基于MPC的虚拟同步双馈风机并网系统次同步振荡抑制策略

【目的】虚拟同步控制的引入使得双馈风机(DFIG)与线路补偿装置间的次同步振荡更为复杂。针对此问题,提出了一种基于模型预测控制(MPC)的虚拟同步双馈风机并网系统次同步振荡抑制策略。【方法】首先,从虚拟同步发电机(VSG)阻抗模型中得到虚拟惯量和阻尼二阶表达式,从阻抗特性的角度探究参数变化对并网系统次同步振荡的影响;其次,利用三相两电平含开关函数的电压方程推导换流器输出有功和无功功率的预测函数,建立基于MPC的直接功率预测内环控制,实现功率波动最小的最优控制;最后,利用扫频法对MPC_VSG控制策略进行分析。【结果】通过基于RT-LAB的硬件在环测试对所提MPC_VSG控制策略进行验证,结果表明在不同串补度、不同风速下,MPC_VSG控制策略均能够在0.5 s内抑制次同步振荡,且具有良好的鲁棒性。【结论】本文设计的MPC_VSG控制策略,通过以最小功率波动为目标选取最优开关状态,实现了对次同步振荡的有效抑制。

双馈风机对电网频率扰动的动态响应建模与分析

含高比例新能源和高比例电力电子设备的电力系统频率调节能力下降,频率安全问题突出。新能源发电设备利用电力电子接口并网,一般采用最大功率点跟踪控制,被认为不响应系统频率变化。但是,双馈风机通过定子回路与电网直接耦合,会在机电耦合与转子回路解耦控制的共同作用下对频率扰动产生复杂的响应。已有研究注意到该特性,但目前还缺乏准确描述双馈风机频率响应过程的模型和对特性机理的深入分析。为此,提出一种不依赖并网点电压信息、可直接集成于电力系统频率响应模型的双馈风机降阶频率响应模型。利用该模型揭示了双馈风机的频率响应机制为锁相环和外环的级联耦合效应,并证明其频率响应不属于惯量响应的范畴。最后,分析了双馈风机对电力系统频率动态的影响。

含双馈风机接入的电力系统送端暂态稳定性研究

针对高渗透率风电接入送端系统,基于静止无功补偿器的风机等值阻抗模型,研究双馈风机在接入不同容量比例、不同位置、不同接入方式下对系统送端功角稳定性的影响。推导了单端送电系统同步机电磁功率特性;修正了同步机的功角曲线,利用等面积定则得出系统故障时加速面积和减速面积的变化,以及使用新型等效模型在不同因素下对系统暂态稳定性的影响。最后通过仿真软件验证理论分析的正确性。结果表明,风机等容量替换同步机有利于系统暂态稳定,风电直接接入不利于系统暂态稳定,风机接入位置越靠近系统侧越稳定。新型等效模型增强了系统暂态稳定性。

基于锁相同步的双馈风机暂态稳定方法研究

随着大量双馈风电机组(DFIG)并入电网,电力系统在扰动下更容易出现暂态同步失稳问题。目前双馈风机大多采用锁相环(PLL)实现与电网的同步,但是这种同步方式接入电网会出现不稳定问题,当锁相环不能同步时,会引起并网侧甚至整个系统电压暂态失稳。将若干双馈风机并入IEEE 10机39节点系统,双馈风电机组的同步稳定性与锁相环动态特性紧密相关,通过利用同步相量测量装置(Phasor MeasurementUnit,PMU)采集母线电压,利用最大李雅普诺夫指数法分析了电力系统的暂态电压稳定性,验证了其有效性。

计及电流限幅的构网型双馈风机暂态模型建模及适用性分析

在构网型双馈风机(grid-forming doubly-fed induction generator,GFM-DFIG)暂态研究过程中,通常保留时间尺度较大的同步控制及外环控制环节进行暂态建模。为了适用于暂态能量函数法等传统暂态稳定分析方法,需要忽略暂态变化过程中外环的积分环节动态,进一步降为二阶模型,如此会带来一定的误差。针对忽略积分动态带来的误差问题,建立了考虑电流限幅环节的GFM-DFIG二阶暂态模型,通过暂态能量函数法计算暂态极限电压(transient stability limit voltage,TSLV)和极限切除时间(critical clear time,CCT)。然后,基于以上指标分析忽略积分动态对二阶暂态模型的误差影响。最后,将二阶系统与全阶模型仿真结果进行误差对比,基于CCT误差开展定量分析,揭示系统参数对相对误差的影响规律,并总结二阶模型的适用性范围。

不对称弱电网下双馈风机系统的稳定性评估及正负序虚拟转子电感控制策略

不对称弱电网下,双馈风机与电网之间存在着复杂且剧烈的交互作用,严重影响风机运行的稳定性以及向电网输送功率的能力。针对该问题,建立了双馈风机系统源荷耦合的单输入单输出(SISO)等效模型,分析了系统失稳机理,特别是探明了正序有功电流、电网不对称故障深度等因素对稳定性的作用规律。提出了正负序虚拟转子电感控制策略,厘清了虚拟转子电感参数对系统稳定性的作用机理,并据此给出了参数整定依据,有效提升了双馈风机系统在弱电网下的稳定运行能力。理论分析表明所提模型大幅减小了稳定性分析时间,仿真及实验验证了理论分析结果的正确性和正负序虚拟转子电感控制策略的有效性。

基于转子动能的双馈风机频率支撑优化方法

“双碳”背景下,新能源发电量占比逐年提高,电力系统低惯量、弱阻尼特征显现,双馈风机DFIG(doublyfed induction generator)如何在经济高效运行的同时参与频率支撑,是目前电力系统所面临的主要挑战之一。在双馈风机综合惯量阻尼控制策略的基础上,分析系统的频率动态特性,提出基于风机转子动能的频率支撑策略参数优化设计方法,求解考虑二次频率跌落下满足最小频率偏差的惯量阻尼最优控制系数,最大程度抬升频率最低点,防范系统低频减载等安全稳定措施不必要动作。最后,通过仿真验证了所提基于转子动能的DFIG频率支撑优化方法的正确性和有效性。

基于干扰抑制的双馈风机功率优化控制

双馈风机受不同风速干扰的影响,导致功率控制准确性较差,为降低外界因素对风力发电机组的影响,研究基于干扰抑制的双馈风机功率优化控制方法。通过延迟闭锁环路建立跟踪模型,跟踪双馈风机运行信号。选择时域自适应滤波作为干扰技术,基于干扰抑制估计滤波误差,在故障产生时进行自我调节,获取双馈风机功率的自相关特性。引用快速指数趋近理论,以滑模控制引导状态向量变化,完成对双馈风机的功率控制,实现优化控制方法设计。实验以机组故障持续时间为测试条件,当故障持续0.2 s时,该文方法能够瞬时完成功率的控制。当故障持续1.0 s时,该文方法能够优化功率的波动情况,在较短时间内完成功率控制。

基于自定义深度学习网络双馈风机接入弱电网故障识别

针对双馈风机接入弱交流电网的故障检测问题,提出一种自定义深度学习网络框架下的故障识别和算法。首先采集实际系统的运行数据,通过归一化操作将其转化为零均值数据,然后用自定义深度学习网络训练数据集,形成预训练网络。同时模拟异常数据,输入至此前的预训练网络中,输出预测数据。根据预测数据和模拟异常数据计算出阈值,当预测数据和模拟异常数据差值绝对值超出阈值后,判断系统数据异常。仿真结果表明,所提方法能够比较准确地解决故障识别问题,可以被用于含双馈风机弱电网中故障检测。

基于GA-FC的双馈风机调频优化策略

双馈风机通过附加虚拟惯性控制和下垂控制参与电力系统调频,但固定的控制系数无法发挥风机实际调频潜力。针对这一问题,提出了一种将遗传算法和模糊控制(GA-FC)相结合的变系数风机调频优化控制策略。首先,为提高调频时功率支撑能力,分析了超速减载控制,对不同风速下减载率进行拟合;然后,参考其他文献虚拟惯性控制系数整定结果,对下垂控制系数进行整定,再通过GA-FC实现动态调整控制系数,实时挖掘风机实际调频能力;最后,在MATLAB/Simulink搭建仿真模型,对所提策略进行验证。结果表明所提策略能够有效提升系统频率支撑。

基于多源传感的智能双馈风机机械振动故障监测方法

针对双馈风机机械振动故障监测存在的信噪比低、故障监测分类差和时间长的问题,提出基于多源传感的智能双馈风机机械振动故障监测方法。首先采用信息熵度量智能双馈风机振动信号变化情况,获取信号在时频域上的信息熵特征,融合多源传感信号信息特征;然后引入全局搜索因子改进人工蜂群算法,通过改进的人工蜂群算法优化支持向量机;最后将提取并融合后的振动信号特征输入训练后的支持向量机,完成智能双馈风机机械振动故障监测。实验结果表明,所提方法的去噪效果和故障监测分类效果好、监测时间短。

直驱与双馈风机技术流派对比分析

本研究旨在比较直驱与双馈风机技术流派,首先对直驱风机控制技术和双馈风机控制技术进行对比分析,发现直驱风机因其高集成度、无需齿轮箱而在运行效率和可靠性方面具有优势,而双馈风机则因其部分功率转换能力,在电网适应性和调节灵活性方面表现出色。其次,研究聚焦于这两种技术的维护策略,并探讨了两种技术在能效优化方面的表现。直驱系统通常提供更高的能效和稳定性,而双馈系统则在变风速条件下展现出更好的功率调整性能。

双馈风机低电压穿越的改进技术研究

随着可再生能源的不断发展,风力发电在全球能源结构中扮演着越来越重要的角色。双馈风机由于其灵活的控制策略和较高的能效,已成为风力发电领域的关键技术。本研究聚焦于双馈风机在LVRT过程中的性能改进,通过分析现有的技术模型并提出改进措施,旨在增强双馈风机的电网适应性和稳定性。研究首先阐述了双馈风机的传统分析模型和改进模型,随后提出转子侧安装Crowbar电路、加装变频器UPS电源等具体技术改进措施。

基于模糊RBF神经网络的双馈风机励磁控制方法研究

为解决双馈风机运行中存在的有功功率调节波动较大的问题,引进模糊RBF神经网络,以浙江华电弁山风电场“面向多机型风电机组通用性自主可控关键技术研究与应用”项目为例,开展双馈风机励磁控制方法的设计研究。根据转子绕组励磁电压,建立双馈风机电磁关系模型;引进模糊RBF神经网络,设计双馈风机的有功功率调节;引进自抗扰控制技术,将未知扰动视为扩展状态,通过扩张状态观测器对其进行实时估计,以实现对双馈风机的自抗扰主动控制。结果证明,应用设计方法后,双馈风机有功功率波动范围最小,表明设计方法可有效保障在外界影响与干扰条件下双馈风机的运行。

基于LCL滤波器的双馈风机网侧变流器谐波抑制研究

针对双馈风机网侧变流器在电力系统中产生的谐波问题,提出了一种基于LCL滤波器的谐波抑制方法。该方法提出了网侧变流器等效阻抗模型,优化LCL滤波器的控制策略,有效降低了双馈风机输出电流谐波含量,提高了电能质量。结果表明,该方法不仅可行有效,而且适应性强,能够在不同运行条件下稳定运行。该研究为双馈风机网侧变流器谐波抑制提供了新的解决方案,有助于提升风力发电系统的整体性能和稳定性,对于电力系统的安全经济运行具有积极意义。

双馈风机等效惯量控制比例系数对系统功角首摆稳定的影响机理分析

随着具备惯量调节能力的双馈风力发电机组大规模接入电网,电网的功角稳定特性变得更加复杂。该文以双馈风机(DFIG)接入两区域互联电网为研究背景,首先推导两区域惯性中心等效模型,分析DFIG直接接入电网时虚拟惯量对两区域惯性中心转子运动方程的影响;然后从系统暂态能量的角度出发,研究系统发生三相短路故障及负荷突增时,系统功角摆动方向不同、两区域互联系统DFIG等效惯量控制环节比例系数不同对系统加速及减速过程中暂态能量的影响,进而研究其对系统功角首摆稳定的影响机理;最后通过系统功角首摆最大偏移量对系统功角首摆稳定性进行评估,并在PSASP仿真软件中搭建两区域系统仿真模型,验证所提理论的正确性。

基于次同步模态能量的双馈风机并网系统次同步振荡能量分析与溯源方法研究

该文提出一种次同步模态能量(sub-synchronous modal energy,SSME)方法,用于双馈感应发电机(doubly-fed induction generators,DFIG)并网电力系统的次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)分析和溯源。首先,通过广义哈密顿理论构建并分析了DFIG并网电力系统的SSME结构,证明了DFIG子系统或外送线路子系统的SSME方向是判断SSO源是否在该子系统内的充分必要条件。在此基础上,提出一种基于子系统SSME的SSO溯源方法,通过监测子系统SSME的方向,可以判断SSO源是否在子系统内。最后,构造了负阻尼与强迫类型的SSO场景以证明所提出的基于SSME的溯源方法的性能,并与现有暂态能量流(transient energy flow,TEF)方法进行了比较。时域仿真结果验证提出的SSO溯源方法的有效性,并表明其比传统的TEF方法具有更好的可靠性。此外,基于该文的SSME方法有望实现风机振荡参与度评估。

基于扩张状态观测的双馈风机次同步振荡阻尼控制策略

针对双馈风机经不同串补电容并网引发的次同步振荡问题,提出一种基于扩张状态观测的阻尼控制策略。该策略依据次同步振荡发生机理,以双馈风机转子控制方程为底层模型重构扩张状态观测器,实现对转子换流器中次同步分量的实时跟踪观测。并通过引入隔直环节和比例-移相环节,补偿次同步分量对转子输出电压的影响,进而有效抑制不同串补度下的次同步振荡。此外,通过理论推导深入剖析该策略次同步振荡抑制机理,并采用赫尔维茨判据对所提控制器的稳定性进行校验。最后,利用双馈风机并网系统仿真模型,对比分析所提控制策略与附加阻尼控制、自抗扰控制对次同步振荡的抑制效果。结果表明,该策略能有效抑制次同步振荡,提高了系统的鲁棒性。

基于Sobol方法阻抗灵敏度分析的双馈风机系统次同步振荡参数协调优化

针对经串补并网双馈风机系统次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)存在多控制环节参与、多参数耦合难以分析的问题,提出基于Sobol方法的双馈风机阻抗灵敏度分析及参数协调优化方法。首先,根据电压空间矢量阻抗法建立双馈感应发电机与转子侧换流器(rotor-side converter,RSC)数学模型,推导包含转子侧控制环节的双馈风机系统等效阻抗解析表达式;其次,利用Sobol方法进行阻抗灵敏度分析,量化各参数的影响,并计算评价各参数间耦合关系的量化指标;然后,得到考虑多影响因素的参数联合调整稳定域,提出了多参数的协调优化策略;最后,在MATLAB/Simulink搭建了双馈风机经串补并网的仿真模型,验证了联合参数调整稳定域以及协调优化策略的正确性。

基于转矩极限控制的双馈风机改进频率控制策略

基于转矩极限控制的双馈风机频率控制策略为系统提供频率支撑时,功率扰动较小情况下,暂态功率分担不合理会引起频率支撑阶段频率跌落,转速恢复阶段功率瞬时突变引起二次频率跌落。针对此问题,首先在频率支撑阶段提出了基于最大频率变化率的权重系数控制方法,以合理分担负荷扰动暂态功率,提升系统频率动态支撑能力。其次,在转速恢复阶段引入一次函数关系预设转速平滑恢复功率轨迹,避免有功突变,减少二次频率跌落。最后,基于EMTP-RV4.0仿真平台在不同渗透率及扰动下验证了所提方法的有效性。