基于匹配控制的构网型直驱风电场次同步振荡机理与特性研究

近年来,具有低时延和惯量同步等优势的匹配控制成为主流构网型控制方案之一,但基于匹配控制的构网型直驱风电场的次同步振荡机理及特性尚不明确。因此,该文建立构网型直驱风电场并网系统的小信号模型,通过特征值法分析了系统的振荡模态及参与因子,并借鉴同步机中阻尼转矩法分析构网型直驱风电场的次同步振荡机理。结果表明,构网型直驱风电场中匹配控制主导的振荡模态在强电网下呈现负阻尼特性,系统存在次同步振荡的风险,但匹配控制振荡模态相较于跟网型控制的锁相环振荡模态具有更好的弱电网适应能力;匹配控制振荡模态存在类似于同步机转子运动方程的动态特性,使得构网型直驱风电场可能发生弱阻尼振荡;减小交流电网强度或无功控制器积分系数,增大构网型直驱风机台数或无功控制器比例系数,能够增大匹配控制振荡模态的阻尼,降低系统次同步振荡风险。

基于功率调整的直驱风电场次/超同步振荡后抑制策略

近年来,次/超同步振荡(S/SSO)问题严重影响了电力系统的安全运行。在建立了直驱风电机组与直驱风电场等值阻抗模型的基础上,推导出直驱风电场发生场-网振荡的必要条件,并通过分析机组出力变化对系统导纳模型的影响,提出了一种基于功率调整的振荡事故后振荡恢复策略。通过MATLAB/Simulink仿真,验证了所提策略能在保持直驱风电场出力水平的基础上消除振荡。

直驱风电场并网对直流输电引起的火电机组轴系扭振影响机理分析

火电机组与电网换相换流器高压直流输电(LCC-HVDC)间的次同步交互作用会引发火电机组轴系扭振(SSTI),而直驱风电场(DDWF)接入LCC-HVDC送端对SSTI阻尼特性的影响与机理尚未明确,相关研究有待开展。针对上述问题,该文基于DDWF与火电打捆经LCCHVDC送出系统,采用模块化建模法建立了小信号模型,使用特征值法分析了DDWF的接入与参数变化对LCC-HVDC引起的火电机组SSTI阻尼的影响;同时,针对特征值分析结果进行了机理分析。研究结果表明,DDWF会与火电机组共同承担LCC-HVDC的功率波动,削弱火电机组与LCC-HVDC间的次同步交互作用,从而增大SSTI阻尼,降低SSTI风险;当DDWF的容量增大、风速提升时,SSTI阻尼增大;当DDWF与LCC-HVDC整流站间电气距离增大时,SSTI阻尼降低;当LCC-HVDC整流侧由定电流控制转为定功率控制,或逆变侧由定电压控制转为定关断角控制时,SSTI阻尼降低。基于PSCAD/EMTDC平台进行了时域仿真,验证了特征值分析与机理分析的正确性。

接入弱电网的同型机直驱风电场单机等值建模

目前直驱风电场并弱电网稳定性研究中,风电场普遍采用单机等值,然而对于单机等值的前提条件缺少相关理论支撑。该文基于解析分析提出直驱风电场单机等值的前提条件;给出直驱风电场满足单机等值的判据;基于风电场各风机参数、出力和集电线路接线完全相同的基础假设,建立直驱风电场状态空间模型;应用矩阵相似变换理论解析分析其状态矩阵的特征根和特征向量;根据判据对单机等值进行论证。进一步地,在比基础假设更加宽泛的条件下,基于蒙特卡洛法仿真研究了同型机直驱风电场单机等值建模的有效性。为单机等值建模的应用提供了一定的理论支撑。

适用于次同步振荡分析的直驱风电场平衡降阶方法

直驱风电场(direct-drive wind farm,DDWF)并入弱交流系统存在发生次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)的风险。由于DDWF模型阶数较高,实际分析时须降阶处理。现有平衡降阶方法在分析SSO问题时,无法在降阶过程中精确保留系统SSO模式。针对此问题,文中提出一种适用于SSO分析的平衡降阶方法。该方法基于参与因子分析,保留与SSO模式强相关的状态变量,并结合Hankel奇异值确定降阶阶数,建立与全阶系统模型SSO特性和动态特性都一致的降阶系统模型。首先,对DDWF并入弱交流系统的全阶小信号模型进行平衡变换,建立平衡系统模型。然后,对平衡系统模型进行参与因子分析,结合Hankel奇异值确定保留状态变量集合,再利用残差降阶法建立降阶系统模型。最后,对全阶系统模型和降阶系统模型进行对比验证,结果表明所提降阶方法适用于DDWF并入弱交流系统SSO问题的研究。

基于路径分析法的直驱风电场经柔直并网系统次同步振荡机理分析

针对直驱风电场经柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)并网系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)问题,目前研究在机理分析中难以揭示子系统之间的扰动传递过程和耦合关系,同时难以量化不同特性对于系统稳定的影响。因此,基于路径分析法开展系统的SSO机理研究,并以锁相环(phase-locked loop,PLL)振荡模态为例开展路径分析法的模态扩展。首先,采用模块化建模方法建立系统的线性化模型。其次,将转子运动方程的阻尼系数推广至振荡模态的主导元件动态方程,从而获取系统的稳定判据。然后,基于路径分析揭示子系统之间的扰动传递过程和耦合关系,基于阻尼分解量化风电场内部特性以及风电场与VSC-HVDC之间交互作用特性对于系统稳定的影响。最后,开展PLL控制参数对于阻尼特性的影响分析。结果表明:路径分析法可以应用于不同的振荡模态;直驱风电场与VSC-HVDC之间的扰动传递路径呈现双闭环耦合关系;通过增大直驱风电机组PLL比例系数或减小直驱风电机组PLL积分系数可以有效提高系统的总阻尼系数,从而提升系统的稳定性。

虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的低频振荡特性分析

虚拟同步直驱风电场经功率同步环与模块化多电平换流器柔性直流(MMC-HVDC)输电互联,将存在低频振荡风险.考虑MMC-HVDC和直驱风机网侧换流器以及转子侧换流器内部的动态过程,首先建立虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的小信号模型,并通过精细化电磁暂态仿真验证其准确性.随后,利用根轨迹方法,分析风电功率波动和交流系统强度变化对互联系统稳定性的影响,设计功率变化时虚拟同步直驱风电场的参数整定方法.结果表明,由于功率外环和MMC-HVDC送端整流站电压环作用,在风电场输出功率增大和交流系统强度降低的过程中,互联系统存在低频振荡现象.通过合理调整锁相环、虚拟同步机(VSG)有功环和MMC-HVDC送端整流站电压环的控制器参数、改变VSG阻尼项形式,可以抑制振荡并实现稳定运行.

基于滑模控制的直驱风电场次同步振荡抑制策略

当直驱风电场(DDWF)并入弱交流系统中发生次同步振荡(SSO)时,网侧变流器(GSC)电流内环的PI控制器会放大DDWF并网电流中所含的次同步电流分量,进而形成由交流系统、GSC及其控制系统构成的次同步电流助增正反馈回路,最终导致系统SSO失稳。针对这一问题,该文提出一种基于GSC电流内环滑模控制(SMC)的直驱风电场SSO抑制策略。首先,建立DDWF并入弱交流系统的动态模型,推导由PI控制器主导的DDWF并入弱交流系统SSO的形成机理。然后,为了切断系统的次同步电流助增正反馈回路,设计基于指数趋近律的SMC控制器,并以SMC控制器替换原GSC电流内环中的PI控制器,通过理论推导证明GSC电流内环SMC控制器能有效抑制系统SSO。最后,在PSCAD/EMTDC中,以DDWF并入弱交流系统作为算例,验证所提SSO抑制策略的有效性。

基于交替方向隐式平衡截断法的直驱风电场次同步振荡分析的模型降阶研究

研究了直驱风电场次同步振荡分析的降阶模型,提出了基于交替方向隐式(alternating direction implicit,ADI)的平衡截断方法。首先,根据直驱式永磁同步风电机组的数学表征搭建风电场的数学模型,采用ADI方法迭代求解李亚普诺夫方程,得到可控的格莱姆矩阵与可观的格莱姆矩阵;然后,采用平衡截断的方法得到降阶模型;通过对比全阶模型与降阶模型的时域仿真波形、Bode图、计算耗时以及次同步振荡模式,验证了方法的有效性。仿真结果表明,降阶模型与全阶模型具有很好的一致性,同时计算速度提高,降阶阶数大大降低。

经柔性直流输电并网的直驱风电场次同步振荡特性分析

针对经柔性直流输电并网的直驱风电场引发的次同步振荡问题,在建立26阶的全系统线性化状态空间模型的基础上,通过特征值分析和参与因子分析,研究了直驱风电场经VSC-HVDC并网系统的次同步振荡特性。同时,基于根轨迹法进一步研究了风电并网距离和控制器PI参数对振荡模式特性的影响。结果表明,直驱风电场接入柔直系统后,存在风电场与VSC-HVDC系统交互作用引发的次同步振荡风险;风电并网距离对次同步振荡模式影响较大,线路距离越远,系统失稳可能性越大。最后,通过时域仿真验证了理论分析的正确性。

SVG对直驱风电场次同步振荡特性影响分析

针对静止无功发生器(static var generator,SVG)接入弱交流电网诱发直驱风电场次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)的现象,构建含SVG直驱风电联网系统线性化模型,基于特征值分析法,研究SVG控制参数、电网强度对系统稳定性及SSO特性的影响规律。研究结果表明,弱电网条件下,SVG电流内环控制是诱发直驱风电场联网系统SSO的主导环节;SSO的振荡幅值和频率与SVG控制器的电流内环比例、积分系数及电网强度多个因素相关。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真和时频分析验证理论分析的有效性。

基于主导度分析的直驱风电场奇异摄动降阶方法

现有的奇异摄动降阶方法无法确保直驱风电场(direct drive wind farm,DDWF)降阶系统与全阶系统具有一致的次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)特性,故降阶系统无法应用于DDWF并入弱电网系统的SSO分析之中。针对这一问题,该文提出一种基于主导度分析的DDWF奇异摄动降阶方法。该方法以DDWF系统SSO模式保留为导向,以复现全阶系统动态特性和SSO特性为最终目标,实现DDWF系统的降阶。首先,在兼顾系统特征值和系统能控能观性的前提下,通过主导度分析,量化各振荡模式对DDWF系统动态特性的主导程度。然后,根据给出的保留模式确定原则,建立包含DDWF系统主导振荡模式和全部SSO模式的保留模式集合;再对各保留模式进行参与因子分析,完成DDWF系统多时间尺度划分。最后,建立10阶DDWF奇异摄动降阶系统,最大限度地提高系统仿真效率。以单DDWF和两DDWF并入弱电网系统作为仿真算例,验证所提降阶方法的有效性。

直驱风电场与LCC-HVDC次同步交互作用的扰动传递路径及阻尼特性分析

当直驱风电场距离电网换相型高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)的整流站较近时,两者间的次同步交互作用机理及特性尚不明确,现有分析方法难以揭示扰动传递过程及子系统间的耦合关系。针对上述问题,该文首先建立直驱风电场经LCC-HVDC送出系统的线性化模型,并基于系统闭环互联传递函数框图揭示次同步频率扰动在直驱风电场与LCC-HVDC之间的传递路径。然后,通过阻尼重构分离出次同步交互作用对次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)模式阻尼的影响,并分析控制器参数对SSO模式阻尼的影响。结果表明,直驱风电机组直流电容主导的SSO模式存在不稳定风险;直驱风电场与LCC-HVDC之间的扰动传递路径呈现"8"字型耦合关系,导致两者间存在次同步交互作用;直驱风电机组外环、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大或积分系数减小时,SSO模式阻尼增大。

一种直驱风电场中换流器控制系统间动态交互引起系统的失稳机理分析

主要分析了换流器控制系统间动态交互对直驱风电场并网系统稳定性的影响。通过构建闭环互联系统模型,其中锁相环环节作为其反馈子系统,研究了开环子系统间动态交互与开、闭环系统模式分析结果间的联系。基于此模型,以期从开环模式谐振角度为直驱风电机组间动态交互,及其引起系统失稳提供一种机理解释。在开环模式谐振条件下,即开环锁相环模式与另一子系统开环模式在复平面上较为接近,因子系统间的强交互作用导致系统阻尼水平降低。最后,通过直驱风电场仿真系统对所提模型和分析方法的有效性进行了验证,并分析了系统运行条件（电网连接强度、风机注入功率）及无功控制结构与参数对开环模式谐振的影响。

直驱风电场并入弱交流电网的次同步分量通路及阻尼特性分析

直驱风电场并入弱交流电网次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)威胁电力系统安全运行,分析其次同步分量通路能够揭示系统内部次同步交互作用特性,并能够分别针对每条通路进行阻尼特性分析,目前尚无文献开展相关研究。针对上述问题,该文首先建立直驱风电场并入弱交流电网系统闭环传递函数框图,并利用阻尼转矩法分析直驱风电机组直流电容主导的振荡模态。然后,基于传递函数框图,分析得到2条次同步分量通路:直驱风电场内部次同步分量通路以及直驱风电场和弱交流系统之间的次同步分量通路。最后,利用通路阻尼分析,结合时域仿真,分别分析直驱风电机组网侧控制器(grid side controller,GSC)参数对2条通路阻尼特性的影响。结果表明:GSC直流电压外环积分系数增大时,2条次同步分量通路的阻尼均减小;直流电压外环比例系数和电流内环比例、积分系数减小会导致直驱风电场内部次同步分量通路的阻尼减小。研究结果对阻尼控制器的设计有一定的指导意义。

基于电压相量的直驱风电场联络线单相自适应接地距离保护

针对过渡电阻造成阻抗测量不准确引起风电场联络线单相接地距离保护拒动或超越的问题,分析了双电源系统电压相量平面特性。在此基础上,基于故障点与保护安装处的序电流关系,结合风电场侧的零序阻抗特点,建立了测量电压与故障点电压相位关系的表达式。根据故障点电压和整定电压的相位特性,考虑双馈风电机组的频率偏移特性,提出了直驱风电场联络线单相自适应接地距离保护方案,并对其动作性能进行了仿真验证。大量仿真结果表明,该保护方案判别原理简单可靠,有较强的耐受过渡电阻能力,不受风电场侧运行工况多变的影响,能够准确判别区内及区外故障。

基于自抗扰控制的直驱风电场次同步振荡抑制策略

近年来,我国西部地区频繁出现直驱风电场与弱交流电网之间相互作用引发的次同步振荡(SSO)问题。为解决该问题,首先从SSO发生机理出发,提出了基于自抗扰控制(ADRC)理论的直驱风电场SSO抑制策略。该策略针对直驱风机网侧换流器设计了ADRC控制器替换电流内环PI控制器抑制策略。然后,从数学形式上推导得ADRC控制器抑制机理是ADRC控制器通过实时估计与补偿直驱风电场接入弱交流电网产生的影响,阻断直驱风电场与弱交流电网之间的相互作用,从而达到抑制SSO的目的。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真软件,建立基于PI控制器和ADRC控制器的直驱风电场接入弱交流电网的电磁暂态仿真模型,对比分析PI控制器与ADRC控制器对SSO的抑制效果。仿真结果表明,ADRC控制器不仅对SSO具有较好的抑制效果,且具有较强的鲁棒性与适应性。这也从侧面证明了直驱风电场接入弱交流电网引发的次同步振荡主导因素是直驱风机网侧换流器电流内环PI控制器。

大规模直驱风电场与交直流混联系统相互影响分析

文章针对大规模直驱风电场并网后高压直流输电方案,构建系统网络拓扑结构,建立系统数学模型,并制定相关控制策略。基于PSCAD/EMTDC软件,通过对风电场接入、风速波动、交流系统及直流系统短路故障的仿真,分析了大规模直驱风电场与交直流混联系统的相互影响。仿真结果表明,含大规模直驱风电场的交直流混联系统需要有足够强的交流系统及足够大的火电容量作支撑,风电场PCC母线短路会引起直流系统控制方式的变化,直流系统故障对风电场的影响可忽略不计。

直驱风电场集电线保护研究

针对传统三段式电流保护应用于风电场集电线时选择性和速动性不能兼顾的问题,在分析风电场集电线拓扑结构和故障特征的基础上,结合熔断器保护曲线和风机的低电压穿越特性,提出了一种能适用于风电场集电线的反时限电流保护新方法。以直驱风电场为对象,分析得出了传统三段式电流保护不适应于风电场集电线保护的结论,并且给出了新方法的整定原则,即根据熔断器下游经不同过渡阻抗故障后集电线电流与熔断器电流的最大差值关系得到集电线反时限电流保护的理论曲线,最后借助EMTP-PSCAD软件平台搭建直驱风电场模型对理论分析进行了验证。仿真结果表明,对于风电场集电线保护,反时限电流保护新方法由于采用了连续的电流保护曲线,能够很好地与熔断器保护相配合,克服了传统三段式电流保护范围小、易造成保护越级跳闸、风机脱网等缺点,而且有很强的抗过渡电阻能力,在不同的故障条件下能快速可靠地动作,兼顾了继电保护选择性和速动性的要求,因此具有一定的工程实用价值。

大规模直驱风电场对交直流混联系统影响分析

随着西北网750 kV主网的建成及新疆"风火打捆"直流外送的实施,新疆电网已形成了交直流混联的系统。为了分析大规模直驱风电场对交直流混联系统的影响,针对大规模直驱风电场与火力发电厂打捆并网后直流外送的输电方案,构建了含交直流系统的网络拓扑结构,建立了大规模直驱风电场及直流输电系统的数学模型。基于PSCAD/EMTDC软件,仿真并分析了:风电场接入交直流混联系统时对交流系统强度的要求、风速突变时所需的火电容量及交流系统与直流系统分别发生短路故障时风电场与交直流系统间的相互影响。仿真结果表明。