深度故障下雙饋風(fēng)電機(jī)組無Crowbar保護(hù)的可控LVRT技術(shù)研究

雙饋風(fēng)電機(jī)組由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其低電壓穿越問題較為嚴(yán)重。目前常用的解決方案是采用撬棒（Crowbar）電路，，但是該方案存在著機(jī)組失去可控性和吸收無功電流等缺陷，難以適應(yīng)未來日益嚴(yán)格的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。為此，本項(xiàng)目開展了雙饋風(fēng)電機(jī)組無Crowbar保護(hù)的低電壓穿越控制技術(shù)的研究。主要研究內(nèi)容包括：1）計(jì)及網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行工況的暫態(tài)模型和暫態(tài)行為；2）深度故障下無Crowbar低電壓穿越的運(yùn)行機(jī)理；3）深度故障下無Crowbar低電壓穿越控制策略；4）適應(yīng)于深度故障下暫態(tài)電流跟蹤控制方法；5）無Crowbar低電壓穿越運(yùn)行極限；6）貫穿整個(gè)故障過程的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化控制方案。 項(xiàng)目組針對上述研究目標(biāo)，提出了一種基于時(shí)域模型的一般化分析方法，揭示了實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組無Crowbar低電壓穿越的運(yùn)行機(jī)理；提出了一種基于轉(zhuǎn)子側(cè)端口阻抗特性的低電壓穿越控制策略分析方法，揭示了現(xiàn)有LVRT控制方法的本質(zhì)異同和性能差異；提出了一種反向電流跟蹤的低電壓穿越控制方法，解決了現(xiàn)有LVRT方法均需定子/轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的難題；提出了一種基于恒定電感模擬的低電壓穿越控制方法，解決了如何協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)子電壓和電流的難題；提出了一種基于動(dòng)態(tài)電感模擬的低電壓穿越控制方法，實(shí)現(xiàn)了最大程度地加快暫態(tài)過渡過程的結(jié)束；提出了一種基于電流指令前饋的暫態(tài)電流跟蹤控制方法，解決了現(xiàn)有方法具有設(shè)計(jì)復(fù)雜和動(dòng)態(tài)響應(yīng)差的缺陷；提出了一種基于勵(lì)磁控制的低電壓穿越評估方法，解決了現(xiàn)有方法需依賴仿真和數(shù)值計(jì)算軟件的難題；提出了一種貫穿整個(gè)低電壓穿越過程多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化控制方法，在兼顧容量約束和并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的前提下實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過程的優(yōu)化控制。 結(jié)合本項(xiàng)目的研究，培養(yǎng)了博士生3名和碩士生7名，發(fā)表了SCI論文7篇（含IEEE期刊論文5篇）和EI論文8篇，申請了國家發(fā)明專利5項(xiàng)（含授權(quán)4項(xiàng)），獲全國博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃1人次。并且研究結(jié)果對優(yōu)化風(fēng)電變流器的控制策略具有工程指導(dǎo)意義。

目前，商用DFIG普遍采用帶Crowbar保護(hù)的LVRT方案，但其固有不可控特性將難以適應(yīng)未來更高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的并網(wǎng)規(guī)范。本項(xiàng)目擬開展電網(wǎng)深度故障下無Crowbar保護(hù)的DFIG勵(lì)磁控制LVRT方案的機(jī)理及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究，主要涉及有限變流器容量下不脫網(wǎng)可控運(yùn)行的LVRT物理極限、貫穿整個(gè)故障期間的勵(lì)磁控制目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化算法及控制技術(shù)兩大方面。具體內(nèi)容包括：構(gòu)建包括輸變電網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)子側(cè)工況在內(nèi)的DFIG機(jī)組暫態(tài)特性分析模型；研究DFIG電磁暫態(tài)時(shí)間尺度與并網(wǎng)規(guī)范中動(dòng)態(tài)無功支撐響應(yīng)時(shí)間的矛盾及解決方案；有限變流器電壓電流容量約束下的DFIG勵(lì)磁控制LVRT物理極限及其對應(yīng)控制策略；考慮變流器容量約束和外端口性能要求的控制指令動(dòng)態(tài)優(yōu)化方案。相比現(xiàn)有的LVRT方案，研究成果可提供一套經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性能更優(yōu)的替代方案，特別是響應(yīng)并網(wǎng)規(guī)范中的快速動(dòng)態(tài)無功支撐要求，并為DFIG的可控LVRT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供理論參考。

“注意，“Fed”并不確指電能的交換方向（輸出還是輸入），所以，雙饋既有雙饋發(fā)電機(jī)，亦有雙饋電動(dòng)機(jī)。對于繞線轉(zhuǎn)子的異步電機(jī)，除了定子必然和電源相聯(lián)之外，轉(zhuǎn)子也可以和電源相聯(lián)，于是，當(dāng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)時(shí)，稱之為雙饋異步發(fā)電機(jī)；反之作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，則稱為雙饋異步電動(dòng)機(jī)，而只有一端和電源相聯(lián)的普通電機(jī)則屬于“單饋”。

還要指出，雙饋發(fā)電或雙饋電動(dòng)均屬于和外部電源的電能交換，因此，雙饋（Double Fed）以及串級（Cascade Control）都應(yīng)歸屬于外饋。

《雙饋風(fēng)電機(jī)組建模/新能源科技譯叢》共八章，第一章介紹了建模的概況及編制目的；第二章講述了風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模擬的氣動(dòng)模型；第三章分析了風(fēng)電機(jī)組主要機(jī)型組件建模必要的精細(xì)程度；第四章介紹了初級渦輪機(jī)控制建模必要的關(guān)鍵概念；第五章介紹了雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（DFG）風(fēng)電機(jī)組和全功率變流器系統(tǒng)（FSC）風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)和變流器模型；第六章闡述了風(fēng)電廠無功功率電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第七章是本書總結(jié)部分，同時(shí)介紹了針對推薦模型和無功功率/電壓控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。

目前，并網(wǎng)導(dǎo)則對于風(fēng)電場在電網(wǎng)不對稱故障下的低壓穿越（LVRT）要求還不完善；對于雙饋型發(fā)電系統(tǒng)（DFIG），在電網(wǎng)不對稱故障下，其LVRT控制問題也未得到有效地解決。本課題將基于上述背景展開以下研究：（1）研究真實(shí)的電網(wǎng)故障特性，并定量分析典型故障下DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器正負(fù)序電流的控制能力，從而為相關(guān)并網(wǎng)導(dǎo)則的制定提供參考，同時(shí)為DFIG的LVRT控制策略的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；（2）基于最優(yōu)控制等理論，設(shè)計(jì)DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的協(xié)調(diào)控制策略，提高單機(jī)系統(tǒng)在不對稱電網(wǎng)故障下的LVRT能力；（3）針對DFIG風(fēng)電場，通過配備一定容量的靜態(tài)無功發(fā)生器（SVG），并研究相應(yīng)的SVG電壓補(bǔ)償策略，以提高風(fēng)電場的不對稱LVRT能力。通過本課題的研究，必將提高大型DFIG風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，同時(shí)對我國風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則的進(jìn)一步完善也有十分重要的意義。