双馈风电场的电网不对称故障穿越问题研究

以提高电网不对称故障下双馈型风力发电系统的低压穿越（LVRT）能力为目标，项目取得了以下成果：（1）给出了典型的不对称电网电压的幅值和相位特征；分析了电网电压不对称跌落时双馈型（DFIG）风电机组模型、安全运行的约束条件及其控制要点，提出了DFIG机组正序无功电流输出能力的分析方法并给出了量化指标；（2）改进了用于电网电压不对称故障检测的数字锁相环子系统，提出了一种基于新并网导则草案的DFIG机组正负序有功、无功电流的控制方法；（3）提出了配置于DFIG风电场的静止无功发生器（STATCOM）容量配置方法及其不对称LVRT控制策略；（4）作为增加内容，分析了风电并网发电系统的高电压穿越能力，并提出了改进的控制策略。 2100433B

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。

“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。

低压穿越（LVRT）问题是基于双馈发电机（DFIG）的远距离大型风电场目前亟待解决的并网关键问题。本项目主要从DFIG单机系统和DFIG风电场这两个层面对该问题进行了深入研究，主要研究成果为以下内容。 （1）为改善DFIG单机系统的LVRT，研制了一种用于系统LVRT实验的低压跌落发生器；设计了一种基于磁链跟踪的转子侧变流器LVRT控制策略；评估了转子侧变流器和crowbar电路的LVRT能力，提出一种转子crowbar设计方法；设计了一种可以用于提高DFIG的LVRT能力的双向级联式升降压变流器； （2）为改善远距离风电场的DFIG风电场的LVRT，提出一种“双馈风电场--混合型高压直流输电系统”的拓扑结构，对系统进行建模分析，并设计了正常条件下以及电网故障时系统的协调控制策略。对一般风电场，设计了一种可以用于提高LVRT能力和调节瞬态有功、无功的级联式功率装置，提出一种基于负序电压注入的直流母线电压平衡控制策略。 实验表明，上述研究成果的集成，将明显提高远距离大型DFIG风电场的LVRT能力。

对基于双馈发电机(DFIG)的大型风电场，其低电压穿越(LVRT)问题目前尚未得到很好地解决；同时随着远距离大型风电场的高压直流(HVDC)并网技术的兴起，DFIG风电场的LVRT问题也呈现出一些新的特点。项目将针对这两方面问题展开研究：(1)项目从DFIG单机系统的LVRT问题出发，将其归结为一类非线性系统的动态控制问题。据此项目将提出新的控制方法并完成系统拓扑与相应控制器设计，然后通过仿真与实验进行验证；(2)应用单机系统研究成果，对DFIG风电场-混合型HVDC并网系统的LVRT问题进行研究。项目将首先建立系统动态模型，然后针对不同位置发生的故障，分别研究系统总体协调控制策略以及各变流器的具体控制方案，最后进行仿真验证。通过研究，可以提高大型风电场的并网可靠性，拓展多变量复杂非线性系统的建模与控制方法，也将有利于我国取得大型远距离风电场的HVDC并网技术的自主知识产权。