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风电变流技术 功率模块 构网型GFM 低电压穿越LVRT ★ 5.0

增强短路电流能力的新功率模块对构网型风力发电机组低电压穿越性能带来的潜力与挑战

Potential and Challenges in LVRT for Grid-Forming Wind Turbines Brought by the Emergence of New Power Modules With Enhanced Short-Circuit Current

作者 Siying Xu · Han Wang · Dangsheng Zhou · Chen Zhang · Yu Zhang · Xu Cai
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年10月
技术分类 风电变流技术
技术标签 功率模块 构网型GFM 低电压穿越LVRT
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双馈感应发电机 低电压穿越 短路电流能力 电网形成控制策略 直流母线电压
语言:

中文摘要

提高变流器的短路电流能力可直接提升基于双馈感应发电机(DFIG)的风力发电机组(WTS)的低电压穿越(LVRT)性能。此前,这一方法受限于功率半导体模块和成本。材料和调制策略的最新进展极大地提升了它们的短期过流能力(在 3 秒内可达 3.0 标幺值),而风力发电机组的总成本仅增加约 3.3%。这一进展使得有必要评估其在基于电网支撑型风力发电机组的低电压穿越实际应用中的潜力和挑战。首先,提出了基于双馈感应发电机的风力发电机组在对称电网故障下的电网支撑型控制策略,并建立了暂态模型。其次,从可控区域、功率支撑能力和暂态稳定裕度等方面对风力发电机组的新边界进行了定量研究。与以往相比,增强型功率模块使风力发电机组在不启动撬棒电路的情况下能更好地支撑电压并扩大稳定运行区域。第三,研究了双馈感应发电机在低电压穿越期间以亚同步速度运行时直流母线电压下降和波动的问题。结果表明,降低转子侧变流器电流环的比例系数并将网侧变流器切换至有功功率优先模式可以解决该问题。最后,通过实时仿真和实验结果验证了理论研究结果。

English Abstract

Improving the short-circuit current capability of converters can directly enhance the low-voltage ride-through (LVRT) performance of doubly-fed induction generator (DFIG) based wind turbine systems (WTS). Previously, this approach was limited by power semiconductor modules and costs. Recent advances in materials and modulation strategies have greatly boosted their short-term overcurrent capability (up to 3.0 p.u. for 3 s) with only an approximate 3.3 % increase in the total wind turbine cost. This progress makes it necessary to assess the potential and challenges in its practical applications in LVRT for grid-forming wind turbines. First, the grid-forming control strategy for DFIG-based WTS under symmetrical grid faults is presented and the transient model is established. Second, new boundaries of the WTS are quantitatively examined regarding the controllable region, the power support capability, and the transient stability margin. Compared to before, the enhanced power modules enable wind turbines to better support voltage and expand the stable operation area without activating crowbar circuits. Third, issues of dc-link voltage drops and fluctuations when DFIGs operate at subsynchronous speeds during LVRT are studied. Results indicate that reducing the proportional coefficient of the rotor-side converter current loop and switching the grid-side converter to active power priority mode can solve this problem. Finally, theoretical results are verified by real-time simulations and experimental results.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于新型功率模块增强短路电流能力的研究对我们在风电变流器和电网支撑技术领域具有重要参考价值。虽然研究聚焦于双馈风电系统,但其核心技术理念与我们的光伏逆变器、储能变流器产品在构网型控制和低电压穿越能力提升方面存在显著的技术共性。

该研究最具价值的突破在于,通过新型功率半导体材料和调制策略创新,仅增加约3.3%成本即可将短时过流能力提升至3.0倍额定值(持续3秒)。这一成本-性能平衡点对阳光电源极具吸引力。当前我们的光伏逆变器和储能系统在弱电网环境下同样面临低电压穿越和电网支撑能力不足的挑战,特别是在高比例新能源接入场景中,构网型控制已成为必然趋势。该技术路径为我们提供了一种经济可行的解决方案,可显著扩大设备可控运行区域,减少对外部保护电路(如Crowbar)的依赖,提升系统可靠性。

技术成熟度方面,研究已通过实时仿真和实验验证,具备较好的工程化基础。论文提出的直流母线电压波动抑制策略——调整电流环比例系数和优先级切换控制——可直接借鉴到我们的产品控制算法优化中。

面临的挑战主要包括:新型功率模块(如SiC器件)的供应链稳定性、不同拓扑结构下的适配性验证,以及与现有产品平台的集成开发周期。但这也为阳光电源在下一代高性能变流器产品研发中提供了明确的技术方向,特别是在大型地面电站和独立储能系统等需要强电网支撑能力的应用场景中,具有显著的市场竞争力提升潜力。