考虑频率耦合特性的D-PMSG复数域阻抗建模及其特征分析

阻抗分析法因其简单有效被广泛用于含电力电子变换器的互联系统稳定性研究。然而,采用传统方法对频域序阻抗建模时,需通过非线性变换(Park变换及其反变换)进行坐标系转换,这会导致不同周期分量的卷积运算及相应的频移,其过程较为烦琐。针对上述问题,基于复向量时域微分算子,提出了永磁直驱同步发电机(D-PMSG)等效阻抗建模方法。该方法在时域周期系统稳定运行轨迹的邻域内直接进行小信号线性化,并采用指数旋转因子灵活反映系统受扰后的时变特性,结合时域微分算子等效表征互联系统控制环节的动态特性,避免了频域阻抗建模时坐标系的反复变换,大幅降低了解析建模的复杂度。此外,所提方法能够更加清晰地阐释互联系统受到扰动时D-PMSG并网逆变器产生频率耦合现象的物理意义;同时,能够说明基频电压初始相位对耦合分量相频特性的影响。最后,利用仿真验证了所提算法的有效性。

基于D-PMSG的风火打捆直流外送系统送端功角暂态稳定性研究

风火打捆直流外送是解决能源丰富基地电力消纳问题及负荷中心能源短缺问题的主要方案。随着直驱永磁风电机组并网容量的不断增大,研究基于直驱永磁风力发电机(D-PMSG)的风火打捆系统送端功角暂态稳定性的意义重大。文章通过扩展等面积准则(EEAC)研究了由D-PMSG构成的风电场与附近火电厂打捆并经直流线路外送系统的送端功角暂态稳定性。当风火打捆系统中D-PMSG输入的功率由受扰严重群减机械功率来平衡的情况下,系统遭受大扰动时,其功角暂态稳定性比纯火电系统的好,且输电方式为直流线路时系统送端功角暂态稳定性比交流输电方式的好。仿真结果与理论分析结果一致,由此可知,由D-PMSG构成的风电场与附近火电厂打捆,经直流线路外送的方案可以提高系统的功角暂态稳定性。

D-PMSG经LCC-HVDC送出系统的次同步振荡特性分析

当直驱风机(direct-drive permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)位于电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)整流站近区时,系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)特性尚不清晰,相关研究有待开展。针对上述问题,基于D-PMSG经LCC-HVDC送出系统,利用模块化分块建模法建立小信号模型,用特征值与参与因子研究了系统SSO模式中D-PMSG与LCC-HVDC的参与情况,并用特征值分析了系统参数对SSO阻尼的影响。研究结果表明:存在D-PMSG与LCC-HVDC共同参与的SSO模式,且LCC-HVDC接入为系统SSO提供负阻尼;当D-PMSG输电线路阻抗、GSC控制器外环积分系数增大时,SSO模式阻尼减小;当GSC控制器外环比例系数、D-PMSG直流侧电容、D-PMSG的风速、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大时,SSO模式阻尼增大。基于PSCAD/EMTDC时域仿真结果,验证理论分析的正确性。

基于Boost变换器的D-PMSG风力发电系统MPPT控制

为了提高直驱永磁风力发电系统的最大功率点跟踪控制性能,通过对Boost占空比变化与风力机输出特性的关系分析,提出一种基于模糊梯度步长爬山搜索法,将风力机输出转速变化量和风力机输出功率变化量作为模糊控制器的输入量,Boost变换器的占空比作为模糊控制器的输出量,实现风力机最大功率点跟踪控制。建立了系统仿真模型并进行仿真验证,结果表明,模糊梯度步长爬山搜索法能实现直驱永磁风力发电系统的最大功率点跟踪控制,控制效果优于传统变步长爬山搜索算法。

基于特征值灵敏度的D-PMSG并网系统次同步振荡特性研究

在直驱永磁风电机组并入弱交流电网时,有可能会发生次同步振荡现象。为了研究系统参数对次同步振荡的影响趋势和程度,常采用特征值灵敏度分析方法。因此,本文基于特征值灵敏度分析方法,研究系统参数中电网强度、风速、机侧控制器参数、网侧控制器参数以及锁相环控制参数对系统次同步振荡的影响,并通过搭建PSCAD/EMTDC仿真模型进行实验验证。研究结果表明,直驱风电并网系统次同步振荡模态是由多个系统参数共同导致,且各个控制参数对次同步振荡的影响趋势和影响程度不同。

D-PMSG并网系统次同步振荡及其抑制策略研究综述

风电场接入电力系统时可能会引发SSO问题,威胁到电网的安全可靠运行。直驱永磁型风力发电场在无串联补偿并网时发生次同步频率范围内的功率振荡,属于新型风电场次同步振荡,其机理分析和抑制措施尚不明确。本文从机理研究、影响因素、分析方法和抑制策略等方面,简要分析总结了国内外关于直驱风电场并网系统次同步振荡研究现状及相关成果,最后对直驱风电场并网系统次同步振荡未来研究方向加以展望。

基于锁相环主导的D-PMSG经LCC-HVDC送出系统的次同步振荡特性研究

直驱风电机组(direct-drive permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)装机占比不断增加,大规模风电需经电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)送出。该背景下,D-PMSG锁相环主导的次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)特性尚不清晰,且鲜有文献开展相关方面的研究。针对上述问题,首先利用模块化分块建模法建立D-PMSG经LCC-HVDC送出系统的小信号模型。然后,基于锁相环主导的SSO模式,采用参与因子确定了与SSO模式强相关的变量。最后,通过分析特征值根轨迹,探究了系统参数对SSO特性的影响。研究结果表明:当D-PMSG锁相环比例系数、直流电容容值、LCC-HVDC定电流控制器比例系数增大时,SSO模式阻尼增大;当D-PMSG锁相环积分系数、GSC控制器外环比例系数以及积分系数增大时,SSO模式阻尼减小。基于PSCAD/EMTDC时域仿真模型,验证了理论分析的正确性。所得结论可以为实际工程提供一定的理论参考。

直驱式永磁同步风力发电系统的组合控制策略

平滑风力发电系统的输出功率波动对电网的稳定运行十分重要。基于PCH(端口受控哈密顿)的数学模型,研究D-PMSG(直驱式永磁同步发电机)风力发电系统转速跟踪与功率平滑的组合控制策略。针对功率平滑过程中风能捕获效率低的问题,提出将转子转速平滑控制与PCH无源控制相结合的组合控制策略,使得永磁同步发电机的转子转速能够快速跟踪参考转速,提高风能捕获效率,实现直流链路电压控制,在风机额定运行范围内有效地提供功率平滑支持。通过与最大功率点跟踪及其他平滑控制策略的对比仿真,验证了所提功率平滑策略的有效性与优越性。

结合风速预测的直驱风电机组减载调频策略

直驱永磁风电机组常用的减载调频控制策略缺乏对风电机组运行经济性和调频能力的考虑,易导致系统出现调频能力不足或备用功率冗余的问题,对此提出了一种基于变减载率的优化减载调频策略。首先划分不同的风速模式,确立不同模式下的超速与变桨距协调控制方案;其次考虑系统调频能力和发电量两因素,设计函数求取不同工况下的最优减载率;由于风速波动频繁,风机控制具有延迟,因此利用风速预测和滑动窗口法对最优减载率做进一步调整;最后搭建系统仿真模型,通过改进的频率控制动态调整减载率参与系统调频。仿真实验表明,所提控制策略与常用的策略相比在实时风速、负荷扰动下系统频率动态偏差减小、达到最低值的时间延长,风机发电量增加,桨距角变化量减小。该策略能满足调频需求,提升调频质量,减小机械磨损,提高风机运行的经济性。

基于ADRC和分数阶PID的永磁直驱风力发电系统控制

为了使直驱永磁风电机组在复杂风况中保持稳定运行,提出一种自抗扰控制(ADRC)和分数阶微积分PID组合的控制策略。针对转速环控制ADRC中分断点处存在不可导和不平滑问题,基于fal函数设计一种连续且平滑的tal函数,有效改善了系统原点抖振问题,并对ADRC控制器重新设计。在电流环控制中引用了分数阶微积分PID控制器替代整数阶微积分PID控制器,保证风力发电机组的可靠运行。仿真结果表明:所提控制策略与传统ADRC、改进型ADRC控制策略比较,无论是静态稳定性还是动态响应速度都优于传统ADRC和改进型ADRC。

基于储能和无功优化的直驱机组海上风电场低电压穿越策略

针对直驱永磁机组海上风电场中的低电压穿越问题,提出了一种基于储能和无功优化的控制方案。采用锂电池作为分散式储能设备,吸收故障时刻直流母线上的多余功率,抑制电网故障时机组直流侧电压上升。同时根据各台机组的不同运行状况分配不同的无功指令,选取网侧变流器输出的有功功率、直流母线电压、机端电压作为评价指标,依据评价指标结果对风电场中各台风电机组低电压穿越能力进行评估,优化控制各台机组的无功出力,从而有效提高整个风电场的无功输出能力。以某海上风电场为例进行仿真分析,仿真结果表明了该方案能显著提高风电场低电压穿越能力。

直流受端馈入站与近区风电场系统振荡特性分析

随着高压直流输电工程的不断投产,以及风电项目的增多,越来越多的风电场出现在电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)受端换流站近区,两者构成的系统存在振荡风险。为此,该文针对直流受端馈入站与近区风电场系统的振荡特性展开研究。首先,建立并验证系统的状态空间模型,基于该模型计算出系统特征值,确定LCC-HVDC与风电场共同参与的振荡主导模式并进行参与因子分析。进一步地,通过对比是否接入LCC-HVDC的主导模式,得到LCC-HVDC的接入会削弱系统阻尼的结论。最后,从系统额定容量、交流系统短路比、风电场并网线路长度等方面探究系统稳定性的影响因素,并分析系统的不同短路比、潮流比对风机网侧换流器(grid-side converter,GSC)外环控制和换流站定电流控制器性能的影响。

直驱永磁风力发电系统在不对称电网故障下的电压稳定控制

针对直驱永磁风力发电机组(D-PMSG)在不对称电网故障下,负序分量对直流母线电压会产生2倍频振荡的问题,提出利用单相电压延迟60°来构造三相对称电压,消除负序分量对直流母线电压的影响,对D-PMSG在不对称故障下电压跌落的控制策略展开了研究。网侧逆变器外环采用电压环稳定直流电压,控制变换器发出的有功功率,内环采用电流前馈控制,使电压矢量在dq轴间解耦,由外环控制得出的电流参考值来控制逆变器的电流,同时结合能量泄放回路解决D-PMSG在电网发生不对称故障下直流侧的功率拥堵。另外,对网侧动态电压恢复器DVR采用改进的最小能量法控制策略,为系统提供最大无功功率支持,有利于网侧电压恢复,从而保证系统的稳定运行。以河西电网的实时数据进行仿真,结果证明了所提控制策略的有效性。

直驱风电并网系统小信号建模与次同步振荡特性

为研究直驱风电经串补线路并网系统的次同步振荡(SSO)问题,以直驱风电-串补系统为研究对象,利用Matlab/Simulink搭建系统小信号模型,计算模型初值,基于特征值分析法研究了不同参数对系统SSO阻尼特性的影响。结果表明,直驱风电-串补系统存在一个频率为40.44 Hz,阻尼比为-0.039的SSO模式。当系统滤波电感和直流电容增大时,系统的SSO阻尼增大,当系统串补度、GSC直流电压控制参数增大时和系统的SSO阻尼减小。

直驱式永磁同步发电机混沌运动跟踪控制器设计

在一定的工作环境下,参数的变化使直驱式永磁同步发电机(D-PMSG)处于混沌运动状态,这将危及整个风力发电系统的稳定运行。设计了一种跟踪控制器消除D-PMSG的混沌运动现象。推导了D-PMSG的简化数学模型,并分析了D-PMSG系统的混沌吸引子和分岔图,证明了D-PMSG混沌运动现象的存在。采用T-S模糊模型对D-PMSG非线性系统进行建模,用线性模型作为后件来表达每条模糊语句所表征D-PMSG的局部动态特性,通过模糊隶属函数将这些线性模型综合起来而构成全局模糊模型。利用并行分布补偿方法设计全局渐进稳定的跟踪控制器将混沌运动稳定于期望平衡状态。仿真结果表明所设计的跟踪控制器响应速度快,能够有效地消除D-PMSG的混沌运动现象,具有较好的控制效果。

基于电压迭代的直驱风电场短路电流计算方法

风电场短路电流计算普遍采用等值模型,不计内部线路、变压器等因素,精度欠佳;而考虑上述因素的短路电流计算方法多采用电压电流同时迭代的方式,其收敛性难以直观验证。为此,提出了一种计及风电场内部结构参数的短路电流算法。首先,结合限幅作用下的D-PMSG(永磁直驱风电机组)电流特性与最大维度的风电场节点电压方程,构建了风电场短路电流计算模型;其次,利用诺顿等值消去未知电流参数,并结合工况变化确定修正的节点电压方程;最后,结合电压迭代,得出了基于修正模型和风电场特性的短路电流计算方法。仿真对比结果表明,所提方法具有较高的准确性以及更好的收敛性。

一种风电机组在低风速区间的功率控制方法

由于在低风速区间风速变化较快、风能密度较低,因此对风电机组的功率转换效率造成了较大影响。针对风电机组在低风速区域的运行特点,从功率控制角度出发,以提高风电机组功率输出效率为目的,采用最大功率点跟踪控制策略(MPPT)实现对风能最大限度的捕获,提出了大范围快速对焦最优转速的控制策略。与传统爬山法相比,该方法具有寻优速度快、精确度高、简单易行的优点。在Power Simulation(PSIM)环境中仿真分析,研究结果表明:该控制策略对提高机组稳定性和功率转换效率具有一定的价值。

基于阻抗特性多项式拟合的直驱风电机组次同步振荡稳定判据

近年来,阻抗分析法已成为分析新能源发电并网系统稳定性问题的一种主要研究方法。以直驱风电机组并网系统为例,分析了现有的奈奎斯特(Nyquist)稳定判据的特点和适用范围。为了弥补现有阻抗稳定判据的不足,提出了一种基于阻抗特性分式多项式函数拟合的量化稳定判据,采用分式多项式函数等效拟合理论推导或实测的风电机组端口阻抗特性,在拟合频段内分式多项式与原阻抗特性等价。通过求取拟合多项式零点获得了系统振荡频率和阻尼水平,量化分析了系统稳定特性,拓展了阻抗稳定判据的适用范围。最后,通过理论分析和时域仿真验证了分式多项式拟合判据的正确性和有效性。

基于风力发电的最大功率跟踪控制研究

文章以直驱永磁同步风力发电机组为对象,建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的D-PMSG数学模型,提出了风力发电机转速控制最大功率追踪算法和桨距角控制策略。运用PSCAD/EMTDC建立D-PMSG仿真模型,对风速阶跃变化时机组运行情况进行了仿真,结果验证了该模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。

直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略

以永磁体励磁多极直驱式同步风力发电机组(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generators,D-PMSG)为对象,建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的D-PMSG数学模型,提出了风力机桨距角和发电机转速的控制策略:桨距角的控制策略中以风速和发电机功率为输入信号,采用比例–积分控制很好地反映了不同风速对桨距角控制的不同要求;发电机转速控制策略中采用dq同步旋转坐标下的矢量控制方法,用d轴电流控制无功功率,用q轴电流控制转速,既实现了机组的解耦控制,又充分利用了发电机容量。运用Matlab/Simulink建立了D-PMSG仿真模型,对风速阶跃变化时机组运行情况进行了仿真,结果验证了该模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。