电网电压对称跌落时双馈风力发电系统的暂态分析与控制

通过对电网对称跌落时双馈电机内部电磁过渡过程的分析,推导出了双馈电机在电网故障情况下定子磁链、转子电压的数学表达式。提出了一种分段控制策略,把故障分为2个阶段,第1阶段采用主动Crow bar保护,使定子磁链和转子电压快速衰减;第2阶段恢复变换器的励磁控制,注入退磁电流和无功电流,有效地实现了双馈电机的故障穿越。分段控制策略缩短了Crowbar保护时间,有助于电网的快速恢复。仿真结果证实了所提出控制策略的有效性与正确性。

电压源型并网变流器的机–网电气振荡机理及稳定判据研究

电压源型变流器广泛地应用于可再生能源发电的并网与接入。随着可再生能源在电网中的比重不断增加,并网变流器在实际电网接入及运行中出现一系列不稳定现象,如次同步振荡和谐波振荡等。因此,揭示其内在作用机理,并提出有效的解决方法是电力系统应对电力电子化冲击的关键。为此,该文对电压源型并网变流器与电网所构成的"机–网系统"的小干扰稳定问题展开深入研究。建立了"机–网系统"的机理模型;给出了"机–网系统"RLC电路等效,并利用频域相量法从阻尼特性的角度揭示了"机–网系统"产生振荡的机理;随后,解析的推导出"机–网系统"固有谐振点频率以及临界稳定判据的表达式;最后在PSCAD/EMTDC以及RTDS硬件在环实时仿真平台上搭建"机–网系统"详细模型,验证了机理分析以及小干扰失稳解析判据的正确性。

风-燃互补联合发电系统的控制策略及应用研究

为解决区域电网绿色能源的平稳外送问题,提出由燃气-蒸汽联合循环机组与区域内多个风电场共同组成风-燃互补联合发电系统的控制方案。首先建立考虑转速控制、温度控制和燃料控制等的燃机综合模型,由动态响应曲线可知其响应时间短、调节速度快,具备补偿风功率波动的能力。在此基础上提出风-燃互补的双层复合控制策略,计划调度层通过风功率预测得到燃机基准功率,实时优化层综合考虑机组耐用度和控制效果,实时补偿风功率波动和频率偏差,从而使联络线功率按计划运行并维持系统频率稳定。最后,以中国某海岛电网为应用案例搭建RTDS全岛仿真平台,验证所提控制策略的有效性。

具有储能功能的链式STATCOM研究

针对具有储能功能的无功补偿器BS-STATCOM(STATCOM with battery energy storge system),讨论了其拓扑演化过程与系统集成特点,研究了其有功无功耦合问题,并分析了采用类STATCOM控制策略存在的问题。提出一种基于bangbang原理的新型控制策略,并对比分析,结果表明所提出的基于bangbang原理的新型控制策略能够有效地改善功率控制性能,扩大有功输出的范围。基于MATALB/Simulink构建了2 Mvar的BS-STATCOM仿真分析平台,分别对两种控制策略进行了仿真分析,验证了理论分析的正确性。

提高风电机组发电量的转矩–变桨协调控制策略

变速恒频风电机组由于受到变速范围及变速动态响应时间的限制,无法保持以最佳叶尖速比运行。推导出了最优桨距角随叶尖速比偏离程度变化的规律,并提出一种额定风速以下的转矩–变桨协调控制策略,当机组偏离最佳叶尖速比时,使机组工作在局部最优点上,从而提升发电量。同时,针对桨叶安装角误差对发电量及协调控制的影响问题,提出一种全局最优桨距角自寻优算法;针对有效风速难以直接获取的问题,提出了一种带动态补偿的多模式有效风速观测方法。基于RTDS和Bladed联合仿真平台,验证了转矩–变桨协调控制策略的有效性;并以实测风速进行长时间仿真和评估。结果表明所提出的方法可有效提升机组发电量。

提高大型风电机组恒转速段发电量的变桨策略

常规认为的额定风速以下的恒定最优桨距角在机组恒转速段并不一定是最优的。恒转速段的最大功率跟踪问题等同于特定转速下的气动转矩最大化问题,以提高发电量为目标分析了在两个恒转速段内切向力系数及法向力系数与桨距角的定性关系。分析表明,在恒最低转速段通过合理地正调桨距角可以提升切向力系数并提高发电量,且可减轻轴向推力等载荷;在恒最高转速段通过合理地负调桨距角可以提升切向力系数并提高发电量,但会增大轴向推力载荷;在两个恒转速段内特定风速下均存在其对应的最优桨距角,且最优桨距角随风速单调变化。针对最优桨距角难以直接量化的问题,根据定性分析结果推断出最优桨距角的合理表达式,并给出了表达式中参数的离线辨识方法。最后采用专业软件Bladed中的商用机组实际参数模型,从稳态和动态两方面对恒转速区提高发电量的变桨策略进行了验证,仿真结果很好地证明了分析的正确性,从而更好地指导机组提高发电量。

大型风机变桨距控制系统的研究

根据变桨执行机构不同,分析了液压变桨距系统和电动变桨距系统。从结构、原理、控制器设计等方面对两种变桨系统进行研究,并分别利用SimHydraulics和Simulink建模,仿真结果验证了建模和系统设计的正确性,直观反映了变桨距控制系统的动态特性,为大型风电机组的全工况仿真奠定基础。变桨距系统的控制器设计,为大型风电机组的研制提供有力的理论支持,为实际风场中变桨距控制系统提供参考依据。

基于RTDS风光储微网协调控制仿真研究

风能和太阳能作为清洁的可再生能源,具有很大的发展潜力。电池储能系统技术的更新,使得引入规模化、集成化的电池储能系统,构建风光储联合发电系统的开发利用越来越受到人们重视。文章介绍了风光储微网系统中各分布式发电系统(DG)的结构、系统特点及基本原理,利用实时数字仿真仪(RTDS)搭建了风光储微网的仿真模型,并验证了该微网系统的稳态并网试验,并设计了基于低通滤波器算法的风光储协调控制策略,从而提高风光储联合发电系统功率输出的平滑性和可调度性。

链式储能变流器在电网不平衡时的控制研究

链式电池储能变流器接入不平衡电网时,为了控制网侧各相电流对称,变流器各相储能电池簇与电网交换的有功功率不相等,这会造成储能系统各相储能电池簇荷电状态不均衡。研究了链式储能变流器在电网电压不平衡时的控制策略和采用零序电压注入的各相电池簇荷电状态均衡控制方法。通过仿真验证了控制策略的有效性。

海上风电变流器研究现状与展望

海上风电投资成本高、风险大,为提高其经济性,海上风电机组向超大容量化快速发展。全功率变换风电机组成为海上机组的主流,该机组要求变流器的容量与机组容量相匹配,同时对其运行效率、可靠性和可用度提出了更高的要求。采用两电平或三电平变换器并联组成的变流器是海上风电变流器的主流结构,对并联变流系统的优化运行、容错和重构控制可有效提升其效率和可用度,对风电变流器控制的改进也可以使机组主动参与电网频率响应。针对海上风电变流器运行效率和可用度提升技术、风电高比例并网和平价上网的技术需求,综合评述其研究现状和技术趋势。

基于大容量链式储能系统的DAB移相控制研究

针对大容量链式储能变换器中双有源桥(DAB)移相控制,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)+数字信号处理器(DSP)的双有源桥(DAB)全数字移相控制实现方法。DAB通过隔离变压器漏感储存能量,并通过控制变压器初次级电压相位差来实现能量双向传递。此数字移相实现方法简单且使变压器电压、电流正负半波面积相等,提高了变压器精确性。最后设计了1 kW,20 kHz的DAB样机来验证该方案并得出实验波形。

单相多线圈中频变压器DC/DC控制方法研究

多端直流电网是未来分布式输配电网的关键技术,不同电压等级的直流电网通过中频变压器隔离互联。目前变压器采用多电平移相控制技术因触发不同步存在器件发热不均衡、可靠性不稳定等问题。针对现有技术缺陷,提出了一种单相多线圈中频变压器级联式DC/DC控制方法,拓扑结构主要包括控制器、滤波电感和多线圈变压器。将单相变压器的每一绕组拆分为多个线圈,再将每个线圈的半桥控制模块串联,这样可以有效改善功率器件电压和电流的应力,实现电容电压自动均衡。MATLAB/Simulink仿真结果表明所设计的拓扑结构和控制方法是可行的。

海上风电场经MMC-HVDC并网的阻抗建模及稳定性分析

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)已成为大规模、远距离海上风电场并网的理想解决方案。但是由于MMC自身结构特点,当MMC-HVDC接入风电场时有可能发生振荡或不稳定现象。该文建立MMC的交流侧小信号阻抗模型,根据最小阻抗环增益的奈奎斯特(Nyquist)稳定性判据判断互联系统的稳定性,并预测系统潜在的谐振频率及稳定裕度。研究结果表明,适当的环流控制能够显著改善MMC的稳定性。基于Matlab/Simulink建立了21电平MMC及风电场的详细时域仿真模型,仿真结果和实际工程现场录波验证了理论分析的正确性。

具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法

随着风电的高比例并网以及大型风电机组的分散接入,电网对风电不再具备强电气支撑作用,进而引发一系列并网稳定问题,如谐波振荡、次同步振荡和低频振荡等,这是由于风电变流器所采用的电流矢量解耦控制需要电网提供强电压支撑才能稳定控制电流所致,弱网下难以稳定。此外,风电并入弱网还需具备一定的自主组网与电网支撑能力,如自主惯量响应等。为此,该文围绕弱网稳定运行与自主电网同步两个核心问题提出了一种双馈风电机组的新型控制方法。具体地,机侧变流器采用基于转子磁链自定向的虚拟同步控制方法;对网侧变流器提出一种新型的惯性同步控制方法,依据动力学系统相似性原理,利用直流母线电压固有动态直接实现网侧变流器的无锁相环电网同步控制,该方法较虚拟同步控制模型阶数更低且更易稳定。经以上控制后,双馈风电机组的定子侧和转子侧外特性分别等效为2台同步机。在PSCAD/EMTDC仿真软件中构建2MW双馈风电机组暂态模型,详细分析了该控制下双馈风电机组的启动、柔性并网过程、自主惯量响应以及最大风能捕获等相关特性,仿真结果表明提出的控制方法具有较好的弱网稳定运行与发电特性。

电网故障下风电机组轴系扭振抑制方法

通过全面分析不同故障类型和不同运行状态的双馈风力发电机电磁转矩特性以及由此激发的轴系扭振,得出了轴系关键参数对扭振的影响。分析结果表明,从降低模态耦合度的角度考虑的轴系参数配置方案对于抑制电网故障下的扭振无法取得显著成效,应当从削弱故障及恢复时刻转矩过冲和增加阻尼入手。随后提出了一种基于扭转角速度并通过附加电磁转矩实现的传动轴阻尼虚拟配置方法,针对扭转角速度可能难以获取的问题,在此基础上提出了与之等效的基于发电机转速的传动轴阻尼虚拟配置方法,通过大量PSCAD仿真验证了虚拟配置参数的一些特性以及2种参数虚拟配置方法的有效性。

并联型储能系统孤网运行协调控制策略

储能系统为含波动性可再生能源、负荷扰动大的孤网系统实现系统稳定提供了一种有效的方法。通过多个子储能系统的并联可提高储能系统的容量,即并联型储能系统。分析了并联型储能系统工作原理,根据电池系统工作特性并结合传统下垂控制,提出了基于电池荷电状态的负荷分配控制策略,即外环功率协调控制。同时,考虑到下垂控制存在固有静态误差、中低压电网线路阻抗不完全为纯感性等因素,提出了含线性补偿环的电压幅值-频率控制策略,即内环电压控制。仿真和实验结果表明,在不同带载情况下,该系统不仅能维持系统电压幅值和频率稳定、且能有效地分配负荷功率,进而提高电池均衡管理能力。

大幅减小子模块电容容值的MMC优化方法

减小子模块电容容值能够降低模块化多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）的成本、体积和重量,具有重要的工程意义。该文首先建立半桥、全桥和混合MMC的子模块电容电压波动统一模型,揭示出基频和2倍频波动是主要分量。在此基础上,提出一种结合2倍频环流和3倍频共模电压注入及优化调制比来减小子模块电容电压波动的方法。以混合MMC为例,结合其运行的约束条件对调制比、子模块数量、控制策略和子模块容值选取进行优化设计。所提优化方法能够将子模块电容容值减小为常规的约1/3,同时降低换流器通态损耗并保留直流短路故障处理能力。仿真结果验证了理论分析的正确性和所提优化方法的有效性。

高压直挂储能功率变换技术与世界首例应用

从拓扑、控制、设计、实验验证到工程应用,全面论证与评估无变压器直挂电网的链式储能功率变换关键技术问题。提出应对电网电压不平衡、模块故障以及相间电池组均衡的统一零序电压算法及综合集成控制策略,探讨模块间共模电流抑制及电池侧二次脉动电流的平抑问题,研发3相、每相20链节的低压模拟样机,对控制策略进行了全面验证。提出链式储能功率变换系统的优化设计方法,设计并研发了10kV/2MW/2MW×h的大容量链式储能功率变换系统,在国家863计划的支持下,于2014年在深圳宝清储能电站进行了世界首例工程示范应用,目前已经安全运行4年,积累了丰富的运行数据与经验,为链式储能功率变换技术的推广应用奠定了基础。

全功率变换风电机组的暂态稳定性分析

在高比例风电接入背景下,风电作为电源其稳定性问题一直被受重视。根据受扰大小,稳定性对于全功率变换风电机组(简称"全功率机组")而言可分为静态稳定和暂态稳定,该文主要对全功率机组的暂态稳定问题进行详细探讨。为便于阐述其暂态失稳机理,首先依据多时间尺度模型简化原理,建立暂态稳定分析时间尺度下的全功率机组降阶模型;利用等面积法,揭示全功率机组暂态失稳的本质:锁相环频率失稳;并定量地分析锁相环带宽、故障点的端口特性及电网短路比等因素对全功率机组暂态稳定裕度的影响;最后,在PSCAD/EMTDC软件上搭建全功率机组并网系统详细模型,验证结论的正确性。研究结论对风电变流器锁相环的参数设计、风场并网线路继电保护的整定有一定帮助。

不对称交流电网下MMC-HVDC系统的控制策略

在MMC-HVDC系统中,交流电网不对称会导致MMC换流器交流侧电流不平衡、直流侧出现较大的2倍频电流和电压波动等问题。为解决这些问题,该文建立不对称交流电网下MMC-HVDC系统的数学模型,提出一种带有前馈补偿的交流电流、桥臂环流和直流电流的解耦控制策略及子模块电容电压和直流电压的平衡控制策略,避免了由交流电网不对称引起的功率振荡传播到直流系统,抑制了直流侧电流和电压波动,使得MMC在交、直流系统间起到了＂防火墙＂的作用。同时,改善了换流器直流侧电流、交流侧电流、子模块电容电压和直流电压控制的暂态性能。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。