风能,对风力发电系统最大功率点跟踪(MPPT)进行了研究,基于RT-LAB实时仿真平台搭建了2.5MW直驱式永磁风力发电系统仿真模型,对不同风速条件下,直驱式永磁风力发电系统工作情况进行了实时仿真实验,根据实验结果分析了不同风速下最大功率跟踪的特性,研究结果表明:基于RT-LAB建立的2.5MW永磁直驱风力发电系统实现了最大功率跟踪。

Analysis on Effect of Parameters of Different Wind Generator on Power Grid Transient Stability

To analyze the factors which affecting transient stability of power system, the dynamic model of doubly-fed induction generator and direct-drive PM synchronous generator has been built using PSCAD. Impact of different wind farm integration on grid typically in China has been presented. The influence of the variations of transient reactance, negative sequence reactance and rotary inertia on critical clearing time of power system transient stability is analyzed by time-domain simulation. Mixture operation of DFIG and PMSG to optimize the stability of system has been analyzed firstly. The digital simulation results show that doubly-fed induction wind turbines is a better choice to meet the requirement of system instability due to large wind farm integration in comparison with direct-drive PM synchronous wind turbines. With a rather large rotary inertia, the proper ratio of direct-drive PM synchronous wind turbines used in wind farm could be comprehensive planning by optimized the stability of system. Analysis of this paper should be provided as academic reference for improving design of wind farm system.

匹配控制构网型直驱风电场经LCC-HVDC 送出 系统的次同步振荡特性及机理分析

在“沙戈荒”地区风电经电网换相高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)外送系统中,采用基于匹配控制的构网型直驱风机(matching control permanent magnet synchronous generator,MC-PMSG)可以提升送端电网的稳定性。然而,当MC-PMSG位于LCC-HVDC整流站近区时,系统的次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)特性尚未明确。针对上述问题,该文采用模块化建模法建立MC-PMSG经LCC-HVDC送出系统的小信号模型,通过特征值法研究MC-PMSG与LCC-HVDC对系统各SSO模态的参与情况与系统运行方式变化对次同步振荡阻尼特性的影响,通过阻尼重构法分析LCC-HVDC并网对系统振荡风险的影响机理。研究结果表明,系统存在匹配控制型风机主导、LCC-HVDC参与的SSO模态,MC-PMSG与LCC-HVDC间的次同步交互作用为SSO提供负阻尼;当混合型风电场中的MC-PMSG占比增大、MC-PMSG风电场容量增大或短路比减小、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大、风机网侧换流控制器外环积分系数减小、直流电容增大时,SSO阻尼增大。通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真证明理论分析结果的有效性。

直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

基于匹配控制的构网型直驱风电场次同步振荡机理与特性研究

近年来,具有低时延和惯量同步等优势的匹配控制成为主流构网型控制方案之一,但基于匹配控制的构网型直驱风电场的次同步振荡机理及特性尚不明确。因此,该文建立构网型直驱风电场并网系统的小信号模型,通过特征值法分析了系统的振荡模态及参与因子,并借鉴同步机中阻尼转矩法分析构网型直驱风电场的次同步振荡机理。结果表明,构网型直驱风电场中匹配控制主导的振荡模态在强电网下呈现负阻尼特性,系统存在次同步振荡的风险,但匹配控制振荡模态相较于跟网型控制的锁相环振荡模态具有更好的弱电网适应能力;匹配控制振荡模态存在类似于同步机转子运动方程的动态特性,使得构网型直驱风电场可能发生弱阻尼振荡;减小交流电网强度或无功控制器积分系数,增大构网型直驱风机台数或无功控制器比例系数,能够增大匹配控制振荡模态的阻尼,降低系统次同步振荡风险。

基于储能和无功优化的直驱机组海上风电场低电压穿越策略

针对直驱永磁机组海上风电场中的低电压穿越问题,提出了一种基于储能和无功优化的控制方案。采用锂电池作为分散式储能设备,吸收故障时刻直流母线上的多余功率,抑制电网故障时机组直流侧电压上升。同时根据各台机组的不同运行状况分配不同的无功指令,选取网侧变流器输出的有功功率、直流母线电压、机端电压作为评价指标,依据评价指标结果对风电场中各台风电机组低电压穿越能力进行评估,优化控制各台机组的无功出力,从而有效提高整个风电场的无功输出能力。以某海上风电场为例进行仿真分析,仿真结果表明了该方案能显著提高风电场低电压穿越能力。

考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗建模方法

海上风电经柔直并网系统的阻抗模型是其稳定分析的基础。然而,现有阻抗建模方法忽略海上风电与模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)间的阻抗耦合,可能导致系统稳定性判定失准。为此,该文提出一种考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗精确计算方法。首先,采用谐波状态空间理论(harmonic state-space,HSS)建立MMC与风电机组的序阻抗模型;在此基础上,分析风电机组与MMC两者交流端口电压、电流与阻抗的相互耦合机理,以获得风电机组与MMC交流等效阻抗;最后,提出风电机组与MMC阻抗耦合度指标,以量化分析不同控制环节对风电机组与MMC的耦合程度的影响。在MATLAB/Simulink搭建海上风电经柔直送出系统仿真模型验证该文所建模型的精确性及阻抗耦合度的对系统稳定性的影响,并通过RT-Lab硬件在环实验证明该文所建模型在系统稳定性分析中有效性。

直流受端馈入站与近区风电场系统振荡特性分析

随着高压直流输电工程的不断投产,以及风电项目的增多,越来越多的风电场出现在电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)受端换流站近区,两者构成的系统存在振荡风险。为此,该文针对直流受端馈入站与近区风电场系统的振荡特性展开研究。首先,建立并验证系统的状态空间模型,基于该模型计算出系统特征值,确定LCC-HVDC与风电场共同参与的振荡主导模式并进行参与因子分析。进一步地,通过对比是否接入LCC-HVDC的主导模式,得到LCC-HVDC的接入会削弱系统阻尼的结论。最后,从系统额定容量、交流系统短路比、风电场并网线路长度等方面探究系统稳定性的影响因素,并分析系统的不同短路比、潮流比对风机网侧换流器(grid-side converter,GSC)外环控制和换流站定电流控制器性能的影响。

基于等效电势动态相似性的直驱式风电场分群等值方法

针对大规模直驱式风电场并网系统暂态电压等值建模困难的问题,考虑了直驱风机全功率变流器不同控制环节的作用机理,提出了一种直驱风机的暂态电压等值模型与动态聚类方法。建立计及Chopper电路动作过程的直驱风机暂态模型,构建了适用于暂态电压分析的等效电势指标。该指标能够反映暂态过程中直驱风机并网功率和端口电压的动态过程,并根据该指标的动态变化来反映系统故障下的暂态电压特性。针对风电场内各直驱风机物理位置、行为特征的差异性,提出了一种基于约束动态时间规整的相似度分析方法,构建了能够表征不同机组等效电势指标差异性的相似度矩阵。在此基础上,采用层次凝聚聚类算法实现了不同直驱风机的动态聚合。在PSCAD/EMTDC中建立了直驱式风电场多机等值模型,通过对比不同故障场景下的等值精度验证了所提方法的有效性和优越性。

直驱风电场并网对火电机组次同步谐振影响

直驱风电场(D-DWF)接入火电经串补外送系统后,其对火电机组的次同步谐振(SSR)影响机理尚不明确。针对风火打捆经串补点对网型系统,采用适用于模块化建模的状态变量消去方法,建立模块化的耦合小信号模型;利用特征值分析法研究D-DWF接入后系统的SSR情况;结合特征值分析结果阐释SSR机理,并针对D-DWF及串补线路参数进行阻尼分析。研究结果表明:D-DWF会引入与SSR频率相近并引起“共振”的一个新模态,使得“机电谐振”与“模态频率接近”的振荡机理耦合共存。在跟网型风机的控制策略及参数下,D-DWF并入会导致SSR模态阻尼大幅降低,恶化系统的SSR。随着D-DWF的容量、风速和系统串补度降低,系统阻尼将提高,SSR的风险将降低。基于PSCAD/EMTDC平台的电磁暂态仿真,验证了机理分析的正确性。

直驱风电场并网对直流输电引起的火电机组轴系扭振影响机理分析

火电机组与电网换相换流器高压直流输电(LCC-HVDC)间的次同步交互作用会引发火电机组轴系扭振(SSTI),而直驱风电场(DDWF)接入LCC-HVDC送端对SSTI阻尼特性的影响与机理尚未明确,相关研究有待开展。针对上述问题,该文基于DDWF与火电打捆经LCCHVDC送出系统,采用模块化建模法建立了小信号模型,使用特征值法分析了DDWF的接入与参数变化对LCC-HVDC引起的火电机组SSTI阻尼的影响;同时,针对特征值分析结果进行了机理分析。研究结果表明,DDWF会与火电机组共同承担LCC-HVDC的功率波动,削弱火电机组与LCC-HVDC间的次同步交互作用,从而增大SSTI阻尼,降低SSTI风险;当DDWF的容量增大、风速提升时,SSTI阻尼增大;当DDWF与LCC-HVDC整流站间电气距离增大时,SSTI阻尼降低;当LCC-HVDC整流侧由定电流控制转为定功率控制,或逆变侧由定电压控制转为定关断角控制时,SSTI阻尼降低。基于PSCAD/EMTDC平台进行了时域仿真,验证了特征值分析与机理分析的正确性。

双U/f下垂控制下双极MMC-HVDC系统交流阻抗建模及稳定性分析

基于模块化多电平换流器的高压柔性直流输电系统(modular multilevel converter-based high voltage direct current,MMC-HVDC)常采用双极接线方式以提高系统功率输送能力和可靠性。然而目前对于风电场经柔直外送系统的稳定性研究集中于单极接线方式,孤岛直驱风电场与采用不同双极协调控制的双极MMC-HVDC互联系统小信号稳定性问题还有待进一步探究。该文首先考虑频率耦合特性、参考系初相位和直流侧耦合特性的影响,分别建立了采用双U/f下垂控制和定U/f-P/Q控制的双极MMC-HVDC系统交流侧等效SISO阻抗模型,并详细分析了金属回线阻抗和双极间功率均分度对交流阻抗特性的影响。接着对比研究了两种协调控制中共有控制环路和特有控制环路对交流侧负电阻特性及互联系统稳定性的影响规律。最后,孤岛直驱风电场经两种双极协调控制下双极MMC-HVDC外送系统Matlab/Simulink时域仿真结果和硬件在环半实物实时仿真实验结果验证了所提出的小信号阻抗模型的精确性和稳定性分析结论的有效性。

Fault analysis method of integrated high voltage direct current transmission lines for onshore wind farm

Voltage source converter(VSC) based high voltage direct current(HVDC) transmission is most suited for the wind farm as it allows flexibility for reactive power control in multi-terminal transmission lines and transmits low power over smaller distance. In this work, a new method has been proposed to detect the fault, identify the section of faults and classify the pole of the fault in DC transmission lines fed from onshore wind farm. In the proposed scheme, voltage signal from rectifier end terminal is extracted with sampling frequency of 1 k Hz given as the input to the detection, classification and section discrimi-nation module. In this work, severe AC faults are also considered for section discrimination. Proposed method uses fuzzy inference system(FIS) to carry out all relaying task. The reach setting of the relay is 99.9% of the transmission line. Besides, the protection covers and discriminates the grounding fault with fault resistance up to 300 Ω.Considering the results of the proposed method, it can beused effectively in real power network.

Integrated Equivalent Model of Permanent Magnet Synchronous Generator Based Wind Turbine for Large-scale Offshore Wind Farm Simulation

The high-speed simulation of large-scale offshore wind farms(OWFs) preserving the internal machine information has become a huge challenge due to the large wind turbine(WT) count and microsecond-range time step. Hence, it is undoable to investigate the internal node information of the OWF in the electro-magnetic transient(EMT) programs. To fill this gap,this paper presents an equivalent modeling method for largescale OWF, whose accuracy and efficiency are guaranteed by integrating the individual devices of permanent magnet synchronous generator(PMSG) based WT. The node-elimination algorithm is used while the internal machine information is recursively updated. Unlike the existing aggregation methods, the developed EMT model can reflect the characteristics of each WT under different wind speeds and WT parameters without modifying the codes. The access to each WT controller is preserved so that the time-varying dynamics of all the WTs could be simulated. Comparisons of the proposed model with the detailed model in PSCAD/EMTDC have shown very high precision and high efficiency. The proposed modeling procedures can be used as reference for other types of WTs once the structures and parameters are given.

面向海上风电仿真的永磁同步发电机电磁暂态等效建模方法

海上风电的建模与仿真是构建新能源为主体的新型电力系统的关键支撑技术。永磁同步发电机(PMSG)作为直驱或半直驱机型的核心元件,现有模型存在一定的局限性:商业软件提供的灰箱模型无法得知建模原理,开放程度不够,限制了风电机组应用高效电磁暂态建模算法与并行加速算法;目前常用的PMSG建模方法无法生成接口与外电路连接;PMSG是同步发电机的一种,而同步发电机有不同阶数的数学模型,现有模型不便更改。针对上述问题,该文提出阶数可选的PMSG电磁暂态等效建模方法。首先对发电机电压、磁链方程进行离散化;然后通过单步长延时消除代数环,重构PMSG模型,推导得到其诺顿等效电路并构建模型整体仿真框架;最后,在RTDS仿真平台中进行仿真分析。结果表明四阶、二阶模型在场站级仿真具有适用性,而六阶模型实现了对基准模型的多工况高度拟合,平均相对误差小于4%,能够同时满足场站级与机组内部各仿真需求。

海上直驱风电场弱连接时LVRT引发的次同步振荡机理与特性分析

海上风电场需具备低电压穿越(low voltage ride-through,LVRT)能力,以避免故障时风机脱网,然而,LVRT策略对并网系统大扰动后的稳定性影响不明。有鉴于此,该文搭建了接入交流电网系统的海上直驱风电场模型,并分析其在弱连接时大扰动下LVRT引发的不同类型振荡机理和特性。具体如下:首先搭建了含LVRT的海上直驱风电场接入交流电网系统电磁暂态模型;其次,分析了该系统的阻抗特性,发现该系统具有次同步振荡风险,且在弱连接时正阻尼系统遭受大扰动后会出现LVRT参与形成的次同步频段振荡;再次,探究了振荡和LVRT不同控制环节的关系,表明大扰动后正阻尼系统的LVRT无功环节阶段2-1的策略1或2均可参与形成因补偿电流过大而引发的切换型振荡,且不同控制策略对应的振荡均存在限幅间歇性饱和现象;最后,分析了LVRT控制策略及参数对振荡特性的影响。

风电柔直并网虚拟阻抗次同步振荡抑制策略

直驱风电场经柔性直流输电系统并网送出存在次同步振荡风险。首先,在建立直驱风电经柔直并网系统模型的基础上,采用失稳特征根模态分析方法,研究了V/F控制模式下系统次同步振荡模态的参与变量与参与因子。其次,以抑制系统次同步振荡为目标,提出了在柔直换流站电压外环控制器中配置高通滤波器等不同形式下的虚拟阻抗控制策略,且解析了阻抗参数的选择范围及其原则,并采用阻抗分析方法研究了阻抗控制器对系统阻抗特性的影响以及规律。最后,基于MATLAB电磁暂态仿真验证了所提次同步抑制策略的有效性及其参数解析计算的正确性。

一种海上风电场柔直送出线单端保护方案

远海、大容量的海上风电场需要通过高压柔性直流系统并入大陆交流主网,柔直线路运行于海底,故障率高,需要配置快速、可靠的直流线路保护。目前,已实际应用于柔直工程的单端行波保护的暂态量幅值在高阻故障场景下会明显降低,其保护性能有进一步提升的空间。故障行波在传播过程中经过限流电抗,行波幅值变化受到抑制导致行波波形具有平滑特征,而区内故障下故障行波波形较曲折,突变明显。根据此特征,本文提出一种基于主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)的柔性直流线路单端保护方法,经仿真实验表明,该保护方法具有较好的耐过渡电阻及抗干扰能力。