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对常规发电机组和高压直流输电线路

连接的风力发电机组的控制

Li-Jun Cai* , Simon Jensen **, Vincenz Dinkhauser***, Istvalpha;n Erlich****

REpower Systems SE,. Albert-Betz-Strasse 1, D-24783 Osterroenfeld, Germany

• • • (e-mail: lijun.cai@repower.de)
  • (e-mail: simon.jensen@repower.de)
• (e-mail: vincenz.dinkhauser@repower.de)

****Institute of Electrical Power Systems - University of Duisburg-Essen

47057, Germany. (e-mail: erlich@uni-duisburg.de)

摘要：本文重点研究了风力发电厂配备双馈感应发电机组与传统的发电机组在高压直流输电中经典环节的控制。对双馈风力发电机和风力发电厂的电压控制进行详细介绍，此外还分析了它们分别对电力系统稳定性的影响。除了双馈风力发电厂，同步发电机的单相直流环节也要被考虑进来。对于同步发电机，传统的控制器采用：调速器，励磁机和电力系统稳定器。经典的直流转换和电压控制也被应用进来。在本文中，双馈风力发电机组的性能能够改善电力系统的动态性能。仿真结果表明，双馈风力发电机组的运行和风力发电机组的电压控制将加强电力系统电压稳定性。

关键词：双馈异步发电机、风电机组的控制、风力发电厂控制、同步发电机的控制、变压器控制、传统的高压直流电源。

一．简介

由于风能是可再生并且环保的自然能源，风力发电厂能够被广泛而迅速的使用。风力发电技术目前是所有类型的可再生能源中发展最快的发电技术的研究。

随着双馈感应发电机（DFIG）技术的发展，大型双馈风力发电机组越来越多地集成到电力系统中。双馈电机被统称为变速机，它们具有重要的优势，如更小的无功功率，价格低廉相比一个完整的转换器。

由于越来越多的大型双馈风力发电机组被整合，必须考虑其对电力系统动态性能的影响特别是，还应该分析它们对电力系统的静态和动态电压稳定性的影响。此外，还必须考虑到它们的与传统电厂的相互作用。

本文重点介绍双馈风力发电机组的连续电压控制对电力系统电压稳定性的影响。除了双馈发电机，对同步发电机和单相直流电传统连接进行模拟。此外，还从理论上分析双馈风力发电机组的控制功能以及他的性能去提高电力系统的动态行为。电力系统的结构如图1所示：

图1：电力系统结构图

本文的结构如下：接下来在第2节介绍风力发电厂和风力发电机组的电压控制。在第3节中将说明关于同步发电机电压控制和高压直流输电的经典控制。接着在第4节中，将给出仿真结果。最后，简单的推导出结论。

二．风力发电厂电压控制

双馈发电机的基本例子结构如图2所示。作为一种通用的方法，空间相量坐标与正交轴直接使用。定子电压的选择作为参考帧使解耦控制。

根据电网规范，有功和无功功率应控制在共同的耦合点，这通常是在风力发电厂变压器的中压或高压侧。因此，风力发电厂控制装置可以安装在共同耦合点上，如图3所示

图2：双馈电机的控制 图3：风力发电厂控制器

系统操作员通过控制中心来设定风电机组的控制器可以接收的有功和无功功率的值。一个经典的控制模式是在耦合点（PCC）的风力发电控制器发出无功功率设定值的所有涡轮机工厂内部控制功率因数设定。在电压控制的情况下，有一个在PCC电压设定点。

本文采用电压控制方法在PCC与当地的风力发电机组电压控制组合。可选地，外部无功功率补偿可以连接到PCC，并可以由风力发电厂控制器控制。这是唯一必要的，如果风力涡轮机的无功功率范围是不够的，以满足在PCC的要求。

电压控制器的基本功能是根据电压计算无功功率的设定值。比例特性的一般框图如图4所示。电压测量是从电压设定值减去实际值来计算电压偏差。这种偏差乘以比例控制因子计算无功功率给定值。根据所需的控制特性，无功电流设定值也可以用。

图4：比例电压控制框图

电压控制可以在局部级别涡轮级实现和风力发电厂的详细的描述中可以找到。中央和地方的电压控制相结合，可以结合其有利的特点与电网稳定的好处。在涡轮级的连续电压控制提供深电压下降很快的响应也小的电压偏差在标准操作范围。

在风力发电厂的水平与电压控制相结合，确保在电网连接点所需的无功功率值的精确调整。联合控制器的稳定控制是可以保证的，因为从属局部控制的时间常数比风力发电厂控制器的时间常数快10倍以上。设置如联合控制电压斜坡或响应时间可以达到预期的特性在不同的连接点或不同地点的要求。

将上述风力发电厂的电压控制特性用来分析其对电力系统电压稳定性的影响。

三．同步发电机和高压直流输电经典控制

3.1同步发电机及其控制系统

在本文中，同步发电机配备调速器，励磁、PSS。这些关于常规控制器的描述可以在得到。

3.2高压直流输电系统

一个典型的单极直流经典链接基本配置在图5中给出了。它使用一个导体，通常是负极性和返回路径是由地面或水。成本的考虑往往导致使用这样的系统，特别是用于电缆传输。这种类型的配置也可以在双极系统发展的第一阶段。

图5：单极直流高电压环节

此外，与直流输电系统相关的器件也会被在本文中而提及：

1、平滑电抗器：与各换流站各极串联的大型电抗器

2、谐波滤波器：转换器在交流和直流侧产生谐波电压和电流。这些谐波可能会导致电容器和附近的发电机过热，干扰与电信系统。过滤器是必要的在交流和直流侧气。由于系统的RMS行为被认为是在本文中，只有交流侧谐波滤波器的模拟。

3、无功电源：直流变换器固有吸收无功功率。在稳态条件下，无功功率消耗的有功功率约为50%。在瞬态条件下，无功功率的消耗可能会高得多。因此，无功功率源的转换器的交流侧。随着交流滤波器相关的电容器也提供必要的无功功率的一部分气。

3.3高压直流输电经典控制选择

高压直流输电系统高度可控。它的有效利用取决于适当的利用这种可控性，以确保所需的电力系统的性能。的目标，提供高效，稳定的操作和最大限度地提高功率控制的灵活性，而不影响设备的安全性，各级控制采用分层方式。

高压直流电源的连接如图5所示。它代表的是一种单极或双极连接杆连接，等效电路如图6所示：

图6：高压直流电源的等效电路图

从整流器流向逆变器的直流电流是：

整流器和逆变器终端的功率：

在线路上的任何点的直流电压和电流（或功率）可以被控制 ：

1：控制内部电压。这是通过栅极/栅极控制阀来点火；

2：通过对变换器的抽头来改变交流电压；

电压控制速度：

1：.grid/gate控制快速：1～10ms。它始终是用于快速行动和动态控制。

2：.tap变慢5 6S的每一步。它总是用于慢动作和稳态控制。

对于高压直流输电经典控制的选择，考虑影响控制特性的选择:

1：交流系统电压变化引起直流大波动的预防。

2：保持直流电压接近额定值。

3：在尽可能高的发送端和接收端保持功率因数。

4：预防逆变器换相失败。

3.4高压直流输电经典控制特性

a）理想控制特性：

在正常操作下，整流器保持恒定电流，逆变器的工作与恒定消光角，保持足够的换向裕度。这种控制概念如图7所示的稳态电压电流（V-I）特性

图7 高压直流输电的理想电压电流控制

b）实际控制特性：

在实际应用中，点火角alpha;、熄弧角gamma;和系统电压有一定的限制。考虑这些限制，实际控制特性如图8所示。不同片段的解释可以中得到。

图8 高压直流电源的实际特性控制曲线

在本文中，采用以下控制：

1.整流器通过改变保持恒定电流

2.逆变器保持工作足够的减刑幅度和电压恒定的消光角gamma;。

四.系统研究

为了评估风力发电厂电压控制对电力系统电压稳定性的影响，进行了不同的模拟。用以下两个案例来验证风力发电厂电压控制的贡献。

案例1：只有与风力涡轮机/风力发电厂电压控制器

案例2：与风力发电机组/风力发电厂电压控制器和同步发电机电压控制器.

在这两种情况下，整流器保持恒定电流和逆变器的工作与恒定的消光角，以维持足够的换向裕度。

4.1风力发电厂三相短路

一个三相短路电路（在t = 0.5 s）在风力发电厂（wp_pcc PCC节点，如图1所示的模拟。）。在不同的总线电压，来表示系统的电压的特征:

图9 案例1：wp_pcc和发电机电压

图10 案例2：wp_pcc和发电机电压

图9和图10，在节点wp_pcc和Gen电压说明。显然，风力发电机电压控制器将加强电力系统的电压控制，从而提高系统的电压稳定性。

从图11到14，高压直流输电的经典链路电压。显然，风力发电机电压控制器也可以加强高压直流输电的经典电压控制，从而提高系统的整体电压稳定性。图13和图14中电压的负值是因为转换器桥的基础值只有半直流标称电压。

图11 案例1：直流电压（节点REC2）

图12 案例2：直流电压（节点REC2）

图13 案例1：直流电压（节点inv2）

图14 案例2：直流电压（节点inv2）

4.2三相短路直流经典链接（转换节点REC_AC）

为了证明风力发电机电压控制器对直流输电系统经典的贡献，三相短路是在转换节点REC-AC模拟,正如图1中所定义的。为了防止换相失败，需要加一个短路电抗（短路阻抗值是1Omega;）。不同线路上的电压用来保证系统的稳定。

图15和16显示电压节点wp_pcc和将军可以看出风力发电机电压控制器将保持系统电压稳定在一定范围内，从而提高系统的电压稳定性。

图15 案例1：wp_pcc和发电机电压

图16 案例2：wp_pcc和发电机电压

图17到20证明在高压直流输电的经典环节。从仿真结果可以看出，风力发电机电压控制器也可以支持高压直流输电的经典电压控制，然后提高系统的整体电压稳定性。图19和图20中电压的负值。图19中电压的负价值，图20也因桥梁基础值仅为一半的直流额定电压。

图17 case1：高压直流电压的2处节点

图18 case2：高压直流电源的REC-2节点处电压

图19 case1：高压直流电源的INV2节点处电压

图20 case2：高压直流电源的INV2节点处电压

五.结论

本文分析了双馈发电机的风力发电厂的电压控制稳定特性,配有同步发电机与直流输电单极控制器经典连接的电力系统模拟，在传统的控制器上添加发电机和直流输电单极的链接。仿真结果表明，风力涡轮机和风力发电系统电压稳定的直流电压，传统的控制方式也可以通过该电压控制得到改进。

参考文献：

Bluhm,R. and Fortmann,J.(2010),Advanced two level voltage control in wind farms with

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