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虚拟同步发电机低电压穿越控制策略及故障特性研究

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虚拟同步发电机低电压穿越控制策略及故障特性研究

作者：王子鸣华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着国家“双碳”目标的提出,以光伏、风电为代表的新能源发电技术近年来得到了迅速发展,换流器等电力电子并网设备也随之不断扩大应用规模,导致以发电机为主要惯量支撑与阻尼来源的传统电力系统结构与性质发生了巨大变化,使之逐渐呈现... 详细信息

随着国家“双碳”目标的提出,以光伏、风电为代表的新能源发电技术近年来得到了迅速发展,换流器等电力电子并网设备也随之不断扩大应用规模,导致以发电机为主要惯量支撑与阻尼来源的传统电力系统结构与性质发生了巨大变化,使之逐渐呈现出“低惯量”、“弱阻尼”等特征,电网的稳定性与安全性正在受到严重威胁。针对这一问题,国内外学者提出虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator,VSG)控制技术,并将该技术应用于逆变器的控制中,使得逆变器表现出与同步发电机相似的外特性,相较于传统跟网型控制,VSG可显著提高“双高”电网的运行稳定性。而现有研究表明,VSG没有传统同步机的强耐过流能力,且故障的基本特性及故障影响因素也并不明确,因此亟需针对VSG在电网发生短路故障时的相关问题展开进一步研究。首先,论文介绍了虚拟同步发电机的基本并网结构,包括控制系统结构及并网物理系统;在VSG模型基础的基础上,针对电网发生短路故障时,VSG并网点电压幅值与相位跳变导致逆变器过流等问题,本文通过对VSG电压幅值基准值的切换和参考相位角的补偿,实现过流抑制及功率快速输出,并分析了在故障恢复期间所提低电压穿控制方案的适用性。进一步,本文提出了低电压穿越控制的快投慢退策略,使得低电压穿越控制在故障恢复后可以顺利退出,VSG恢复正常控制模式。其次,论文提出了电网发生对称短路时VSG故障电流的计算步骤,并得到故障电流的解析表达。即先根据VSG的电路方程和各环节的控制方程,构建虚拟内电势与故障电流的基本关系方程;再通过联立无功电压电路方程和无功电压控制方程得到虚拟内电势的表达式;最后,将虚拟内电势表达式带入其与故障电流的关系方程中,进而得到故障电流的解析表达式。最后,通过仿真验证了故障电流解析表达的正确性。最后,论文在故障电流解析表达的基础上,通过两相旋转坐标系与三相静止坐标系的转换关系,对VSG三相故障电流的基本分量进行了详细阐述;同时,在故障电流解析表达进行合理简化的基础之上,对于故障参数及控制参数对故障特性的影响进行了详细分析。

关键词：虚拟同步发电机低电压穿越控制短路电流解析故障特性影响因素分析

高比例电力电子电力系统过电压(二):交流对称故障下暂时工频过电压机理

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中国电机工程学报 2024年第5期44卷 1701-1711,I0003页

作者：徐式蕴孙华东王姝彦王晶毕经天中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192 国家电力调度控制中心北京市西城区100052

随着新能源等电力电子设备占比的不断提升,故障扰动后引发的系统暂时工频过电压问题日渐凸显,严重时易引发新能源大规模脱网,威胁电网安全稳定运行。新能源发电设备的故障穿越特性直接影响过电压水平,亟需进行机理分析。该文首先分析交... 详细信息

随着新能源等电力电子设备占比的不断提升,故障扰动后引发的系统暂时工频过电压问题日渐凸显,严重时易引发新能源大规模脱网,威胁电网安全稳定运行。新能源发电设备的故障穿越特性直接影响过电压水平,亟需进行机理分析。该文首先分析交流对称故障下高比例电力电子电力系统过电压的引发原因,建立计及新能源故障穿越特性的过电压简化分析模型,并基于矢量关系解析三相短路故障后新能源机端过电压最大值;然后分析不同故障穿越策略和系统参数对新能源机端电压最大值的影响;提出防止新能源大规模脱网的故障穿越等效无功电流系数的取值区间,进一步综合考虑新能源故障期间的无功支撑要求和故障清除后的电压安全约束,分析不同系统强度下等效无功电流系数的合理取值区间;最后通过时域仿真验证理论分析的有效性。

关键词：高比例电力电子电力系统暂时工频过电压机理分析低电压穿越控制

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双馈风力发电机低电压穿越控制策略量化评价

电力系统自动化 2018年第21期42卷 28-35页

作者：邓三星张雪敏刘辉陈来军清华大学电机工程与应用电子技术系北京市100084 国网冀北电力有限公司电力科学研究院北京市100045

近年来风电发展迅速,低电压穿越(LVRT)能力是衡量其暂态运行能力的关键指标。已有学者对提高双馈风力发电机(DFIG)的LVRT能力进行了大量研究,然而针对不同的LVRT控制策略缺乏定量的评价标准。针对DFIG,利用局部输入—输出稳定理论,以外... 详细信息

近年来风电发展迅速,低电压穿越(LVRT)能力是衡量其暂态运行能力的关键指标。已有学者对提高双馈风力发电机(DFIG)的LVRT能力进行了大量研究,然而针对不同的LVRT控制策略缺乏定量的评价标准。针对DFIG,利用局部输入—输出稳定理论,以外部电压变化为扰动,提出了DFIG的LVRT控制策略定量评价标准。首先,基于局部输入—输出稳定理论的积分—积分估计形式,结合DFIG实际运行要求以及不同控制策略在持续电压干扰下的响应,分析了各个控制策略的局部输入—输出稳定属性。然后,考虑到利用线性函数估计输入—输出增益保守性较大,采用了分段线性函数,并设计了相应算法。最后,基于量化的局部输入—输出稳定属性,提出了定量评价指标,分析了不同控制策略的优劣,并给出了具体改进方案。算例测试证实了改进方案能够在无附加硬件时,充分利用不同控制策略的优势。

关键词：双馈风力发电机局部输入—状态稳定局部输入—输出稳定积分—积分估计低电压穿越控制

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前端调速式风电机组低电压穿越控制研究

前端调速式风电机组低电压穿越控制研究

作者：魏占宏兰州交通大学

学位级别：硕士

国内外目前对双馈和直驱式风电系统低电压穿越的研究较多，但是对前端调速式风电系统低电压穿越特性的研究还不是很多。前端调速式风电机组因其具有一系列的优点，具有极大的发展潜力，是未来风电机组技术发展的新方向。因此，分析和研... 详细信息

国内外目前对双馈和直驱式风电系统低电压穿越的研究较多，但是对前端调速式风电系统低电压穿越特性的研究还不是很多。前端调速式风电机组因其具有一系列的优点，具有极大的发展潜力，是未来风电机组技术发展的新方向。因此，分析和研究前端调速式风电机组的低电压穿越特性和动态无功支持能力是亟须解决的热点问题。本文以前端调速式风电机组为研究对象，对前端调速式风电机组的低电压穿越控制策略以及不同故障不同电压跌落情况下机组的LVRT(Low Voltage Ride Through,低电压穿越)特性进行了研究，并通过仿真验证了控制策略的有效性。首先分析了前端调速式风电机组的运行理论，主要从四个方面来阐述，前端调速式风电机组基本原理、前端调速式风电机组数学模型、前端调速式风电机组效率及系统级建模方法。阐述了机组结构，分析了导叶调节机构调节原理，重点研究了前端调速式风电机组运行原理;在此基础上，针对研究问题建立了前端调速式风电机组主要组成部件的数学模型，推导了机组效率，讨论了系统级建模的方法。其次针对不同类型的电压跌落故障，采用了快速准确的低电压检测方法。对低电压持续时间的检测采用了基于自适应阈值信息熵的低电压持续时间检测和基于自适应阈值分形测度的低电压持续时间检测，并分别对这几种检测方法进行了仿真。然后针对前端调速式风电机组的特点，确定了机组的控制结构，在此基础上重点研究了前端调速式风电机组的低电压穿越控制，对故障期间如何发挥前端调速式风电机组的动态无功支持能力进行了探讨。前端调速式风电机组实现低电压穿越要从三个子系统出发，即针对变桨系统的变桨控制、液力变矩器的导叶控制及无刷电励磁同步发电机的励磁控制，这是解决前端调速式风电机组LVRT的三个方面。以上三方面都可以减小功率的不平度，变桨控制和导叶控制是减小原动机的输入机械功率，而无刷励磁控制则是增加发电机的电磁功率。针对不同的方面分别提出了基于灰色预测模型的具有LVRT功能的变桨控制、基于多种群遗传算法的液力速度控制系统的变论域模糊控制和基于灰色模型的无刷励磁系统的预测模糊PID控制。针对变桨和液力变矩都采用变论域模糊控制，利用多种群遗传算法优化伸缩因子的参数;对无刷励磁控制采用预测模糊PID控制，利用ICA(Imperialist Competitive Algorithm,帝国竞争算法)优化量化比例因子。对三个不同方面的具体控制策略和控制器的设计进行了详尽的阐述。电网故障下，前端调速式风电控制系统由正常运行状态控制模式切换为故障状态控制模式，风电系统主控以电压作为触发条件进行相应的操作。在此基础上提出了电网故障下前端调速式风电机组LVRT的协同控制策略，搭建了系统级仿真模型并对不同故障不同电压跌落情况下LVRT运行特性进行了仿真分析。仿真结果表明，所采用的控制策略可以较好地完成各个系统的控制目标，前端调速式风电机组可以适应不同故障不同电压跌落情况，具有良好的低电压穿越特性，满足风电场接入电力系统技术规定。仿真结果验证了上述控制策略的有效性。最后讨论了前端调速式风电机组风电场对电网的支持能力，从风电场并网等值模型详细推导了风电场的LVRT能力，即电网故障情况下风电场所能提供的无功。首先详细回顾了我国最新的风电场接入电力系统技术规定;其次，从风电场并网等值模型出发，采用机理分析，详细推导并量化了风电场并网点电压支持能力以及定性的分析了风电场对PCC(Point of Coupling Common,并网点)电压支持能力的约束条件;再次，在此基础上提出了前端调速式风电机组风电场的LVRT控制策略，即基于输出反馈的非线性励磁控制器和基于电压跌落幅值的减小有功功率的控制方法。基于前端调速式风电机组CA-2.0MW-WD的动态仿真模型对前端调速式风电机组风电场的暂态稳定性进行了仿真。仿真结果表明，前端调速式风电机组可以适应不同故障不同电压跌落情况，具有良好的低电压穿越特性，满足风电场接入电力系统技术规定。仿真结果表明了所提算法和控制策略的有效性。

关键词：前端调速式风电机组导叶可调式液力变矩器低电压穿越控制动态无功支持仿真研究

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具有低电压穿越能力的光伏发电系统仿真建模

电力系统及其自动化学报 2016年第10期28卷 67-73页

作者：魏承志刘幸蔚陈晓龙文安刘年黄维芳南方电网电力调度控制中心广州510623 南方电网科学研究院广州510080 天津大学智能电网教育部重点实验室天津300072

为满足最新国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定(GB 19964—2012)》对光伏发电系统低电压穿越能力的要求,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,本文介绍了具有低电压穿越能力的光伏发电系统仿真建模方法。通过设计卸荷电路,使直流侧电压能够... 详细信息

为满足最新国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定(GB 19964—2012)》对光伏发电系统低电压穿越能力的要求,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,本文介绍了具有低电压穿越能力的光伏发电系统仿真建模方法。通过设计卸荷电路,使直流侧电压能够在并网点电压跌落时,稳定在正常运行范围之内。同时,光伏发电系统能够根据电压跌落程度输出相应的无功功率。正常运行及故障情况下的仿真结果与实际光伏产品的调研结果对比表明,搭建的光伏发电系统模型能够准确地反映其实际特性,并具有较强的直观性与可调性。

关键词：光伏发电单元最大功率点跟踪控制并网逆变器控制低电压穿越控制仿真建模

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风电系统中低电压穿越控制研究

黑龙江科技信息 2014年第12期 65-65页

作者：刘述强黑龙江工程学院黑龙江哈尔滨150000

目前在我国电力行业发展的过程中,风电系统的运用有着十分重要的意义,这不仅有效的提高了资源的利用率,还满足了人们的用电需求。不过,从当前我国风电工程发展建设的实际情况来看,其风电系统在实际运用的过程中,还存在着许多的问题,这... 详细信息

目前在我国电力行业发展的过程中,风电系统的运用有着十分重要的意义,这不仅有效的提高了资源的利用率,还满足了人们的用电需求。不过,从当前我国风电工程发展建设的实际情况来看,其风电系统在实际运用的过程中,还存在着许多的问题,这就对风力发电有着严重的影响。因此为了保障风电系统的正常运行,人们就将低电压穿越控制技术应用到其中,以避免风电系统在运行过程中,出现故障问题。本文首先对低电压穿越控制系统的相关内容进行简要的介绍,其次讨论了低电压穿越控制系统在风电系统的实际应用,以供参考。

关键词：风电系统低电压穿越控制应用分析

基于STATCOM的DFIG风电机组低电压穿越策略研究

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电子制作 2019年第2期27卷 14-16,21页

作者：吴彦廷浙江省杭州学军中学紫金港校区浙江杭州310000

双馈异步风力发电机在并网时低电压穿越故障是近年来的研究热点,本文为了解决这个问题,开展了双馈异步风力发电机的无功功率分析和控制策略研究,以pcc点的电压稳定作为控制策略的出发点,通过研究pcc点电压的稳定作为低电压穿越的问题,采... 详细信息

双馈异步风力发电机在并网时低电压穿越故障是近年来的研究热点,本文为了解决这个问题,开展了双馈异步风力发电机的无功功率分析和控制策略研究,以pcc点的电压稳定作为控制策略的出发点,通过研究pcc点电压的稳定作为低电压穿越的问题,采用RSC正负电流指令算法来控制,此控制策略在尽可能保证RSC电流上下限的情况下,稳定并网要求。

关键词：双馈异步发电机组 DFIG 低电压穿越控制变流器

基于频域模型匹配的双馈风电场送出线路纵联保护方案

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中国电机工程学报 2023年

作者：马静耿若楠郝川钧新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)

针对风电场多机并网暂态模型难以准确解析导致的风场送出线路保护适应性问题，本文建立了双馈风电场多机并网频域等值模型，提出一种基于频域模型匹配值的双馈风电场纵联保护方案。首先，根据双馈风机故障下进入低电压穿越控制模式，推... 详细信息

针对风电场多机并网暂态模型难以准确解析导致的风场送出线路保护适应性问题，本文建立了双馈风电场多机并网频域等值模型，提出一种基于频域模型匹配值的双馈风电场纵联保护方案。首先，根据双馈风机故障下进入低电压穿越控制模式，推导得到双馈机组电流响应模型。在此基础上，考虑不同馈线阻感之间的耦合关系和锁相环相角偏移影响，建立双馈风电场多机并网频域等值模型。然后，根据送出线路故障网络分析区内外故障模型，定义频域模型匹配值，构造识别送出线路区内外故障的保护判据。最后，在RT-LAB平台搭建仿真模型进行验证，保护方案在送出线路不同位置发生经不同过渡电阻接地故障，均能快速准确切除区内故障。

关键词：双馈风电场短路电流低电压穿越控制纵联保护频域模型

弱电网下光伏系统与高效并联型无功补偿器的优化控制策略

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弱电网下光伏系统与高效并联型无功补偿器的优化控制策略

作者：彭星长沙理工大学

学位级别：硕士

能源转型与低碳发展是实现“双碳”目标的必由之路。电力系统作为能源枢纽,将在构建“清洁低碳、安全高效”能源体系与促进能源生产消费绿色低碳转型方面发挥重要作用。推动构建以新能源为主体的新型电力系统成为实现能源低碳化利用的... 详细信息

能源转型与低碳发展是实现“双碳”目标的必由之路。电力系统作为能源枢纽,将在构建“清洁低碳、安全高效”能源体系与促进能源生产消费绿色低碳转型方面发挥重要作用。推动构建以新能源为主体的新型电力系统成为实现能源低碳化利用的重要手段。光伏作为新能源电力发展的重要力量,近年来取得长足发展。然而,基于逆变器并网的光伏发电系统的广泛接入,给新一代电力系统的安全稳定运行带来了挑战。一方面,大量光伏集中在偏远地区,通过长距离输电线路外送,其线路阻抗较大,系统呈现低短路比特征,严重限制了光伏逆变器的有功功率传输容量;另一方面,受光照资源分布影响,光伏装机一般呈现出规模化、聚集化的特点,输电线路发生接地故障而产生的低电压传播范围更广,造成大量光伏逆变器进入低电压穿越状态。为保证光伏有效送出与其并网的稳定性,光伏逆变器极限输出功率提升与低电压故障穿越控制难题成为含高渗透率光伏电力系统亟需解决的关键问题。针对以上问题与需求,论文提出面向多场景的高效并联型无功补偿器(high-efficiencyshuntvarcompensator,HSVC),其不仅可以工作于电压调控模式,维持光伏并网点电压的静态稳定性,实现光伏功率的最大化传输;还可工作于低电压故障穿越模式,联合光伏逆变器,协同支撑电网电压,实现故障期间光伏发电系统的连续并网运行。所提高效并联型补偿器结构简易,控制灵活,功能集成,有效提高了装置的利用率与实用性。论文的创新点与主要工作如下:1)分析了高效并联型无功补偿器拓扑结构与工作原理。基于相量法,分析了 HSVC欠补偿、全补偿、过补偿三种模式下的电路工作原理;针对逆变器交流侧滤波电感、晶闸管控制投切电容(thyristor switched capacitor,TSC)、与直流侧电压等关键电路参数,提出了相应的设计方法;分别从输出电压大小、功率等级、成本等角度,对比探讨了HSVC与电感耦合式静止同步补偿器的差异性。仿真与实验结果均验证了所提拓扑的正确性与有效性。2)提出了 HSVC提升弱电网下光伏系统输电能力方法。将基于输出电流闭环控制的光伏逆变器与HSVC等效为受控电流源,建立了接入HSVC光伏系统的简化等效电路模型;基于系统模型,推导了光伏逆变器功率传输特性方程,分析了 HSVC无功补偿提升光伏逆变器极限输出功率的机理;针对HSVC系统TSC与逆变器的协调无功控制问题,提出了 HSVC协同混杂控制方法,包括:专家决策级TSC投切规则与无功智控级电压控制。仿真与实验结果均验证了 HSVC提高光伏逆变器极限输出功率的功能。3)提出了 HSVC与光伏逆变器联合低电压穿越控制策略。考虑电网故障下逆变器安全运行约束条件,分析了逆变器低电压穿越目标,主要包括:电压支撑、电流限幅与有功波动约束;以正序电压最大化支撑为首要控制目标并计及电网阻抗特性,推理光伏逆变器正序有功电流与HSVC正序无功电流的最佳控制关系;以负序电压最优抑制为次要控制目标,光伏逆变器最大允许电流为约束,推导其负序有功电流与无功电流的最佳控制关系;在此基础上,综合考虑有功功率波动与并网点相电压幅值约束,整定了相关电流控制的参考值。仿真与实验结果均验证了所提控制方法的正确性与有效性。论文从保障光伏系统发电功率有效送出与并网稳定性的实际需求出发,提出一种高效并联型补偿器,围绕所提HSVC拓扑结构、工作原理与其在提高光伏逆变器极限输出功率、提升光伏逆变器低电压穿越能力等方面的应用开展了系统性的研究工作。相关成果对于高渗透率光伏接入电网的功率最大化传输问题与低电压穿越控制问题的研究具有一定的借鉴与参考价值。

关键词：高效并联型无功补偿器光伏逆变器极限输出功率低电压穿越控制