利用SMES系列在转子侧提高基于dfig的风力发电系统的低vrt能力

抽象的

对风力发电机来说，低电压穿越(LVRT)能力是非常重要的。提出了一种基于双馈感应发电机(DFIGs-)的风力发电系统转子侧串联超导磁储能(SMES)的低vrt能力提高方法。当电网发生故障时，利用转子侧的SMES系列产生所需的输出电压并吸收能量。与其他利用超导故障限流磁储能系统(SFCL-MESS)提高低电压切换能力的方法相比，该策略可以通过控制SMES的输出电压直接抑制转子内的瞬态交流电压分量，更加有效、快速。开展了双馈电机低压故障下的理论研究;仿真结果在MATLAB/Simulink中进行了操作。

1.介绍

风力发电在过去的二十年里发展迅速[1］．DFIG是最广泛使用的风力涡轮机，但它很容易受到低压故障的影响。由于缺乏LVRT能力，许多风力涡轮机从网格中跳闸[2］．

有许多增强的方法可以解决这个问题。撬棍是一种实现LVRT能力的常用保护方法[3.- - - - - -5];它可以有效抑制过电压和过流，但需要从电网吸收大量的无功功率，对电网造成危害。电网变换器或转子变换器的改进控制策略已被许多研究者研究[6- - - - - -8]但是当发生深电压下降时，它无法有效地工作。能量存储装置适用于间歇风能的动态匹配。一些研究人员研究了WTGS的超级电容器或电池的使用[9- - - - - -11］．在DFIG中使用的中小企业降低功率波动，并在一些论文中研究了对电力质量的影响[12］．已经进行了SFCL-SME在DFIG的转子侧的应用。但它与DFIG通过三相二极管整流器连接;因此，SFCL-ME被插入转子电路中作为阻抗，这将不会提供帮助增强RSC的可控性。

本文提出了一种提高双馈电机低电压输电能力的新方法。SMES具有高效、快速的功率补偿能力，是DFIG中ESD的良好选择。大多数研究采用静电放电来解决通常与直流侧并联的问题。本文提出的方法是在转子侧利用SMES系列来产生期望的输出电压。通过对低压故障转子侧电压的分析，中小企业产生的反电动势可以快速有效地抵消过电压和过流。本文首先介绍双馈图的数学模型。然后分析双馈电机在正常情况下和低压故障下的行为，并介绍VSC-SMES的控制策略。

2. DFIG的数学模型

DFIG风力涡轮机的定子绕组直接连接到栅格。转子绕组通过背对背变压器连接到电网，其中电网侧附近的转换器称为网格侧转换器（GSC），同时在转子侧转换器附近称为转子侧转换器（RSC）。定子电压由栅格提供。转子电压由背对背变压器提供，其可以在频率，相位和幅度中调整。

本文采用定子电压定向(SVO)控制思想实现了该控制系统 参考系(13］．在这种系统中， -axes与定子电压对齐。因此，DFIG的公园模型可以表示如下： 在哪里是磁通量，是电感，和是电压和电流，分别为电流，阻力是下标吗 分别代表定子，转子和互相相互作用和是同步和旋转的角度频率 ．

一旦电网发生故障，定子电压会立即发生变化，因为它是直接与电网相连的。但是，根据磁链守恒原理，定子磁链的振幅不会发生转移。当电压下降时，定子磁链包含交流分量和直流分量，会在不同频率的转子侧产生过电压。

如[14]，转子反向EMF电压可以表示如下： 在哪里和有正常状态定子磁链和故障状态定子磁链。转子反电动势电压主要由(2)，因为转差频率比转子频率小得多。第二部分是(2）由定子通量决定，可以是默认值的几倍。

3.DFIG方法论与中小企业模型

与SFCL-ME不同，本文通过转换器开关控制控制SMES输出电压，这可能会抑制转子侧的过电压。

整个系统的拓扑结构如图所示1．SME通过电压源转换器（VSC）连接到转子侧。VSC-SME的拓扑在图中给出2．SMES可以与系统快速、独立地交换有功和无功功率[13］．

在正常电源的情况下，中小企业处于待机模式。在这种情况下，SMES将对DFIG引入阻力和电抗。因此，转子电压不等于转子转换器电压。如图所示3.，和分别为引入电阻和电抗。为了消除SMES串联对转子电压的影响，实现对SMES串联的控制

当发生低电压故障时，SMES输出电压抑制定子引起的转子反电动势电压;因此，当故障发生时，假定转子电流为零，转子反电动势电压由定子引起可以显示如下:

进行拉普拉斯变换后，电网故障下的定子电流可以表示为15]：

考虑到 大约为0，等式可以简化为：

根据上述分析，如果转子侧变频器能够提供相对激励电压，DFIG的低LVRT能力将得到增强。如此作为电网故障下VSC-SME的参考电压。VSC-SMES参考电压计算过程如图所示5．

3．1．中小企业控制

3．1．1．VSC控制

如图所示2，通过公园转型，VSC的数学模型参考帧表示如下：

VSC的当前内环控制采用内模控制策略[14];控制框图如图所示4．电流内环的闭环传递函数为

为了实现当前内循环的快速响应的目的，让等于0.0002秒。

3．1．2．直流-直流斩波器控制

斩波器有两种基本的操作模式：（)磁化模式;（）释放磁光模式。斩波器的数学模型是 在哪里磁体的电流是多少是每个交换机的开关状态;如果开关1开着，等于1。

在正常工作中，斩波器的控制是将磁体电流限制在设定范围内。当发生低压故障时，斩波控制是为了保持直流电压的稳定。中小企业的控制策略如图所示5．

3．2．RSC控制

在正常操作中，控制 转子电流的成分是控制DFIG的主动和无功功率。通常，控制系统的目的是获得最大风力。

最大风能跟踪的实质是控制双馈风力发电机的输出有功功率和控制电磁转矩以达到最佳的转速控制。当风力发电机的机械输出达到最大输出功率时，双馈风力发电机参考有功功率等于定子功率吗，如下所示： 在哪里是风力涡轮机的机械损失和定子的铜损耗，这是有关系的吗和．在做身份转换后（9）可以表示如下：

无功参考功率值可以通过实现DFIG的最低损耗或改善系统调节电力的能力来计算。在本文中，计算以达到DFIG的最低损耗。因此表达了如下所示:

DFIG的参考功率计算模型如图所示6．

当故障发生时，转子变换器的控制策略是无关的。考虑到中小企业将吸收风能，和可以设置为零以防止通过转换器的能量。因此，直流侧的电容器将不会吸收大量能量，其电压不会急剧增加。RSC的控制Stratagem在正常情况下以及电压下降时，如图所示7．

3.3。GSC控制

GSC控制的目的是保持直流电容器电压稳定性并控制输入功率的因子。GSC控制系统分为两部分：外部电压环和内部电流回路，如图所示8．负载扰动的补偿是通过负载电流的前馈实现的．系统通过引入的当前状态反馈解耦，．

4.经济分析

与其他能量存储设备相比，SEM具有高响应速度，高效率，高功率密度和高循环寿命特性的优点。但是，中小企业在DFIG中的应用将增加系统的成本。因此，在DFIG中应用的中小企业的资本成本是DFIG技术性能不可或缺的一部分。在能量存储设备方面，资本成本包含能源成本$ / kWh，电力成本$ / kW和循环成本。由于能量存储装置用于DFIG中，需要高功率特性。中小企业的力量成本低于其能源成本，这表明它们适用于大功率应用。桌子1显示存储技术的成本比较[16］．从表格中可以看出，与抽水蓄能、锂离子电池等储能设备相比，SMES的电力成本更低。此外，SMES的长寿命使得参与DFIG整个寿命的保护成为可能。总的来说，从经济等方面考虑，中小企业是DFIG ESD的良好选择。

5.模拟分析和结论

在MATLAB/Simulink中进行了仿真。仿真参数见表2．SMES的仿真参数如表所示3.．模拟的目的是在电网故障发生时遵守背对背转换器的性能。

瞬态电压故障发生在0.7秒并持续300毫秒。故障期间的电网电压降至0.网格电压如图所示9．数据10和11比较定子转换器和转子转换器的电流，而没有中小企业。当没有中小企业时，在低压故障的那一刻，定子和转子侧转换器的过电流几乎比正常工作范围大的五倍。利用所提出的方法，背对背转换器的电流始终处于经济实惠的范围内。而且，如图所示13，故障期间直流电容电压抑制良好。中小企业的输出电压 框架如图所示12．基电压与基转子电压相同。数字14显示了SMES瞬态电流响应。

与传统的控制策略相比，在电网电压降至0时，引入SMES的新控制策略可以将定子和转子的过流抑制在可承受的范围内。直流母线电压也可以有效地限制。

提出了一种新的控制策略，以提高双馈电机的低电压切换能力。该控制器通过控制SMES的输出电压，有效地抑制了故障时变换器的电流和电容电压。通过MATLAB/Simulink仿真验证了该方法的有效性。

的利益冲突

关于本文的出版物没有利益冲突。

参考文献

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