基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略

万子镜; 田震; 王伟; 查晓明; 黄萌; 刘思杰

doi:10.7500/AEPS20230131002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略
- Smooth Switching Based Fault Ride-through Control Strategy for Direct-driven Wind Turbine Under Unbalance Condition
- 电力系统自动化 2023年47卷第19期页码：138-146
- 作者机构：
  
  1.综合能源电力装备及系统安全湖北省重点实验室,湖北省武汉市 430072
  2.武汉大学电气与自动化学院,湖北省武汉市 430072
  3.国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市 211106
- 作者简介：
  
  万子镜(1998—)，男，硕士研究生，主要研究方向：风电机组并网控制。E-mail：wanzij@whu.edu.cn
  田震(1991—)，男，特聘副研究员，硕士生导师，主要研究方向：电力电子化电力系统稳定分析与控制。E-mail：ztian.ee@whu.edu.cn
  王伟(1976—)，男，通信作者，教授级高级工程师，主要研究方向：新能源发电与并网技术。E-mail：wangwei@sgepri.sgcc.com.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2022YFB2402703)
- DOI：10.7500/AEPS20230131002
  中图分类号：
- 收稿：2023-01-31，
  
  修回：2023-06-28，
  
  网络出版：2023-09-15，
  
  纸质出版：2023-10-10
- 稿件说明：
移动端阅览
万子镜,田震,王伟等.基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略[J].电力系统自动化,2023,47(19):138-146.

WAN Zijing,TIAN Zhen,WANG Wei,et al.Smooth Switching Based Fault Ride-through Control Strategy for Direct-driven Wind Turbine Under Unbalance Condition[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(19):138-146.
万子镜,田震,王伟等.基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略[J].电力系统自动化,2023,47(19):138-146. DOI： 10.7500/AEPS20230131002.

WAN Zijing,TIAN Zhen,WANG Wei,et al.Smooth Switching Based Fault Ride-through Control Strategy for Direct-driven Wind Turbine Under Unbalance Condition[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(19):138-146. DOI： 10.7500/AEPS20230131002.

摘要

目前已有的风电机组故障穿越控制策略和相关标准主要针对三相平衡故障或仅考虑不平衡工况下的单一控制目标，文中重点研究了直驱风机并网系统在三相不平衡故障下的多目标协同故障穿越控制策略。首先，在不平衡工况下网侧逆变器瞬时功率模型的基础上，分析了传统控制策略下直驱风机输出电流三相不平衡、有功功率与无功功率二倍频振荡及其导致的直流母线电压波动机理。为了实现不平衡故障下的多目标协同控制，提出了基于最小二乘法的最优电流设定值求解方法。此外，考虑到故障过程中网侧变流器直流电压环对电流控制的钳制作用，提出了一种基于状态跟随的平滑切换控制策略以减小切换过程的暂态冲击，即故障穿越期间直流电压控制从网侧变流器平滑切换至机侧变流器。与传统故障穿越控制策略相比，所提故障穿越控制策略可以同时实现对不平衡电流、有功及无功功率波动的有效抑制，避免了单独控制有功或无功功率振荡时易出现的电流指令值饱和现象，提高了直驱风机故障穿越控制性能。最后，利用PSCDAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性和优越性。

Abstract

The existing fault ride-through control strategies and related standards for wind turbines mainly consider three-phase balanced faults or a single control objective under unbalanced conditions. This paper focuses on the multi-objective cooperative fault ride-through control strategy for the grid-connection system of direct-driven wind turbines with three-phase unbalance faults. Firstly

based on the instantaneous power model of the grid-side inverter under unbalance conditions

the three-phase unbalance of direct-driven turbine output current

two-fold frequency oscillation of active power and reactive power and the mechanism of the resulting DC bus voltage fluctuation under the traditional control strategy are analyzed. To achieve the multi-objective cooperative control with unbalance faults

this paper proposes a solving method for the optimal current setting value based on the least squares method. Besides

considering the clamping effect of the DC voltage control loop of the grid-side converter on the current control

a smooth switching control strategy is proposed based on the state following to reduce the transient shock of the switching process

i.e.

the DC voltage control is smoothly switched from the grid-side converter to the generator-side converter during the fault ride-through process. Compared with the conventional fault ride-through control strategy

the proposed fault ride-through control strategy can simultaneously achieve effective suppression of unbalanced currents

and active and reactive power fluctuations

while avoiding the saturation of current command value that tends to occur when active or reactive power oscillations are controlled separately

which improves the fault ride-through control performance of direct-driven wind turbines. Finally

PSCDAD/EMTDC simulations are carried out to verify the effectiveness and superiority of the proposed control strategy.

关键词

Keywords

references

许水清，陶松兵，何怡刚，等 . 基于相电流瞬时频率估计的永磁直驱风电变流器开路故障诊断［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 2 ）： 433 - 444 .

XU Shuiqing ， TAO Songbing ， HE Yigang ， et al . Open-circuit fault diagnosis for back-to-back converter of PMSG wind generation system based on estimated instantaneous frequency of phase current ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 433 - 444 .

姚钢，杨浩猛，周荔丹，等 . 大容量海上风电机组发展现状及关键技术［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 33 - 47 .

YAO Gang ， YANG Haomeng ， ZHOU Lidan ， et al . Development status and key technologies of large-capacity offshore wind turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 33 - 47 .

高晨，赵勇，汪德良，等 . 海上风电机组电气设备状态检修技术研究现状与展望［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （增刊1 ）： 30 - 42 .

GAO Chen ， ZHAO Yong ， WANG Deliang ， et al . Research status and prospect of condition based maintenance technology for offshore wind turbine electrical equipment ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ Supplement 1 ）： 30 - 42 .

王德胜，颜湘武，贾焦心，等 . 永磁直驱风机基于虚拟同步技术的高、低电压连续故障穿越策略［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 6 ）： 2164 - 2175 .

WANG Desheng ， YAN Xiangwu ， JIA Jiaoxin ， et al . High/low voltage continuous fault ride through strategy of PMSGs based on virtual synchronization technology ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 6 ）： 2164 - 2175 .

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， XIE Xiaorong ， et al . Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

风电场接入电力系统技术规定第1部分：陆上风电： GB/T 19963.1—2021 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2021 .

Technical specification for connecting wind farm to power system—Part 1： on shore wind power ： GB/T 19963.1—2021 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2021 .

刘忠义 . 含直驱风电机组的电力系统暂态稳定问题研究［D］. 北京：华北电力大学， 2016 .

LIU Zhongyi . Transient stability of power system integrated with PMSGs ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2016 .

朱东海，邹旭东，胡家兵，等 . 双馈风电机组无撬棒故障穿越技术研究综述［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 19 ）： 4895 - 4910 .

ZHU Donghai ， ZOU Xudong ， HU Jiabing ， et al . Review of crowbarless fault ride through technology for doubly-fed induction generator-based wind turbines ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 19 ）： 4895 - 4910 .

刘辉，陈璨，巨云涛，等 . 风电汇集地区电压不平衡特性分析及抑制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 14 ）： 132 - 139 .

LIU Hui ， CHEN Can ， JU Yuntao ， et al . Characteristics analysis and suppression strategy of voltage unbalance in areas with integration of wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 14 ）： 132 - 139 .

CASTILLA M ， MIRET J ， SOSA J L ， et al . Grid-fault control scheme for three-phase photovoltaic inverters with adjustable power quality characteristics ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2010 ， 25 （ 12 ）： 2930 - 2940 .

KABIRI R ， HOLMES D G ， MCGRATH B P . Control of active and reactive power ripple to mitigate unbalanced grid voltages ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2016 ， 52 （ 2 ）： 1660 - 1668 .

王逸超，欧名勇，陈燕东，等 . 不平衡电压下并网逆变器的功率波动抑制与电流平衡协调控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 23 ）： 6981 - 6987 .

WANG Yichao ， OU Mingyong ， CHEN Yandong ， et al . Coordinate control of power fluctuation suppression and current balance under unbalanced voltage conditions ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 23 ）： 6981 - 6987 .

万晓凤，郗瑞霞，胡海林，等 . 基于果蝇算法的电网不平衡时并网逆变器多目标优化控制研究［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 5 ）： 1628 - 1635 .

WAN Xiaofeng ， XI Ruixia ， HU Hailin ， et al . Research on multi-objective optimization control of grid-connected inverter under unbalanced grid voltage based on fruit fly algorithm ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 5 ）： 1628 - 1635 .

栗然，马慧卓，祝晋尧，等 . 分布式电源接入配电网多目标优化规划［J］. 电力自动化设备， 2014 ， 34 （ 1 ）： 6 - 13 .

LI Ran ， MA Huizhuo ， ZHU Jinyao ， et al . Multi-objective optimization for DG integration into distribution system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2014 ， 34 （ 1 ）： 6 - 13 .

徐金榜，何顶新，赵金，等 . 电压不平衡情况下PWM整流器功率分析方法［J］. 中国电机工程学报， 2006 ， 26 （ 16 ）： 80 - 85 .

XU Jinbang ， HE Dingxin ， ZHAO Jin ， et al . A new power analysis method of PWM rectifier with unbalanced voltage condition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2006 ， 26 （ 16 ）： 80 - 85 .

黄守道，肖磊，黄科元，等 . 不对称电网故障下直驱型永磁风力发电系统网侧变流器的运行与控制［J］. 电工技术学报， 2011 ， 26 （ 2 ）： 173 - 180 .

HUANG Shoudao ， XIAO Lei ， HUANG Keyuan ， et al . Operation and control on the grid-side converter of the directly-driven wind turbine with PM synchronous generator during asymmetrical faults ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2011 ， 26 （ 2 ）： 173 - 180 .

熊连松，修连成，康志亮，等 . 不平衡工况下电网电压序分量快速提取方法［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 11 ）： 144 - 151 .

XIONG Liansong ， XIU Liancheng ， KANG Zhiliang ， et al . Fast extraction method of grid voltage sequence components in unbalanced conditions ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 11 ）： 144 - 151 .

斯蒂芬·博伊德，利芬·范登伯格 . 张文博，张丽静译. 应用线性代数：向量、矩阵及最小二乘［M］. 北京：机械工业出版社， 2020 .

BOYD S ， VANDENBERGHE L . Introduction to applied linear algebra： vectors， matrices and least squares ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2020 .

黄守道，高剑，罗德荣 . 直驱永磁风力发电机设计及并网控制［M］. 北京：电子工业出版社， 2014 .

HUANG Shoudao ， GAO Jian ， LUO Derong . Design and grid-connected control of direct-driven permanent magnet wind generator ［M］. Beijing ： Publishing House of Electronics Industry ， 2014 .

邓秋玲，黄守道，姚建刚，等 . 直驱风电系统新型变流控制策略［J］. 电工技术学报， 2012 ， 27 （ 7 ）： 227 - 234 .

DENG Qiuling ， HUANG Shoudao ， YAO Jiangang ， et al . A new converter control strategy in direct drive wind generation system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2012 ， 27 （ 7 ）： 227 - 234 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于无功电流补偿的直驱风机故障后过电压抑制策略

用于大规模新能源架空线路送出的储能型柔性直流输电系统