混合储能式UDVR提升风电柔性故障穿越能力研究

This project research the key problem for integration flexible fault ride through(FFRT) ability and restraining wind power fluctuation of 2MW doubly-fed induction generator (DFIG) of Huitengxile in Inner Mongolia. A hybrid energy storage type series(UDVR)-parallel(STATCOM) integrated topology on the grid-side converter is proposed. The UDVR compensate the unbalanced voltage to maintain DFIG machine terminal voltage constant so as to improve the ability of FFRT when the grid in fault. The STATCOM compensate the reactive power to help grid return to normal by unified coordination control. The UDVR is in bypass standby when wind turbines in normal operation, at the same time, parallel type converter realize flexible grid connection and smooth output function. On the basis of the mathematical model, circuit topology, operation mechanism, control strategy, steady-state and transient characteristics, we construct the simulation model of hybrid energy storage type UDVR-DFIG-FFRT based on PSCAD, verify the ability of DFIG-FFRT when grid in fault, and energy storage unit capacity allocation and controller parameters is optimized. A small power emulator system and dynamic simulation experiment platform based on RTDS are used to make an engineering demonstrational study under different grid fault. The research is expected to improve the ability of the grid absorbing more wind power, which has important significance for the wind power's orderly development in Inner Mongolia.

本项目研究内蒙古辉腾锡勒2MW电网友好型双馈（DFIG）风电柔性故障穿越（FFRT）和平抑输出功率关键问题。提出混合储能式网侧变换器串（UDVR）、并（STATCOM）综合拓扑结构，电网故障时UDVR进行不平衡电压补偿，维持DFIG机端电压恒定，提升FFRT能力，同时STATCOM进行无功补偿帮助电网快速恢复；正常运行时UDVR处于旁路备用，并联型变换器经协调控制实现柔性并网和平滑输出功能。在研究系统数学模型、电路拓扑、工作机理、控制策略、稳/暂态特性的基础上，建立PSCAD/EMTDC环境下储能式UDVR-DFIG-FFRT仿真模型，验证电网故障时DFIG-FFRT能力，并进行储能单元容量配置优化和控制器参数优选。采用小功率风电物理模拟系统和基于RTDS的测试平台，模拟不同电网故障工况，进行工程实证研究。研究可望提高DFIG-FFRT和电网消纳风电的能力，对内蒙风电有序开发具有重要意义。

本项目突破了传统解决方案的思路束缚，充分利用不间断动态电压恢复器（UDVR）对畸变电压补偿的灵活性，直接从源头入手解决问题，为解决双馈电机（DFIG）风电机组低电压穿越（LVRT）难点问题提供了新的途径。将UDVR电压补偿能力强的优点应用到双馈风电机组故障穿越运行，可灵活抑制电网电压畸变、实现机组优化运行，故障期间也可电网馈入友好型清洁能源，使双馈式风电成为真正的“绿色”电力，这是风力发电技术与电能质量控制的一种完美结合。具体工作如下：. 推导DFIG在两相同步旋转坐标系下按电动机惯例和发电机惯例的完备数学模型，简化了双馈电机控制系统的设计；按非理想电网条件进行双馈电机的动态数学建模，可满足现代风电技术对实际电网环境的适应性。控制策略对系统性能具有重要影响，直接关系到系统能否发挥理论分析所具备的功能，将比例谐振（PR）控制技术移植到DFIG的转子侧、网侧变换器以及UDVR的控制，实现了无差跟踪调节，提高了控制系统的准确性和鲁棒性。基于先进的RTDS平台构建了双馈型风电机组动态实时仿真模型，从多角度验证了深度电压故障跌落时DFIG-LVRT性能，可实现机组不脱网运行，并满足风电低电压穿越运行国家标准。对于三单相UDVR提升DFIG柔性故障穿越（FFRT）方案，依据国家最新风电并网导则，设计了多种标准规定的电网对称/不对称跌落/骤升故障工况，仿真研究结果表明UDVR均能很好的实现DFIG-FFRT运行，配合无功控制策略，亦可辅助电网实现快速恢复。提出了采用NSC替代双馈风电系统网侧变换器的网侧串、并混合拓扑结构与NSC实现统一电能质量调节器（UPQC）功能两种新方案，仿真验证了电网短路故障工况下NSC辅助DFIG实现FFRT的能力。为验证UDVR通过电压串联补偿实现DFIG故障穿越方案的可行性，设计了小功率实验验证环节，实验结果表明UDVR能有效应对多种典型故障工况，提升了DFIG故障穿越能力与电能质量。. 总之，所提研究方案可提高双馈式风电的运行可控性和电网友好性，为解决双馈式风电机组LVRT提供了新的解决方案和技术储备，具有广阔的推广应用前景。