深度故障下双馈风电机组无Crowbar保护的可控LVRT技术研究

双馈风电机组由于自身结构特点，其低电压穿越问题较为严重。目前常用的解决方案是采用撬棒（Crowbar）电路，，但是该方案存在着机组失去可控性和吸收无功电流等缺陷，难以适应未来日益严格的风电并网标准。为此，本项目开展了双馈风电机组无Crowbar保护的低电压穿越控制技术的研究。主要研究内容包括：1）计及网络和运行工况的暂态模型和暂态行为；2）深度故障下无Crowbar低电压穿越的运行机理；3）深度故障下无Crowbar低电压穿越控制策略；4）适应于深度故障下暂态电流跟踪控制方法；5）无Crowbar低电压穿越运行极限；6）贯穿整个故障过程的多目标协同优化控制方案。 项目组针对上述研究目标，提出了一种基于时域模型的一般化分析方法，揭示了实现双馈风电机组无Crowbar低电压穿越的运行机理；提出了一种基于转子侧端口阻抗特性的低电压穿越控制策略分析方法，揭示了现有LVRT控制方法的本质异同和性能差异；提出了一种反向电流跟踪的低电压穿越控制方法，解决了现有LVRT方法均需定子/转子磁链观测的难题；提出了一种基于恒定电感模拟的低电压穿越控制方法，解决了如何协调控制转子电压和电流的难题；提出了一种基于动态电感模拟的低电压穿越控制方法，实现了最大程度地加快暂态过渡过程的结束；提出了一种基于电流指令前馈的暂态电流跟踪控制方法，解决了现有方法具有设计复杂和动态响应差的缺陷；提出了一种基于励磁控制的低电压穿越评估方法，解决了现有方法需依赖仿真和数值计算软件的难题；提出了一种贯穿整个低电压穿越过程多目标协同优化控制方法，在兼顾容量约束和并网标准的前提下实现了整个过程的优化控制。 结合本项目的研究，培养了博士生3名和硕士生7名，发表了SCI论文7篇（含IEEE期刊论文5篇）和EI论文8篇，申请了国家发明专利5项（含授权4项），获全国博士后创新人才支持计划1人次。并且研究结果对优化风电变流器的控制策略具有工程指导意义。

目前，商用DFIG普遍采用带Crowbar保护的LVRT方案，但其固有不可控特性将难以适应未来更高技术标准的并网规范。本项目拟开展电网深度故障下无Crowbar保护的DFIG励磁控制LVRT方案的机理及其实现技术研究，主要涉及有限变流器容量下不脱网可控运行的LVRT物理极限、贯穿整个故障期间的励磁控制目标自动优化算法及控制技术两大方面。具体内容包括：构建包括输变电网络和转子侧工况在内的DFIG机组暂态特性分析模型；研究DFIG电磁暂态时间尺度与并网规范中动态无功支撑响应时间的矛盾及解决方案；有限变流器电压电流容量约束下的DFIG励磁控制LVRT物理极限及其对应控制策略；考虑变流器容量约束和外端口性能要求的控制指令动态优化方案。相比现有的LVRT方案，研究成果可提供一套经济性、技术性能更优的替代方案，特别是响应并网规范中的快速动态无功支撑要求，并为DFIG的可控LVRT技术标准提供理论参考。

“注意，“Fed”并不确指电能的交换方向（输出还是输入），所以，双馈既有双馈发电机，亦有双馈电动机。对于绕线转子的异步电机，除了定子必然和电源相联之外，转子也可以和电源相联，于是，当电机作为发电机时，称之为双馈异步发电机；反之作为电动机时，则称为双馈异步电动机，而只有一端和电源相联的普通电机则属于“单馈”。

还要指出，双馈发电或双馈电动均属于和外部电源的电能交换，因此，双馈（Double Fed）以及串级（Cascade Control）都应归属于外馈。

《双馈风电机组建模/新能源科技译丛》共八章，第一章介绍了建模的概况及编制目的；第二章讲述了风电机组动态模拟的气动模型；第三章分析了风电机组主要机型组件建模必要的精细程度；第四章介绍了初级涡轮机控制建模必要的关键概念；第五章介绍了双馈发电机系统（DFG）风电机组和全功率变流器系统（FSC）风电机组的发电机和变流器模型；第六章阐述了风电厂无功功率电压控制系统设计；第七章是本书总结部分，同时介绍了针对推荐模型和无功功率/电压控制结构的应用前景。

目前，并网导则对于风电场在电网不对称故障下的低压穿越（LVRT）要求还不完善；对于双馈型发电系统（DFIG），在电网不对称故障下，其LVRT控制问题也未得到有效地解决。本课题将基于上述背景展开以下研究：（1）研究真实的电网故障特性，并定量分析典型故障下DFIG转子侧变流器正负序电流的控制能力，从而为相关并网导则的制定提供参考，同时为DFIG的LVRT控制策略的设计奠定基础；（2）基于最优控制等理论，设计DFIG的转子侧变流器和网侧变流器的协调控制策略，提高单机系统在不对称电网故障下的LVRT能力；（3）针对DFIG风电场，通过配备一定容量的静态无功发生器（SVG），并研究相应的SVG电压补偿策略，以提高风电场的不对称LVRT能力。通过本课题的研究，必将提高大型DFIG风电场的安全稳定运行能力，同时对我国风电并网导则的进一步完善也有十分重要的意义。