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基于内电压矢量的双馈感应风力发电机故障穿越不对称电网形成控制
Grid-Forming Control of DFIG-Based Wind Turbine Generator by Using Internal Voltage Vectors for Asymmetrical Fault Ride-Through
| 作者 | Xinquan Chen · Yuanzhu Chang · Ilhan Kocar |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2024年10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 | 电网形成控制 双馈感应风力发电机 不对称故障穿越 正负序控制 暂态电压计算 |
语言:
中文摘要
摘要:构网型(GFM)控制使基于逆变器的电源(IBRs)具备强大的频率和电压支撑能力。这对于基于双馈感应发电机的风力发电机组(基于DFIG的WTG)而言也颇具前景。然而,在发生不对称故障时,采用GFM控制的基于DFIG的WTG(GFM - DFIG)可能会出现转子侧变流器(RSC)过流和过调制的问题。因此,本文从正序、负序和暂态分量的角度出发,基于电网电压形成机制,为GFM - DFIG提出了不对称故障穿越(FRT)控制策略。首先,设计了内部电压矢量用于评估不对称FRT能力。然后,提出了正 - 负序控制(PNSC),以支撑GFM - DFIG内部电压矢量的序分量。在此基础上,提出了一种不对称FRT控制结构,该结构包含负序无功电流注入以及两种正序控制方案:基于电流饱和的方法和基于虚拟阻抗的方法。此外,采用了一种暂态电压简化计算方法来消除暂态漏磁的影响。最后,利用美国电力研究院(EPRI)基准系统对所提出的GFM - DFIG的FRT控制策略进行了验证。结果表明,通过所提出的控制策略,GFM - DFIG能够维持稳定的电压,并实现所需的负序特性。
English Abstract
Grid-forming (GFM) controls exhibit robust frequency and voltage support capabilities for inverter-based resources (IBRs). This also shows promise for doubly fed induction generator-based wind turbine generators (DFIG-based WTGs). However, during asymmetrical faults, the DFIG-based WTG that employs GFM controls (GFM-DFIG) might suffer from overcurrent and overmodulation of the rotor-side converter (RSC). Therefore, from the perspective of positive-sequence, negative-sequence, and transient components, this paper proposes asymmetrical fault ride-through (FRT) controls for the GFM-DFIG based on the mechanism for forming the grid voltage. Firstly, internal voltage vectors are designed for the assessment of asymmetrical FRT capabilities. Then a positive- and negative-sequence control (PNSC) is proposed to support the sequence components of internal voltage vectors for the GFM-DFIG. On this basis, an asymmetrical FRT control structure is proposed, incorporating negative-sequence reactive current injection and two types of positive-sequence control schemes: the current saturation-based method and virtual impedance-based method. Additionally, a simplified calculation method for transient voltages is utilized to eliminate the impacts of transient flux leakage. Finally, the proposed FRT controls for the GFM-DFIG are validated by using the EPRI benchmark system. The results indicate that, with the proposed control, GFM-DFIG can maintain stable voltages and achieve required negative-sequence behaviors.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的基于内部电压矢量的双馈风电机组构网型控制技术具有重要的参考价值和战略意义。虽然研究对象是风电领域的DFIG系统,但其核心的构网型(GFM)控制理念与阳光电源在光伏逆变器和储能系统中推进的技术路线高度契合。
该技术的核心价值在于解决了构网型控制在不对称故障工况下的关键难题——过流和过调制问题。论文提出的正负序分量控制(PNSC)策略以及基于电流饱和和虚拟阻抗的两种故障穿越方案,为阳光电源开发新一代高可靠性构网型逆变器提供了理论支撑。特别是在弱电网和高比例新能源接入场景下,这种能够主动支撑电网电压和频率、同时具备优异故障穿越能力的控制技术,正是阳光电源1+X模块化逆变器和储能变流器产品迭代升级的重要方向。
从技术成熟度评估,该方案已在EPRI基准系统上得到验证,具备较好的工程化基础。阳光电源可将其核心思想移植到光伏和储能系统中,通过内部电压矢量设计实现更精准的电网支撑能力。这对于满足新版电网导则(如GB/T 40595)中对新能源场站构网能力的要求至关重要。
技术挑战主要体现在不同拓扑结构的适配性上。光伏逆变器与DFIG在电气特性上存在差异,需要针对性地调整控制参数和保护策略。同时,该技术为阳光电源在"风光储氢"一体化解决方案中实现统一的构网型控制架构提供了机遇,有助于提升系统级协同控制能力,增强在大型新能源基地项目中的竞争优势。