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。

直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统稳定性分析及振荡抑制

基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的高压直流输电HVDC(high voltage direct current transmission)因具有无源网络支撑等优势而被广泛应用于大容量新能源外送消纳。受电力电子设备交互作用等因素影响,送端系统易发生振荡失稳现象。首先,建立了直驱风电场经MMC-HVDC并网送端系统的小扰动线性化模型,分析了风场有功输出对系统稳定性的影响。然后,建立了MMC及风机并网变流器交流侧dq阻抗模型,从阻抗角度揭示了送端系统振荡失稳机理。进一步,提出了基于MMC交流电压控制外环q轴附加阻尼的振荡抑制策略,可满足系统满功率范围内的运行稳定性要求。最后,基于全比例模型的仿真结果验证了所提振荡抑制策略的有效性。

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。

直驱风电场并网对火电机组次同步谐振影响

直驱风电场(D-DWF)接入火电经串补外送系统后,其对火电机组的次同步谐振(SSR)影响机理尚不明确。针对风火打捆经串补点对网型系统,采用适用于模块化建模的状态变量消去方法,建立模块化的耦合小信号模型;利用特征值分析法研究D-DWF接入后系统的SSR情况;结合特征值分析结果阐释SSR机理,并针对D-DWF及串补线路参数进行阻尼分析。研究结果表明:D-DWF会引入与SSR频率相近并引起“共振”的一个新模态,使得“机电谐振”与“模态频率接近”的振荡机理耦合共存。在跟网型风机的控制策略及参数下,D-DWF并入会导致SSR模态阻尼大幅降低,恶化系统的SSR。随着D-DWF的容量、风速和系统串补度降低,系统阻尼将提高,SSR的风险将降低。基于PSCAD/EMTDC平台的电磁暂态仿真,验证了机理分析的正确性。

海上直驱风电场弱连接时LVRT引发的次同步振荡机理与特性分析

海上风电场需具备低电压穿越(low voltage ride-through,LVRT)能力,以避免故障时风机脱网,然而,LVRT策略对并网系统大扰动后的稳定性影响不明。有鉴于此,该文搭建了接入交流电网系统的海上直驱风电场模型,并分析其在弱连接时大扰动下LVRT引发的不同类型振荡机理和特性。具体如下:首先搭建了含LVRT的海上直驱风电场接入交流电网系统电磁暂态模型;其次,分析了该系统的阻抗特性,发现该系统具有次同步振荡风险,且在弱连接时正阻尼系统遭受大扰动后会出现LVRT参与形成的次同步频段振荡;再次,探究了振荡和LVRT不同控制环节的关系,表明大扰动后正阻尼系统的LVRT无功环节阶段2-1的策略1或2均可参与形成因补偿电流过大而引发的切换型振荡,且不同控制策略对应的振荡均存在限幅间歇性饱和现象;最后,分析了LVRT控制策略及参数对振荡特性的影响。

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。

Analysis on Effect of Parameters of Different Wind Generator on Power Grid Transient Stability

To analyze the factors which affecting transient stability of power system, the dynamic model of doubly-fed induction generator and direct-drive PM synchronous generator has been built using PSCAD. Impact of different wind farm integration on grid typically in China has been presented. The influence of the variations of transient reactance, negative sequence reactance and rotary inertia on critical clearing time of power system transient stability is analyzed by time-domain simulation. Mixture operation of DFIG and PMSG to optimize the stability of system has been analyzed firstly. The digital simulation results show that doubly-fed induction wind turbines is a better choice to meet the requirement of system instability due to large wind farm integration in comparison with direct-drive PM synchronous wind turbines. With a rather large rotary inertia, the proper ratio of direct-drive PM synchronous wind turbines used in wind farm could be comprehensive planning by optimized the stability of system. Analysis of this paper should be provided as academic reference for improving design of wind farm system.

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。

面向直驱风力发电系统的控制算法优化设计

针对直驱风力发电机组的功率输出不稳定、频率波动超出安全范围问题,该文提出了一种基于深度学习网络预测控制的直驱风力发电系统控制策略。以直驱风力发电系统的频率误差和输出功率为优化目标函数,并将系统的频率变化及风力发电机的转矩限制作为约束条件,利用时间卷积神经网络(TCN)与门控循环单元(GRU)构建预测模型。可行性验证结果表明,在低风速及高风速下有功功率输出的标准差分别为0.04 MW及0.05 MW,轴转矩标准差分别为0.01 MNm与0.05 MNm,推力标准差分别为0.04 MN和0.05 MN,证明了该策略可有效降低直驱风力发电系统输出功率的频率波动。

风电场大容量风电机组永磁直驱发电机稳态运行参数动态优化

针对目前的风力发电机关键参数优化方法优化效果不佳的问题,提出了一种风电场大容量风电机组永磁直驱发电机(PMDDG)稳态运行参数动态优化方法。抓取PMDDG关键动态参数,利用PID控制使电磁转矩波动在整个控制周期达到理想值。引入目标函数,对影响电压波动的动态电压带宽参数自适应调节,实现电压平稳输出。采用人工蚁群算法将经过的节点在记忆中储存,通过释放外激素实现信息传递,扩大解空间搜索范围,利用正反馈原理在最优路径上快速收敛,实现了PMDDG稳态运行参数的全局动态优化。通过实验验证可知,提出的PMDDG稳态运行参数动态优化策略,能够使电压的输出值始终保持在1(p.u.),优化后的转矩波形与标准转矩波形相比最大误差为0.2 kN·m,具有较强稳态运行可靠性。

直驱风场经柔直并网的次同步振荡建模与分析

针对直驱风电场经串补及柔性直流输电引起的次同步振荡问题,建立了直驱风电场经VSC-HVDC的系统仿真模型。利用该模型模拟了次同步振荡现象,并用频谱分析验证了其正确性。利用时域仿真法,设置不同的场景分析风机网侧换流器的内环控制参数、串补度以及直流侧电容对直驱风机经柔直输电并网系统的稳定性影响。针对减小次同步振荡危害,结合实际工程提出建议。

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。

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。

直驱式风电机组风电场动态等值

以并网点运行特性一致性为目标,提出了一种直驱式风电机组风电场的等值算法。该等值算法定义了能够反映全部直驱式风电机组运行特性的分群指标,利用聚类算法对直驱式风电机组进行分群;以等值机的风力机与单台风电机组风力机的功率转换特性不变为原则,对同群风电机组的风力机参数进行等值;以被等值的风电机组输出功率之和与等值机输出功率相等为原则对风电场集电线路进行了静态等值。仿真研究表明,等值前后风电场并网点的运行特性一致,等值算法能够更加准确地反映直驱式风电场的并网特性,具有重要的工程应用价值。

采用变速恒频机组的风电场并网问题研究综述(英文)

随着风电技术以及电力电子技术的不断进步,越来越多采用变速恒频机组的风电场被接入电网。变速恒频机组相对于传统的恒速恒频机组,在电机结构和控制机理上更为先进,能够实现更为灵活的电网接入。虽然变速恒频机组在一定程度上增强了电力系统的稳定性,但一些新问题也随之而来,例如先进的控制器显著增加了系统的复杂性、风机的功率变换器发出谐波电流降低了系统的电能质量等。此外,如何通过给变速恒频机组增加附加控制器,实现其与传输系统及储能系统的协调控制,以改善系统性能,也是当今学术界的一个重要课题。文中对上述这些采用变速恒频机组的风电场并网问题的最新研究成果进行了综述。

直驱式风电场功率协调控制策略

针对因风速扰动、负荷变化等引起的缓慢且幅度较大的电压波动,提出了一种基于直驱式风电场的功率协调控制策略。通过调节桨距角降低有功出力,从而增加风电场无功功率的调节能力,维持风电场出口电压水平,从而预防或避免由于电压偏差较大引起风电机组进入低电压穿越模式,造成其对电网更大的冲击。仿真结果表明,上述方法能够合理协调控制风电场的有功和无功出力,有效为风电场出口电压提供无功支持,从而维持接入点电压的稳定性。

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。