Forced Excitation Converter for DFIG-based Wind Turbine Based on Variable-Structure Quasi-Z-source

Rende ZHAO; Cheng YUAN; Congcong XUAN; Qian LI; Hailiang XU; Qingzeng YAN

doi:10.7500/AEPS20210122010

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Forced Excitation Converter for DFIG-based Wind Turbine Based on Variable-Structure Quasi-Z-source

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Forced Excitation Converter for DFIG-based Wind Turbine Based on Variable-Structure Quasi-Z-source
- Automation of Electric Power Systems Vol. 45, Issue 19, Pages: 181-191(2021)
- 作者机构：
  
  1.中国石油大学（华东）新能源学院，山东省青岛市 266580
  2.联合汽车电子有限公司苏州研发中心，江苏省苏州市 215000
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51677193);National Key R&D Program of China(2018YFB0904800)
- DOI：10.7500/AEPS20210122010
  CLC：
- Received：22 January 2021，
  
  Revised：2021-05-25，
  
  Published Online：05 August 2021，
  
  Published：10 October 2021
- 稿件说明：
移动端阅览
赵仁德,袁诚,宣丛丛等.基于变结构准Z源的双馈风电机组强励变换器[J].电力系统自动化,2021,45(19):181-191.

ZHAO Rende,YUAN Cheng,XUAN Congcong,et al.Forced Excitation Converter for DFIG-based Wind Turbine Based on Variable-Structure Quasi-Z-source[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(19):181-191.
赵仁德,袁诚,宣丛丛等.基于变结构准Z源的双馈风电机组强励变换器[J].电力系统自动化,2021,45(19):181-191. DOI： 10.7500/AEPS20210122010.

ZHAO Rende,YUAN Cheng,XUAN Congcong,et al.Forced Excitation Converter for DFIG-based Wind Turbine Based on Variable-Structure Quasi-Z-source[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(19):181-191. DOI： 10.7500/AEPS20210122010.

摘要

当电网电压发生深度跌落时，需要风力发电系统不脱网且向电网提供动态无功支撑，采用传统励磁变换器的双馈风电机组往往需要通过外加装置才能实现这一要求。外加装置使系统变得复杂，可靠性和效率降低。针对这一问题，文中分析了双馈风电机组低电压穿越的瓶颈，提出了构建坚强励磁系统的思想，并设计了一种基于变结构准Z源的新型双馈风电机组强励变换器。将传统的电容型母线替换为准Z源网络，当电网正常时该变换器运行于可调电压的单电容型母线状态，当电网电压发生深度跌落时，该变换器可以迅速升高直流链电压，从而保证转子侧变换器在故障期间始终可控。搭建了双馈风电机组低电压穿越仿真与实验系统，仿真与实验结果表明所提强励变换器拓扑具有良好的稳态与动态性能，在电压深度跌落时能够有效控制转子电流，实现双馈风电机组的低电压穿越和无功支撑。

Abstract

When a severe voltage sag occurs in the power grid

the wind power generation system should keep connected to the power grid and provide dynamic reactive power support to the power grid. The doubly-fed induction generator (DFIG) based wind turbines using the traditional excitation converter usually require additional devices to meet this requirement

which leads to complicated systems with low reliability and efficiency. Aiming at this problem

this paper analyzes the bottleneck of low voltage ride-through (LVRT) of DFIG-based wind turbines

and proposes the idea of building a forced excitation system. A new type of forced excitation converter based on variable structure quasi-Z-source is designed for DFIG-based wind turbines. The traditional capacitive bus is replaced by a quasi-Z source network. When the power grid is normal

the proposed converter operates in the state of single capacitive bus with adjustable voltage. When the power grid voltage drops deeply

the proposed converter can raise the DC-link voltage quickly

ensuring the rotor side converter (RSC) remain controllable during the fault. The simulation and experimental systems for LVRT of DFIG-based wind turbines are constructed. The simulation and experimental results indicate that the proposed forced excitation converter topology has good steady-state and dynamic performances

and it can effectively control the rotor current when the voltage drops deeply and realize the LVRT and reactive power support of DFIG-based wind turbines.

关键词

Keywords

references

舟丹 . 全球十大风电国家的装机容量［J］. 中外能源， 2019 ， 24 （ 7 ）： 82 .

ZHOU Dan . Installed capacity of the world’s top wind turbines countries ［J］. Sino-Global Energy ， 2019 ， 24 （ 7 ）： 82 .

耿华，刘淳，张兴，等 . 新能源并网发电系统的低电压穿越［M］. 北京：机械工业出版社， 2014 .

GENG Hua ， LIU Chun ， ZHANG Xing ， et al . Low voltage ride-through of new energy grid-connected power generation system ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2014 .

风电场接入电力系统技术规定： GB/T 19963—2011 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2011 .

Technical rule for connecting wind farm to power system ： GB/T 19963—2011 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2011 .

甄永赞，苏宁赛，李美林 . 适用于高/低电压穿越的双馈风机协同控制策略及其稳定技术研究［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 1 ）： 39 - 49 .

ZHEN Yongzan ， SU Ningsai ， LI Meilin . Research on doubly-fed induction generators synergetic control strategy and stability technology for high/low voltage ride through ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 1 ）： 39 - 49 .

ZHOU L Y ， LIU J J ， ZHOU S Z . Improved demagnetization control of a doubly-fed induction generator under balanced grid fault ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2015 ， 30 （ 12 ）： 6695 - 6705 .

杨淑英，陈刘伟，孙灯悦，等 . 非对称电网故障下的双馈风电机组低电压穿越暂态控制策略［J］. 电力系统自动化， 2014 ， 38 （ 18 ）： 13 - 19 .

YANG Shuying ， CHEN Liuwei ， SUN Dengyue ， et al . LVRT transient compensation strategy for doubly-fed wind turbines under asymmetrical grid faults ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2014 ， 38 （ 18 ）： 13 - 19 .

ZHU D H ， ZOU X D ， ZHOU S Y ， et al . Feedforward current references control for DFIG-based wind turbine to improve transient control performance during grid faults ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 670 - 681 .

杨淑英，陈银，周天保，等 . 低电压穿越过程中双馈风电机组虚拟电感暂态自灭磁控制［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 4 ）： 12 - 18 .

YANG Shuying ， CHEN Yin ， ZHOU Tianbao ， et al . Virtual inductance based self-demagnetization control for doubly-fed induction generator wind turbines during low voltage ride-through process ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 4 ）： 12 - 18 .

ZHU D H ， ZOU X D ， DENG L ， et al . Inductance-emulating control for DFIG-based wind turbine to ride-through grid faults ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 11 ）： 8514 - 8525 .

程鹏，年珩，诸自强 . 电网对称故障时双馈电机虚拟电阻控制技术［J］. 电机与控制学报， 2014 ， 18 （ 6 ）： 1 - 8 .

CHENG Peng ， NIAN Heng ， ZHU Ziqiang . Control technique of DFIG based on virtual resistance under symmetrical grid fault ［J］. Electric Machines and Control ， 2014 ， 18 （ 6 ）： 1 - 8 .

范小红，安德超，孙士云，等 . 计及撬棒保护动作时间的双馈风机三相短路电流特性分析［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 16 ）： 3444 - 3452 .

FAN Xiaohong ， AN Dechao ， SUN Shiyun ， et al . Three-phase short circuit current characteristic analysis of doubly fed induction generator considering crowbar protection action time ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 16 ）： 3444 - 3452 .

常远瞩，胡家兵，田旭，等 . 基于运算电感分析电网对称故障下双馈型风力发电机Crowbar保护动作期间的定子电流特征［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6192 - 6200 .

CHANG Yuanzhu ， HU Jiabing ， TIAN Xu ， et al . Characteristics analysis to DFIG-based wind turbine’s stator current during Crowbar protection and symmetrical fault by operational inductance ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6192 - 6200 .

郑重，杨耕，耿华 . 配置STATCOM的DFIG风电场在不对称电网故障下的控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 19 ）： 27 - 38 .

ZHENG Zhong ， YANG Geng ， GENG Hua . A control strategy for doubly-fed induction generator based wind farms equipped with STATCOM under asymmetrical grid fault situations ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 19 ）： 27 - 38 .

王涛，诸自强，年珩 . 非理想电网下双馈风力发电系统运行技术综述［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 3 ）： 455 - 471 .

WANG Tao ， ZHU Ziqiang ， NIAN Heng . Review of operation technology of doubly-fed induction generator-based wind power system under nonideal grid conditions ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 455 - 471 .

RAHIMI M ， PARNIANI M . Coordinated control approaches for low-voltage ride-through enhancement in wind turbines with doubly fed induction generators ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2010 ， 25 （ 3 ）： 873 - 883 .

GUO W Y ， XIAO L Y ， DAI S T ， et al . LVRT capability enhancement of DFIG with switch-type fault current limiter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2015 ， 62 （ 1 ）： 332 - 342 .

WEN G ， CHEN Y ， ZHONG Z H ， et al . Dynamic voltage and current assignment strategies of nine-switch-converter-based DFIG wind power system for low-voltage ride-through （LVRT） under symmetrical grid voltage dip ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2016 ， 52 （ 4 ）： 3422 - 3434 .

陈宇，文刚，康勇 . 基于直流电压动态分配的九开关双馈风电系统低电压穿越策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 12 ）： 3583 - 3593 .

CHEN Yu ， WEN Gang ， KANG Yong . A low voltage ride through strategy for nine-switch-converter doubly-fed wind generation system based on the DC-link voltage dynamic assignment ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 12 ）： 3583 - 3593 .

DING X P ， LU Y ， LI H ， et al . A high-performance adjustable-speed system based on quasi Z-source inverter ［C］// 2011 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation ， August 7-10 ， 2011 ， Beijing， China ： 1893 - 1898 .

YU B ， DING X P ， LU Y ， et al . Voltage sags on quasi-Z-source adjustable-speed drives system ［C］// 2011 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation ， August 7-10 ， 2011 ， Beijing， China ： 1899 - 1904 .

ZHANG Y ， HUANG S D ， HU S J . Ride-through strategy of quasi-Z-source wind power generation system under the asymmetrical grid voltage fault ［J］. IET Electric Power Applications ， 2017 ， 11 （ 4 ）： 504 - 511 .

GUO M Z ， LIU Y S ， LIU S ， et al . High efficiency operation control of quasi-Z-source based permanent magnetic synchronous motor drive ［C］// 2018 IEEE 12th International Conference on Compatibility， Power Electronics and Power Engineering， April 10-12， 2018 ， Doha， Qatar ： 1 - 6 .

贾俊川，金一丁，赵兵，等 . 风机低电压穿越控制对系统暂态过电压的影响及优化［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 2 ）： 526 - 533 .

JIA Junchuan ， JIN Yiding ， ZHAO Bing ， et al . Impact analysis and performance optimization of LVRT control of wind turbine on transient overvoltage of power system ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 2 ）： 526 - 533 .

ZHANG T ， YAO J ， SUN P ， et al . Improved continuous fault ride through control strategy of DFIG-based wind turbine during commutation failure in the LCC-HVDC transmission system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 459 - 473 .

LOPEZ J ， SANCHIS P ， ROBOAM X ， et al . Dynamic behavior of the doubly fed induction generator during three-phase voltage dips ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2007 ， 22 （ 3 ）： 709 - 717 .

LÓPEZ J ， GUBÍA E ， SANCHIS P ， et al . Wind turbines based on doubly fed induction generator under asymmetrical voltage dips ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2008 ， 23 （ 1 ）： 321 - 330 .

LI Y ， JIANG S ， CINTRON-RIVERA J G ， et al . Modeling and control of quasi-Z-source inverter for distributed generation applications ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2013 ， 60 （ 4 ）： 1532 - 1541 .

丁新平 . Z-源变流器关键技术的研究［D］. 杭州：浙江大学， 2007 .

DING Xinping . Research on key aspects in Z-source converter ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2007 .

LIU Y S ， GE B M ， ABU-RUB H ， et al . Overview of space vector modulations for three-phase Z-source/quasi-Z-source inverters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 4 ）： 2098 - 2108 .

SHEN M S ， WANG J ， JOSEPH A ， et al . Constant boost control of the Z-source inverter to minimize current ripple and voltage stress ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2006 ， 42 （ 3 ）： 770 - 778 .

GUO F ， FU L X ， LIN C H ， et al . Development of an 85-kW bidirectional quasi-Z-source inverter with DC-link feed-forward compensation for electric vehicle applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 12 ）： 5477 - 5488 .

GU Y W ， CHEN Y F ， ZHANG B . Enhanced-boost quasi-Z-source inverter with an active switched Z-network ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 10 ）： 8372 - 8381 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Low Voltage Ride-through Control Strategy for DFIG-based Wind Turbine Based on Disturbance Attenuation

考虑撬棒保护接入的双馈感应发电机转子磁链动态特性

基于Crowbar保护的双馈感应发电机暂态特性与参数设计

非对称电网故障下的双馈风电机组低电压穿越暂态控制策略

Related Author

Ruowei ZHANG

Boyu QIN

Hengyi LI

Wansong LIU

Jiao CHEN

ZOU Zhice

XIONG Wei

LUO Hao

Related Institution

Shaanxi Key Laboratory of Smart Grid (Xi’an Jiaotong University)

School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University

State Grid Sichuan Electric Power Company

College of Electrical Engineering and Information Technology, Sichuan University

State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, (Huazhong University of Science and Technology)

⁰