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电网故障下直流链路电压同步型风力发电机组的控制
Control of DC-Link Voltage-Synchronized Wind Turbine Generators Under Grid Faults
| 作者 | Zhenyan Deng · Renxin Yang · Yu Zhang · Chen Zhang · Jianwen Zhang · Xu Cai |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 风电变流技术 |
| 技术标签 | 构网型GFM |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 直流母线电压同步 电网形成控制 风力发电机 故障穿越策略 过电流限制 |
语言:
中文摘要
直流母线电压同步型虚拟同步机(GFM)控制因其对直流母线电压的有效控制,在风力发电机组(WTG)中得到了越来越广泛的应用。然而,由于电容惯性较小,同步环的带宽相对较高。当网侧变流器(GSC)采用电压 - 电流级联控制环时,这些控制环之间的耦合会带来不稳定风险。采用单一交流电压环因其简单性和稳定性被认为是一种有前景的替代方案。然而,由于缺乏固有的限流机制,处理暂态过电流具有挑战性。此外,故障期间斩波器会钳位直流母线电压动态,这会导致失步,并可能造成暂态功角不稳定。为解决上述问题,本文提出了一种适用于直流母线电压同步型 GFM 风力发电机组的新型故障穿越(FRT)策略。该策略无需依赖电流闭环控制,即可在不同故障类型下实现过电流限制。此外,它能确保功角稳定,并在电网故障期间提供自发的无功功率支持。通过全面的仿真和硬件在环(HIL)实验验证了所提策略的有效性。
English Abstract
The dc-link voltage-synchronized grid-forming (GFM) control is increasingly applied in wind turbine generators (WTGs) for its effective control of dc-link voltage. However, the bandwidth of the synchronization loop is relatively high due to the small inertia of the capacitor. When the voltage–current cascaded control loop is utilized in the grid-side converter (GSC), the coupling between these loops introduces the risk of instability. Using a single ac-voltage loop is considered a promising alternative due to its simplicity and stability. However, the lack of inherent current-limiting mechanism makes it challenging to handle transient overcurrent. Additionally, the dc-link voltage dynamics are clamped by the chopper during faults, which leads to a loss of synchronization and may result in transient power angle instability. To address the above issues, a novel fault ride-through (FRT) strategy for the dc-link voltage-synchronized GFM WTG is proposed in this article. This strategy achieves overcurrent limitation under different fault types without relying on a current closed-loop control. Moreover, it ensures power angle stability and provides spontaneous reactive power support during grid faults. The proposed strategy is verified through comprehensive simulations and hardware-in-loop (HIL) experiments.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项直流母线电压同步型构网控制技术对我们在风电变流器及多能互补系统领域具有重要参考价值。尽管研究聚焦于风电机组,但其核心技术与我们的光伏逆变器、储能变流器在拓扑结构和控制原理上高度相似,特别是在构网型(GFM)控制策略的应用方面。
该技术的核心价值在于解决了构网型控制在电网故障时的两大难题:过流抑制和功角稳定性。传统电压-电流级联控制存在环路耦合风险,而单电压环控制虽简洁但缺乏限流机制。论文提出的故障穿越策略实现了无电流闭环的过流限制,这对我们开发高可靠性的构网型逆变器产品具有直接借鉴意义。特别是在弱电网环境和高比例新能源接入场景下,这种控制策略能够提升设备的电网支撑能力和故障适应性。
从技术成熟度看,研究已通过仿真和半实物实验验证,处于工程化前期阶段。对阳光电源而言,关键机遇在于:一是将该技术移植到我们的1500V大功率光伏逆变器平台,增强弱电网适应能力;二是应用于储能系统的构网控制,提升电网故障期间的无功支撑性能;三是在风光储一体化项目中实现多机协同的故障穿越策略。
技术挑战主要包括:直流侧Chopper动作时的功角稳定控制需要精确的参数整定,这在不同容量等级产品上需要大量测试验证;无电流环的限流策略对硬件保护裕度要求更高;此外,该策略在复杂电网拓扑下的适应性还需进一步研究。建议我们的中央研究院跟进相关技术,开展针对性的预研工作。