雙饋風(fēng)電場的電網(wǎng)不對稱故障穿越問題研究

以提高電網(wǎng)不對稱故障下雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越（LVRT）能力為目標(biāo)，項目取得了以下成果：（1）給出了典型的不對稱電網(wǎng)電壓的幅值和相位特征；分析了電網(wǎng)電壓不對稱跌落時雙饋型（DFIG）風(fēng)電機(jī)組模型、安全運(yùn)行的約束條件及其控制要點(diǎn)，提出了DFIG機(jī)組正序無功電流輸出能力的分析方法并給出了量化指標(biāo)；（2）改進(jìn)了用于電網(wǎng)電壓不對稱故障檢測的數(shù)字鎖相環(huán)子系統(tǒng)，提出了一種基于新并網(wǎng)導(dǎo)則草案的DFIG機(jī)組正負(fù)序有功、無功電流的控制方法；（3）提出了配置于DFIG風(fēng)電場的靜止無功發(fā)生器（STATCOM）容量配置方法及其不對稱LVRT控制策略；（4）作為增加內(nèi)容，分析了風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越能力，并提出了改進(jìn)的控制策略。 2100433B

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，同時為DFIG的LVRT控制策略的設(shè)計奠定基礎(chǔ)；（2）基于最優(yōu)控制等理論，設(shè)計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。

“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，稱之為雙饋異步發(fā)電機(jī)；反之作為電動機(jī)時，則稱為雙饋異步電動機(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。

低壓穿越（LVRT）問題是基于雙饋發(fā)電機(jī)（DFIG）的遠(yuǎn)距離大型風(fēng)電場目前亟待解決的并網(wǎng)關(guān)鍵問題。本項目主要從DFIG單機(jī)系統(tǒng)和DFIG風(fēng)電場這兩個層面對該問題進(jìn)行了深入研究，主要研究成果為以下內(nèi)容。 （1）為改善DFIG單機(jī)系統(tǒng)的LVRT，研制了一種用于系統(tǒng)LVRT實驗的低壓跌落發(fā)生器；設(shè)計了一種基于磁鏈跟蹤的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器LVRT控制策略；評估了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和crowbar電路的LVRT能力，提出一種轉(zhuǎn)子crowbar設(shè)計方法；設(shè)計了一種可以用于提高DFIG的LVRT能力的雙向級聯(lián)式升降壓變流器； （2）為改善遠(yuǎn)距離風(fēng)電場的DFIG風(fēng)電場的LVRT，提出一種“雙饋風(fēng)電場--混合型高壓直流輸電系統(tǒng)”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，并設(shè)計了正常條件下以及電網(wǎng)故障時系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略。對一般風(fēng)電場，設(shè)計了一種可以用于提高LVRT能力和調(diào)節(jié)瞬態(tài)有功、無功的級聯(lián)式功率裝置，提出一種基于負(fù)序電壓注入的直流母線電壓平衡控制策略。 實驗表明，上述研究成果的集成，將明顯提高遠(yuǎn)距離大型DFIG風(fēng)電場的LVRT能力。

對基于雙饋發(fā)電機(jī)(DFIG)的大型風(fēng)電場，其低電壓穿越(LVRT)問題目前尚未得到很好地解決；同時隨著遠(yuǎn)距離大型風(fēng)電場的高壓直流(HVDC)并網(wǎng)技術(shù)的興起，DFIG風(fēng)電場的LVRT問題也呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)。項目將針對這兩方面問題展開研究：(1)項目從DFIG單機(jī)系統(tǒng)的LVRT問題出發(fā)，將其歸結(jié)為一類非線性系統(tǒng)的動態(tài)控制問題。據(jù)此項目將提出新的控制方法并完成系統(tǒng)拓?fù)渑c相應(yīng)控制器設(shè)計，然后通過仿真與實驗進(jìn)行驗證；(2)應(yīng)用單機(jī)系統(tǒng)研究成果，對DFIG風(fēng)電場-混合型HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的LVRT問題進(jìn)行研究。項目將首先建立系統(tǒng)動態(tài)模型，然后針對不同位置發(fā)生的故障，分別研究系統(tǒng)總體協(xié)調(diào)控制策略以及各變流器的具體控制方案，最后進(jìn)行仿真驗證。通過研究，可以提高大型風(fēng)電場的并網(wǎng)可靠性，拓展多變量復(fù)雜非線性系統(tǒng)的建模與控制方法，也將有利于我國取得大型遠(yuǎn)距離風(fēng)電場的HVDC并網(wǎng)技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)。