计及频率耦合和汇集网络的风电场序阻抗模型等值方法

近年来,中国河北沽源、新疆哈密等风电基地频繁发生电网振荡问题,呈现次、超同步频率振荡分量强耦合现象。频域小信号阻抗方法是建模和分析这类由电力电子并网装置引起的控制不稳定和振荡问题的有效方法。目前针对单个逆变器或风电机组频率耦合阻抗模型已有研究基础,文中基于此提出一种考虑频率耦合和汇集网络的风电场序阻抗模型等值方法,建立的风电场等值阻抗与单个逆变器或风电机组的模型定义和形式统一,能够用于分析次、超同步频率耦合的振荡问题。以直驱风电场并入弱电网系统为例,对所提出的模型应用于系统稳定性分析及振荡频率预测的准确性进行了仿真验证。

基于序阻抗的虚拟同步发电机并网稳定性分析及虚拟阻抗设计

在分布式发电高渗透率的微电网中,虚拟同步发电机(VSG)因可提供必要的频率和电压支撑而被广泛关注,其并网稳定性研究已成为热点问题。该文首先在获得VSG输出序阻抗矩阵的基础上,通过建立单输入单输出(SISO)等效模型,并结合Nyquist准则对VSG进行并网稳定性分析;然后,针对正负序之间存在的频率耦合现象,基于所建SISO等效序阻抗模型,对比分析了考虑频率耦合效应前后的VSG输出阻抗特性,揭示了频率耦合效应对VSG并网稳定性的影响机理,以及造成VSG并入强电网失稳的根本原因;最后,在上述机理分析的基础上,提出一种用于提升系统稳定性的虚拟阻抗简化设计方法,该方法从提升系统的幅值裕度的角度出发,直接利用SISO等效输出阻抗与电网阻抗二者的交互关系实现虚拟阻抗的定量计算,简化了虚拟阻抗的设计过程。仿真结果验证了稳定性分析的正确性以及虚拟阻抗设计方法的有效性。

级联型SVG序阻抗建模与电网适应性研究

针对级联静止无功发生装置并网运行时与电网及电缆线路的谐振问题,基于阻抗分析法对级联静止无功发生装置的序阻抗特性进行分析,并研究了级联静止无功发生装置与电网谐振的机理和抑制策略。首先,阐述了级联静止无功发生装置的主电路结构及基本控制,建立了级联静止无功发生装置的频域模型;其次,基于阻抗分析法建立了考虑控制环节在内的级联静止无功发生装置序阻抗模型,基于序阻抗模型研究了级联静止无功发生装置与电网交互谐振的机理;然后,通过仿真软件和实际案例分析分别验证了所推导级联静止无功发生装置序阻抗模型的正确性和级联静止无功发生装置与电网交互谐振的机理;最后,从网侧和静止无功发生装置设备侧分别提出了级联静止无功发生装置并网谐振的抑制策略,结合实际案例分析验证了抑制策略的有效性。

考虑机侧模型的直驱风电机组序阻抗建模及分析

大规模永磁直驱风场并网振荡现象频发,序阻抗模型逐步成为广泛采用的分析方法。目前对直驱风电机组的序阻抗建模将机侧模型(机侧变流器、永磁同步发电机)简化为可控电流源,忽略机侧模型对于机组阻抗特性的影响。该文建立考虑发电机、机侧变流器、直流母线动态过程、直流电压控制回路以及网侧变流器的直驱风电机组序阻抗详细解析模型,描述小信号分量在机组内部的频率特征分布规律;分析了机侧变流器控制特性、直流母线电容容量、直流母线电压控制特性对机组阻抗特性的影响。基于控制硬件在环实时仿真平台,验证解析模型的准确性,开展多个型号直驱风电机组的阻抗扫描与稳定性分析,验证机侧模型对机组阻抗特性的影响。

集成静止无功发生装置的直驱风场序阻抗网络模型与稳定性分析

对于大规模风电场的稳定性分析,现有的方法通常忽略风电场中存在的静止无功发生装置(static Var generator,SVG),直接将风电场等效为单台或数台风机接入无穷大系统,但这样的假定条件将会影响风电场稳定性分析的准确性。为此,该文提出一种针对大规模风电场的序阻抗网络建模与稳定性分析方法,构建考虑频率耦合效应、稳态工作点及运行模式影响的风电场功率单元序阻抗模型,提出通用型网络导纳聚合建模方法,将含有大量有源/无源元件阻抗的拓扑网络等效聚合为源–载阻抗互联系统,进而通过稳定判据组合实现系统稳定性的准确判断和稳定裕度的量化评估。最后通过哈密地区的集成SVG直驱风场应用实例分析验证所提方法的有效性,并针对集成SVG直驱风场的振荡机理,以及SVG工作模式和功率外环控制器参数对风电场稳定性的影响展开研究。

考虑频率耦合效应的虚拟同步发电机序阻抗建模

中低压配电网的线路阻抗呈现时变特征,使得基于虚拟同步发电机VSG(virtual synchronous generator)算法的分布式发电单元和电网阻抗产生交互作用,出现系统失稳。阻抗模型是一种基于外特性的建模方法,是研究分布式发电系统稳定性的有效手段之一。考虑到VSG系统存在着频率耦合特性,首先阐述了VSG系统的频率耦合原因,采用谐波线性化的方法建立包含功率外环和频率耦合效应的完整VSG序阻抗模型。再从阻抗测量和并网交互两个角度分析了频率耦合效应对VSG输出阻抗特性的影响。仿真结果验证了模型的准确性和适应性,表明所建立的阻抗模型能准确反映VSG的二倍频频率耦合特征。

LCL型级联H桥STATCOM阻抗重塑谐振抑制策略

针对电力系统缺乏无功导致电压跌落的问题,通常采用静止无功发生装置(STATCOM)对电网无功综合补偿,而级联H桥STATCOM以易模块化、谐波含量小等特点广泛应用于电力系统无功补偿中,且使用过程中通常搭配LCL滤波器消除高频谐波。为应对级联H桥STATCOM并网过程中与LCL滤波器交互引起的高频谐振,此处提出一种阻抗重塑方法,针对级联H桥STATCOM与LCL滤波器交互的高频谐振机理建立序阻抗模型,并制定了基于序阻抗模型的阻抗重塑控制策略,有效抑制了高频谐振,并基于5 kvar样机试验验证了阻抗模型的正确性及阻抗重塑策略的有效性。

计及变压器和线路阻抗的双馈风力发电机转子侧阻抗建模研究

双馈风力发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)的阻抗模型是分析和抑制风力发电机并网振荡问题的有效手段之一。在实际工程中,DFIG机组通常通过Y/D升压变压器接入输电网,但是现有的阻抗模型仅考虑DFIG本身模型,而未考虑网侧变压器以及线路阻抗对模型的影响,影响稳定分析的准确度。为了更加准确地分析DFIG风机与电网的之间交互行为,采用谐波线性化的方法,建立了计及变压器和线路阻抗的DFIG转子侧的正负序阻抗模型。该模型不但包含了异步电机、转子侧变换器、锁相环(phase-locked loop,PLL)以及控制环路,同时在建模的过程中考虑了网侧的线路阻抗和变压器对模型的影响。然后,通过频域仿真分析锁相环、变压器以及电网线路阻抗等因素对转子侧的正负序阻抗模型的影响。最后,与时域仿真结果作对比,验证了阻抗模型的正确性。结果表明:并网变压器对DFIG转子侧的正序阻抗模型的相角特性影响较大,而对幅值特性影响较小;通过DFIG转子侧阻抗模型可以预测DFIG与电网阻抗交互作用潜在的并网谐振点。

考虑频率耦合的VSG虚拟阻抗优化设计

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)的频率耦合现象会降低系统的稳定裕度,引发VSG的振荡失稳。为此,建立了VSG序阻抗模型,分析了频率耦合特性对VSG稳定性的影响机制。考虑到加入频率耦合特性后VSG序阻抗与电网阻抗会相互耦合,提出了一种虚拟阻抗的简化设计方案;重新分割了网–源子系统,将虚拟阻抗折算至电网侧,同时以并网稳定性和功率输出能力为约束给出了虚拟阻抗取值范围。StarSim半实物平台的实验结果验证了简化虚拟阻抗方案和参数设计方法的可行性和正确性,说明所提方法在不同电网阻抗下均能增强VSG的稳定裕度,并确保系统有足够的功率输出能力。

双馈风电场并网次/超同步振荡建模与机理分析(一):考虑功率外环的阻抗建模

大规模双馈风场并网振荡现象频发,序阻抗模型逐步成为广泛采用的分析方法。目前,对双馈风电机组的序阻抗建模考虑了直流母线电压动态特性对阻抗的影响,忽略了功率控制外环对机组阻抗特性的影响。该文首先基于多谐波线性化法建立考虑功率外环的双馈感应发电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)序阻抗解析模型,并对不同转速条件下的阻抗模型进行仿真验证;其次,基于描述小信号分量的频率特征分布规律,建立机侧–网侧阻抗耦合模型,揭示小信号传递的两个方向及每个方向对应的耦合通路;最后,基于机侧–网侧耦合模型,对耦合通路对机组阻抗特性的影响进行分析,详细分析功率控制外环、转子侧变流器电流环控制特性对DFIG阻抗特性的影响,为后续DFIG并网次/超同步振荡机理揭示典型模型基础。

锁相同步与自同步逆变器阻抗建模及分析

并网逆变器的控制方式按照是否存在锁相环可以分为锁相同步控制和自同步控制,两种控制方式接入弱电网时的并网特性有较大区别。此处首先采用谐波线性化的方法建立了考虑频率耦合的基于锁相同步控制和自同步控制方式下的阻抗模型,对比分析两种控制方式的阻抗外特性。锁相同步控制方式下的逆变器由于控制环路的耦合,在中低频范围内存在负阻的特性,容易产生次超同步振荡的问题。自同步控制方式下并网逆变器的等效外特性基本呈感性,阻抗外特性较锁相同步优异。基于建立的序阻抗模型分析两种同步控制方式下并入弱电网的稳定性。稳定性分析结果表明:自同步控制方式下的并网逆变器可有效避免次超同步振荡的发生。最后通过实验验证了分析的正确性。

基于电压源型和电流源型双馈风电机组稳定性对比分析

随着风电机组装机容量的增加,风电在弱电网下的稳定运行问题日益严重。双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)机侧采用电压源型控制方式相较于电流源型控制方式,具有主动提供频率和电压支撑的能力,从而受到广泛的关注。鉴于此,首先根据电压源型DFIG系统和电流源型DFIG系统的控制结构建立机侧序阻抗模型,并进行了对比分析。然后研究了电网强度和控制参数对两种系统的稳定性影响,得出电压源型DFIG系统在弱网下具有较好适应能力,以及良好的控制参数适配特性。最后,通过仿真和实验验证了上述分析的正确性。