[论文解读] A Grid Fault Tolerant Doubly Fed Induction Generator Wind Turbine via Series Connected Grid Side Converter

P.S. Flannery, Giri Venkataramanan|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

Wind Turbine Control Systems被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新型双馈感应发电机（DFIG）风力发电机组架构，集成并联电网侧整流器与串联连接的电网侧变流器，以实现完整功率处理和增强的低电压 ride-through（LVRT）能力。通过结合两种变流器配置的优势，该系统在电网故障期间实现了改进的故障穿越性能，并保持了发电机轴电流与电网电流的稳定控制，动态建模与仿真验证了其有效性。

ABSTRACT

With steadily increasing wind turbine penetration, regulatory standards for grid interconnection are evolving to require that wind generation systems ride-through disturbances such as faults and support the grid during such events. Conventional modifications to the doubly fed induction generation (DFIG) architecture for providing ride-through result in limited control of the turbine shaft and grid current during fault events. A DFIG architecture in which the grid side converter is connected in series as opposed to parallel with the grid connection has shown improved low voltage ride through but poor power processing capabilities. In this paper a unified DFIG wind turbine architecture which employs a parallel grid side rectifier and series grid side converter is presented. The combination of these two converters enables unencumbered power processing and improved voltage disturbance ride through. A dynamic model and control structure for this unified architecture is developed. The operation of the system is illustrated using computer simulations.

研究动机与目标

• 为解决传统DFIG系统在电网故障期间维持穿越能力的局限性。
• 克服纯串联连接电网侧变流器在DFIG系统中功率处理能力差的问题。
• 开发一种统一的DFIG架构，实现完整功率处理与增强的故障穿越性能。
• 设计适用于所提出的混合变流器拓扑的动态模型与控制结构。
• 通过仿真验证系统在电网故障条件下的性能表现。

提出的方法

• 在统一的DFIG架构中集成并联电网侧整流器与串联连接的电网侧变流器。
• 采用双控制策略：一种用于并联整流器以控制有功与无功功率，另一种用于串联变流器以在故障期间提供电压支撑。
• 建立混合系统的动态模型，以分析稳定性和故障响应特性。
• 采用协调控制框架，确保在正常与故障条件下两台变流器之间的无缝运行。
• 在多种电网故障场景下对系统进行仿真，以评估性能与穿越能力。
• 应用标准DFIG控制原理，针对双变流器拓扑进行调整，以维持电机与电网电流的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DFIG风力发电机组如何在保持强大低电压穿越能力的同时实现完整功率处理？
• RQ2 在DFIG系统中，将并联电网侧整流器与串联连接的电网侧变流器结合，其运行优势是什么？
• RQ3 与传统DFIG配置相比，所提出的双变流器架构如何改善电网故障期间对发电机轴电流与电网电流的控制？
• RQ4 为确保混合变流器系统稳定运行，需要哪些动态建模与控制策略？
• RQ5 在真实电网扰动条件下，所提出的架构在多大程度上提升了故障穿越性能？

主要发现

• 所提出的混合DFIG架构实现了完整功率处理，克服了纯串联连接电网侧变流器在功率处理能力上的局限。
• 该系统表现出改进的低电压穿越能力，在电压暂降事件期间仍能保持稳定运行。
• 动态仿真结果表明，故障条件下发电机轴电流与电网电流均保持在可接受范围内，确保系统稳定性。
• 并联与串联变流器的协调控制可实现有效的电压支撑与故障穿越，同时不损害功率传输效率。
• 与仅采用并联或仅采用串联电网侧变流器的传统DFIG系统相比，统一架构提供了更优越的故障穿越性能。
• 仿真结果验证了所提出控制结构在电网扰动期间维持系统稳定性和电能质量的有效性。