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现代控制方面基于双馈式感应发电机的电力系统:一个回顾

J.S.泡沫1,年代。年代Dhillon2,S.Marwaha3
  1. 副教授,EE的部门,技术研究所Kurukshetra、哈里亚纳邦,印度
  2. 高级助理教授、ECE称,王牌,Devsthali,安巴拉、哈里亚纳邦,印度
  3. 教授,易爱易称,SLIET、Longowal Sangrur,印度旁遮普
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文摘

基于双馈感应发电机(DFIG)的风力涡轮机是一种新兴技术,它变得越来越受欢迎的原因是它的各种优势固定测速发电机系统。基于DFIG生成最大功率风力涡轮机有能力不同和调速,控制活动和无功功率的能力的集成电子电源转换器,低成本的额定功率转换器组件,等等。这项研究提供了一个概述和文献调查在过去的几十年里在不同的问题由于渗透的WT-DFIG DFIG的电力系统和控制方面。

关键字

DFIG,电池存储系统,风力涡轮机

介绍

世界上最大的发电和由不可再生燃料如煤、天然气和石油。这些燃料向大气中排放大量二氧化碳的其他有害气体及其残留在水中,这引发了全球变暖问题的地球人类和野生动物的健康问题问题[7]。国际能源机构首席经济学家根据FatihBirol,经济合作与发展组织(oecd)的(IEA),世界电力需求预计将翻倍从2000年到2030年,以每年2.4%的速度增长。这是比其他任何能源需求。总电能消耗的份额从2000年的18%上升到2030年的22%。电力需求增长是最强的发展中国家,需求将上升了4%以上在投射期间,每年获得超过三到2030年。因此,发展中国家电力能源需求将全球电力份额从2000年的27%上升到2030年的43% [2]。不可再生资源也在储备每年贬值,而不是持久的。采购成本增加一天,它将成为发展中国家负担不起。所以,这些国家不得不面对需求之间的不平衡和停电。 Some developed countries also have faced some blackouts in the past. This harms drastically their economy. Hence cost, availability and environmental pollution and health issues become the limiting factor for these fuels. No, doubt we can go for nuclear fusion (H+H =He + abundant source of energy but nobody knows when we able control it?) and nuclear fission (Pl and Uranium on splits as chain reaction gives a large amount of heat energy and harmful radiating residues which is the major cause of health problems for any country as already faced by Japan and Russia) .The earth disturbances, human population and atmospheric are still limiting factors for nuclear fission. In present scenario to cope up the demand of electricity, we must have to divert for another solution. So, solution of this critical situation would be provided by the natural resources. These resources characterized as renewable energy resources such as Wind, solar, hydro, Geo and Bio-gas. In past few decades there is a lot of research findings to capture these energies and new technologies being listed by researches [1-3]. Out of these resources wind energy conversion systems (WECS) becomes so much popular in the world. There are some other limiting factors related to other natural resources such as for solar energy costlier solar cell and long-lasting storage battery technologies, required large area for 1MW plant ,maintenance problems after atmospheric conditions and need more man power. Secondly, hot air fed turbine technologies based power plants based on solar energy constrained by atmospheric conditions, availability of day light and need to keep up large amount of hot sand reserve at night. Other natural resources and their limiting factors are as follows:
一个¯ƒ˜生物质工厂排放有害气体在能量转换和收获生物质农作物需要更多的能量比以往生产后。
一个¯ƒ˜水电大坝会破坏周围的水生生态系统和可以永久改变一些物种的行为。另外,淤积会对大坝造成永久性损伤,非经营性离开它。
一个¯ƒ˜地热钻井成本的非常高,选择一个好的网站需要大量的时间。
上面的天然来源的风能转换系统包括转换设备少,土地需求,少维护,直接耦合发电机轴的风力涡轮机。所以许多wec技术可分为:固定速度和变速wec。固定速度采用鼠笼式感应发电机(SCIG)机械电力转换元素构造软起动技术简单,但可能会影响电力系统的稳态稳定性不平衡条件下如阵风风,在母线电压电压下降,需要一个僵硬的电网和不容忍弱电网[1 - 6]。变速wec主要采用两种技术,如SCIG电容器银行和软起动器替换为一个完整的转换器。它需要100%的评级电力稳定设备功率因数校正(事实)的发电机评级。它使更有效的稳定状态稳定措施受到高成本的转换器(1、4、5)。第二个变量wec技术是基于双馈感应发电机(DFIG)风力发电电力转换元素如图1所示。这种技术变得如此受欢迎,选择世界上最大数量的国家。有以下优势上市基于DFIG wec [4 - 6]:
¯¶转换器系统提供无功补偿和平滑网格集成。
一个¯¶市场占DFIG系统(75%)其他任何类型的wec很多倍。
一个¯¶专利是对DFIG控制约86%。伍德沃德提出10相同领域的专利申请在2010年,因为它没有知识产权活动的纪录。
¯¶转换器评级只有25% - -30% inDFIG总额的100%相比标称功率的发电机。
一个¯¶定子提要剩下的70% -75%的总功率直接进入电网。
一个¯¶广泛的变速约±30%同步转速。
在当前场景中由于大量的渗透DFIG wec和互连主要电网产生新的稳态稳定性研究人员和科学家面临的挑战由于一些调节问题不平衡条件下如电压凹陷或故障发生在网络使性能差,断层度过(FRT),低压度过(LVRT)功能下的DFIGWTs过渡时期,国际米兰区域振荡在长距离传输中保持恒定输出功率电网,并最大限度地获取不断波动的力量,发生次同步谐振(SSR)串联补偿电网络成为新的研究领域DFIGWTs连接系列补偿网络,大型直流环节电压无法避免的振荡电网侧变换器控制器没有优化,适当选择绝缘栅双极型晶体管(IGBT变频器设备)热阻抗、小信号稳定性问题和稳态问题。一些其他问题也被研究人员研究发现如转换器的电池能源系统优化(BES),定子谐波电流的控制,直接转矩控制,振幅频率控制、负荷频率控制,转子开环控制,控制基于惯性由DFIG Hysteresis-Based当前监管机构和动态稳定控制使用的事实。本文概述一些新兴的相关的问题与采取的基于DFIG wec研究人员在过去和他们提出的新技术。大约有数千名研究IEEE活动(DFIG控制方面研究出版物)在过去的几十年。图2显示了重大IEEE的IP活动在DFIG近似。

新出现的问题,基于DFIG wec的控制措施

DFIG的新兴问题及其控制wec上面图2所示,一个接一个地描述如下:
(一)协调控制的频率调节能力。
(DFIG)的wec没有提供频率响应的输出功率和电网频率之间的解耦。DFIG的权力也准备金比率问题,因为最大功率点跟踪翻译(MPPT)操作。[8]提出了一种新颖的频率调节由DFIG-based风力发电机协调惯性控制、转子速度控制和螺旋角控制,在低和高风速的变化。
(b)电池控制操作(贝丝)
[9]提出了一种新的基于电池储能系统(贝丝),试图减少对电网的功率波动不确定性风条件,与现有的控制策略相比,像最大功率点提取统一功率因数DFIG的状况。[10]提出了修改的DFIG转子侧直流环节电容被替换为喜神贝斯。相关的协调优化控制器使用细菌觅食技术(基于提取)阻尼功率振荡。此外,一个进化迭代粒子群优化(PSO)的方法最优wind-battery协调提出了一种电力系统在[11],[12]。
(c)定子电流谐波控制
[13]提出了sixth-order谐振电路消除负序5谐波和谐波电流正序7日定子电流的基本组成部分。定子电流谐波控制回路被添加到传统的转子电流谐波抑制的控制回路。从电网电压谐波的影响讨论了DFIG也在[14]- [17]。谐振控制器已广泛应用于谐波对DFIG控制和不平衡控制和电源转换器系统[17],[18]- [25]。谐振电路的使用旨在实现高带宽还在特定频率和消除三相谐波电流
电源转换器系统[16]-[20]和DFIG在电网电压畸变[17]。[22]-[24],谐振控制器是用来保持平衡输出的电流在电网电压不平衡。
(d)故障度过
电网故障时对DFIG构成一个过载条件试图稳定风电场。这将检查故障度过DFIG的能力。[26]提出了直流环节chopper-controlled制动电阻器与辅助转子电流(SRC)控制转子侧变换器的DFIG和系列动态制动电阻器(SDBR)连接到DFIG的定子。(27、28)的一项研究关注稳定FSWT设备没有使用任何事实。一系列动态制动电阻器(SDBR)是用于提高组成的大型风力发电场的FRT IGs[29],在[30]SDBR被连接到的DFIG转子侧变换器改善其故障度过能力。超导故障限流器(拓扑结构)[31],消极抵抗网络[32]和系列anti-parellelthyristors[33]连接到网格连接DFIG定子的一面。[34]提出了一种新的控制策略使用dc-chopper插入DFIG的直流环节电路和一个小的价值SDBR连接在DFIG的定子系列,前者的充当一个阻尼负载抑制直流母线电压在电网故障。
(e)主动/无功功率调节
[35]DFIG机电设备,与转子电压非线性系统建模和叶片距角作为其输入,主动和被动的权力作为其输出,空气动力学和力学参数的不确定性。控制器开发能够最大化的最高权力的有功功率跟踪(MPT)模式,调节有功功率的功率调节(PR)模式同时调整无功功率来实现所需的功率因数。翻译为MPPT自适应控制(35-38)和模糊方法(39 - 41)提出了虽然不知道Cp-surface。在[42]开发了一种非线性控制器,同时使控制有功功率在MPT和公关模式与空气动力学和力学参数是已知的。[43]提出了一个动态模型的BDFIG两台机器的转子机电由相互关联的。方法用于提取最大功率在任何给定的风速是实现最大功率点跟踪翻译(MPPT)算法的基础上,讨论了VSR的各种控制策略[44-46]。它已被证实在[43]提出BDFIG系统可用于大型离岸风能应用程序与降低系统维护成本。[47]提出了一种基于模型预测控制器DFIG的功率控制和内部模式控制器[48],[49]有令人满意的性能与π的反应相比,但是很难实现一个由于配方预测函数控制器和内部模式控制器。基于模糊的DFIG功率控制可以实现[50 51]。
(f)电压不平衡控制
[52]风能通常安装在农村,偏远地区的特点是弱,输电电网不平衡。电压不平衡因子(VUF)被定义为负序级除以正序级。拓扑控制是相当标准的(基于stator-voltage-oriented dqvector控制使用。这个方向可以称为¢€•网格通量orientedA¢€–控制[52]。[53]实现新的转子电流控制方案,由一个比例积分(PI)调节和抑制谐波共振(R)第五和第七次谐波。的稳态和瞬态响应DFIG-based风力发电systemunder平衡[53]-[56]和[57]-[64]电网电压不平衡条件已经很好理解。[61]和[62]提出了比例-积分(PI)。加上共振调整电网频率两倍电流对电网和rotor-side转换器控制器。例如,标准ieee - 519 - 1992[65]和ER G5/4-1[66],分别推荐不同的实践和谐波在电力系统控制的要求。显示在[67]和[68 - 69],供应系统中谐波的存在导致转矩脉动和增加了电机的铜和铁损。 [70] presented a feedback/feedforward nonlinear controller for DFIG. The mechanical and electrical parts of the wind turbines are considered separately in most of the current literature: [71]–[88] considered only the mechanical part, while [96]–[103] considered only the electrical part, focusing mostly on the DFIGs. [104] considered both these parts, its controller was designed to maximize wind energy conversion, as opposed to achieving power regulation (i.e., only operate in the MPT mode).
直接转矩控制(g)
直接功率控制(DPC)是基于直接转矩控制的原则[105],[106]。DPC应用于DFIG功率控制已经在[107],[109]。这种策略计算基于定子磁通估计的转子电压空间矢量和权力的错误。DPC的另一种选择就是力量误差矢量控制[110]。这一策略是不那么复杂,获得结果类似于权力的直接控制。抗干扰控制提出了改善控制器性能[111]。预测控制是一种控制技术,应用于机驱动器和逆变器[112],[113]。有些调查喜欢远程预测控制[114],一般预测控制[112],和模型预测控制[115],[117]应用于感应电动机驱动器。
提出了一种预测DPC对DFIG在[118]。[119]DTC控制是实现电网电压,转子电流和转子位置。使用最广泛的RSC的控制技术是继矢量控制(FOC)[120]和直接控制技术,如直接转矩控制(DTC),[121],[122]和直接功率控制(DPC) [123], [124]。然而,开关频率控制可以使用预测控制执行[125]。gridside转换器(GsC)也可以由FOC[120],[126],[127]或直接控制技术的DPC [128]。与电网连接执行只RsC DFIG-based风系统控制,GsC不会详细的摘要[129]。[130]提供了一个控制策略基于虚拟转矩的直接控制网格在DTC连接和运行过程中,用同样的DTC转换表像[131],但没有使用PI调节器和栅极电压,转子电流和转子位置测量是必要的。应用变结构控制(VSC)技术的电气驱动和风力发电[132 - 136]。
(h)开环转子位置:传感器控制算法
传感器的转子位置估算方案在降低电压开环类别雇佣一个积分器(通量估算)[138 - 139]或依赖于逆三角计算。实时[140]或递归过程[141 - 142]。遭受饱和的一些技术在集成阶段或在其他级别的过程导致表现不佳时,机器运行速度同步[138 - 140]或[141]机器参数变化的影响。通量估算的基础上提出了一种递归方法在[142 - 145],在定子磁通magnetising电流而不是使用re-computation定子组件通量估计。有几个position-sensorless方法提出了[146],[161]。有重大挑战设计一个双馈绕线转子感应电机的无位置传感器。
(我)大小和频率控制
级和频率控制(MFC)策略提出了双馈感应发电机(DFIG) [162]。通量大小和角度控制(FMAC)讨论了[163 - 166]。为了得到转子速度和位置信息,准确的位置编码器将装备或少一个传感器算法将应用(167、168)。这些方法增加了系统的复杂性。另一个有用的控制策略是基于直接功率控制(DPC) (169、170)。尽管拟议中的MFC方案有一些优点,系统动态响应并不如前一节所示。PI控制的参数可以优化或先进控制方法可用于未来的改善系统性能。
基于控制的惯性由DFIG (j)
摘要[171]设计了一个辅助控制调整螺距补偿和最大有功功率转换器以提高惯性在DFIG的瞬态响应。介绍了一种方法提出了[172]。这项技术是基于改变DFIG扭矩设定值根据系统频率的导数。然而,这种方法有一定的局限性。工作进行的(173 - 174)主张类似的方法,提出了一种辅助调节提供了应对自然的惯性反应。主频率控制电网频率偏差的基础上提出了[175]。类似的概念与方案提供频率响应提出了通过de-loading风力涡轮机在[176]和[177]。工作报告[178]确定最大有功功率的峰值和持续时间,可以提炼出商用通用电气3.6 MW风力涡轮机。工作还涉及不同的风力涡轮机的物理参数的可能性。[179]中给出的控制概念旨在提供增量的能量相当于一个同步发电机惯性常数为3.5多工作站系统/ MVA。 According to [180], wind turbine frequency response is limited to a short time period. Proposed the idea of coordination with conventional generation units by feeding an additional signal based on participation factors. The work carried out in [181] addresses governor regulation, current control limits of the converter, and auxiliary loop parameters while investigating frequency response from DFIG based wind plants.
(k) Hysteresis-Based当前的监管机构
[182]提出了一种增强hysteresis-based电流磁场定向矢量控制的监管机构与PI控制器的双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮机。然而,其性能取决于机器的准确估计参数和它所面临的一个复杂的控制结构[182]。在[183],[184]因此,系统制定只围绕一个特定的操作条件和有效响应将偏离如果操作点不同。名义条件,例如,在现代电网电压凹陷/膨胀条件要求代码[185]。非线性控制方法,如直接转矩/功率控制(DTC / DPC)方法,解决在[186],[187]。提出了修改方法来克服这些问题[189],[193],但是额外的缺点,比如加入更多的PI控制器[190],[191],减少机器参数鲁棒性变化[189],[191]和复杂的在线计算需求[192],[193]。基于同样的原理应用于直接转矩/ DPC,建议替换传统的PI电流调节器与非线性预测电流调节器[194]。
使用事实设备(l)的动态稳定
[195]提出了一种利用模态阻尼控制器设计的STATCOM控制理论贡献有效,电力系统稳定分析结果改进使用STATCOMs和阻尼控制器的设计提出了STATCOMs [196 - 197]。系统建模和控制器设计的快速加载的电压调节和缓解使用STATCOM电压闪烁显示在[198]。一个新的DSTATCOM控制算法使单独的控制提出了积极和依靠电流的[199]。[200]研究STATCOM的动态性能和静止同步串联补偿器(SSSC)。非线性系统的动态性能的优化STATCOM控制器三相故障条件下评估[201]。讨论和比较不同的控制技术,如PSS,静态无功补偿器(SVC)和STATCOM的电力系统阻尼不良inter-area振荡进行了STATCOM的PI控制方法是比较了各种反馈控制策略,并根据等方面控制线性最优控制(202 - 203)。ASTATCOM提出了基于电流源逆变器(CSI) [204]。集成STATCOM /贝丝和性能不同的事实/贝丝组合相比,提供了实验验证该控制一个按比例缩小的STATCOM /贝丝系统[205]。SVC和STATCOM与IGs技术连接传输系统讨论了风电场[206]。

研究差距在文献中找到

空白的研究发现在上面的文献如下(8 - 206):
一个¯‚—需要探索系统行为和控制策略仿真模型以及实验。需要提高系统稳定广泛的通过添加位置传感器转子转速的变化。
一个¯‚—需要构造一个仿真模型从理论上研究IG连接到电网的性能不仅对电压波动的稳态和暂态稳定方面也更加快速和有效的方式。
一个¯‚—需要开发一种技术测量谐波研究谐波的影响,介绍了循环换流器在DFIG连接到电网的性能。
一个¯‚—需要优化DFIG有功功率需求来提高系统的效率
一个¯‚—DFIG提供宽控制在活跃,反应性和效率,但这些因素合并的要求比较高成本的电力电子设备。
一个¯‚—DFIG的动态模型是有限的理论假设机械正弦变化,影响保护装置没有显示,需要开发一个数学模型来研究非线性行为来预测实际机械振动及其对保护装置的影响。
一个¯‚—基于模糊逻辑和神经网络控制器,以及基于状态估计的控制器,可以用来将各种控制目标之间的交互DFIG -WECS。
一个¯‚—变速风力发电机,变频器的控制和保护和发电机系统必须包含在模型和一个详细的模型是必需的
一个¯‚—风力涡轮机的发展标准通用电力系统动态模型嵌入在通常的数值工具使用。
一个¯‚—鲁棒控制缺失的漏电感,转子被忽视的文学和需要考虑的影响变化在转子漏电感DFIG在电压不平衡条件下的性能。也平衡网络电压不平衡条件后应该探索与控制策略。
一个¯‚—不恰当的数据和粗糙对负载变化导致不准确的结果。需要开发控制策略来消除不确定性在电压波动补偿电容的需求。需要开发的DFIG模型基于变分微分方程。
¯‚—增强控制器响应新技术基于模糊或神经网络需要实现使更好的鲁棒控制参数变化。
一个¯‚—需要开发更现实的模型通过连接风电场模型,传统的发电厂和事实设备相同的网格。参数变化和鲁棒控制策略将有助于证明稳定性问题。
一个¯‚—作为转子非线性波动效应证明HOSM技术的帮助下,但它会打开新的研究兴趣开发新控制器策略减少DFIG电力波动。
一个¯‚—基于简单的dq转矩控制技术,无功功率,分析了直流环节电压平衡和不平衡故障度过没有考虑性能和先进的控制器部分。然而,这个模型有很好的控制性能,但性能研究没有探讨大型风电场与电网相连。
给了一个¯‚—研究更好地理解IGBT生活时间转换器,但仍需要开发新的测量控制器基于最小化整体损失发生在DFIG风力发电场。
一个¯‚—尽管拟议中的MFC方案有一些优点,系统动态响应没有想法,如前一节所示。PI控制的参数可以优化或先进控制方法可用于未来的改善系统性能。

数据乍一看

图1 图2
图1 图2

引用














































































































































































































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