大型风电机组全功率试验研究与故障分析

文章对风电机组全功率试验台的构建方案进行了比较和选择,研究了试验项目的设计和实施以及保护方式的优化,并分析了试验过程中的故障现象,提出了多种解决措施。通过电气机械等各种技术手段排除故障和消缺,确保被测机组达到设计标准和劳埃德船级社规范,避免出现由于某些部件或设计技术的缺陷而造成的重大损失,为外场的顺利调试和并网发电打下良好的基础。     

全功率变换风电机组机侧换流器与交流系统间动态交互机理及对稳定性的影响

全功率变换风电机组通过一组背靠背连接的电压源换流器将风电功率注入交流电网。研究表明,网侧换流器与交流电网直接连接,其间可能出现强交互、导致系统在扰动作用下出现功率振荡现象。而对于机侧换流器与交流系统间是否有强交互的可能,其如何产生、又有何影响,当前未见有充分的理论分析与研究。为分析机侧系统与网侧系统间的动态交互作用,首先建立了将全功率变换风电机组视为由机侧系统和网侧系统构成的互联系统,并建立其小信号模型。然后,根据互联系统模型与系统框图,发现了风电机组机侧系统与网侧换流器甚至是交流电网间动态交互作用的通道、及影响因素。最后通过仿真算例,进一步分析与验证了机侧系统与网侧系统的动态交互的存在性及其影响。     

考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗建模方法

海上风电经柔直并网系统的阻抗模型是其稳定分析的基础。然而,现有阻抗建模方法忽略海上风电与模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)间的阻抗耦合,可能导致系统稳定性判定失准。为此,该文提出一种考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗精确计算方法。首先,采用谐波状态空间理论(harmonic state-space,HSS)建立MMC与风电机组的序阻抗模型;在此基础上,分析风电机组与MMC两者交流端口电压、电流与阻抗的相互耦合机理,以获得风电机组与MMC交流等效阻抗;最后,提出风电机组与MMC阻抗耦合度指标,以量化分析不同控制环节对风电机组与MMC的耦合程度的影响。在MATLAB/Simulink搭建海上风电经柔直送出系统仿真模型验证该文所建模型的精确性及阻抗耦合度的对系统稳定性的影响,并通过RT-Lab硬件在环实验证明该文所建模型在系统稳定性分析中有效性。     

直驱风电机组频率耦合阻抗模型的辨识

大规模风力发电并网可能会引发严重的稳定性问题,例如与直驱风电机组有关的新型次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)。这种新型SSO发生时通常伴随着显著的频率耦合效应,且该耦合现象在分析系统稳定性时有重要影响。为此,文章首先提出采用频率耦合阻抗模型(frequency-coupled impedance model,FCIM)分析直驱风电机组的频率耦合特性,之后建立了频率耦合阻抗模型测试平台,提出了频率耦合阻抗模型的辨识方法。然后基于平台和辨识方法得到了直驱风电机组的频率耦合阻抗模型,并根据所提方法拟合得到了阻抗模型传递函数。最后分析了直驱风电机组的频率耦合特性,可为电力系统振荡研究的模型选择提供参考。     

计及直流链路动态耦合效应的双馈风电机组谐波阻抗模型

双馈风电机组的大量并网会给电网带来谐波谐振等电能质量问题,研究此类问题的关键在于建立准确有效的风机谐波模型.传统的双馈风电机组谐波阻抗模型的建立通常基于理想的直流链路电压,然而在风机实际运行中,变流器交直流侧交互作用会导致直流链路电压出现动态耦合谐波成分,且两侧变流器谐波可通过直流链路双向传递,进而产生耦合,即存在直流...     

基于频率耦合阻抗模型的海上风电并网系统振荡稳定性分析

海上风电的大规模开发利用可能会引起次(超)同步振荡事故,降低系统的稳定水平,因此亟需一种能准确分析海上风电并网系统振荡稳定性的方法.为此,首先建立设备的频率耦合阻抗模型,根据系统的拓扑结构,形成海上风电并网系统的阻抗网络模型,由网络的传递函数得到系统的聚合阻抗,根据聚合阻抗的频率特性获得系统的振荡模式并判断模式的稳定性...     

基于全功率变流器的失速型风电机组低电压穿越改造

提出了一种基于变流器的失速型风电机组低电压穿越改造方案。该方案采用全功率背靠背变流器,机侧变流器稳定定子电压,网侧变流器稳定直流母线电压并发出无功电流,实现了机组在电压跌落期间的有功平衡和无功补偿。结合失速型风电机组的特点,提出了一种以稳定定子电压为控制目标的机侧控制策略,并设计了电压电流双闭环控制来抑制机侧滤波电路带来的振荡。在MATLAB/Simulink中建立了780kW失速型风电机组仿真模型,并在110kW电机平台上进行了实验,验证了方案的可行性。     

基于数据驱动的双馈风电机组阻抗辨识及稳定性分析

阻抗分析法是研究“双高”电力系统宽频振荡问题的有效工具,而传统阻抗建模方法存在需要提前获取系统详细结构及控制参数、建模过程复杂、不便于在线应用等不足。为解决上述问题,提出了一种基于改进BP神经网络的双馈风电机组阻抗模型辨识方法。定义了评估系数,以评估神经网络辨识模型的准确度,并基于评估系数改进了BP神经网络的结构,在较优的网络结构下,可用更少的数据实现准确的多工况阻抗模型辨识。通过对比所提方法与传统BP神经网络方法的辨识阻抗误差,说明了所提方法的优越性。为验证所提方法在稳定性在线分析中的可行性,基于辨识阻抗分析了不同电网短路比和不同风电机组出力下双馈风电机组并网系统的稳定性,时域仿真结果验证了所提方法的准确性。     

直驱风电机组阻抗建模及次同步振荡影响因素分析

弱电网条件下直驱风电机组与电网的交互影响得到了国内外的广泛关注。目前,阻抗分析法是研究风电机组并网系统稳定性分析的主要研究方法之一,传统的基于dq坐标系的阻抗建模过程中忽略了直流侧电压波动及直流电压环的影响,并且未分析风电机组控制参数对系统稳定特性的影响。因此,以直驱风电机组并网系统为例,计及锁相环动态特性、直流侧电压波动和直流电压环,建立风电机组在dq坐标系下的阻抗模型,并通过扫频实测阻抗特性验证了理论模型的正确性。结合基于系统总阻抗矩阵行列式的稳定判据分析系统稳定性的影响因素,为风电机组控制参数的优化奠定基础。时域仿真结果验证了理论分析的正确性和有效性。     

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。     

计及主动冗余的海上直流风电机组并网混合MMC损耗建模与分析

针对仿真计算法难以在设计初期快速评估混合模块化多电平变流器(hybrid modular multilevel converter,HMMC)损耗,而现有解析模型主要针对单一结构子模块(submodule,SM)组成的模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)且未考虑主动冗余对损耗影响的问题,提出了一种计及主动冗余的损耗解析模型。首先,考虑固定电平(fixed level,FL)与电压均分(voltage sharing,VS)2种主动冗余模式,分析半桥与全桥SM的调制策略;然后根据SM功率器件的导通与开关状态,建立不同冗余模式下HMMC损耗的解析模型;最后,以10 MW、10 kV的海上直流风电机组HMMC为例,通过仿真验证所提损耗模型的有效性,并分析比较不同冗余模式及SM结构对HMMC损耗的影响。结果表明:额定风速下,HMMC总损耗随冗余半桥SM(half-bridge SM,HBSM)或全桥SM(full-bridge SM,FBSM)的增加基本呈线性关系;相比FL模式,VS模式下总损耗随冗余HBSM变化较小,但受冗余FBSM影响较大。研究可为海上直流风电机组并网MMC的损耗计算提供理论依据。     

变速抽水蓄能和直驱风电系统的阻抗建模及稳定性分析

变速抽水蓄能和直驱风电联合运行系统中存在多种电力电子装置,且运行工况复杂,亟须对该类系统的稳定性进行深入研究.在构造双馈感应电动机小信号模型时,把双馈感应电动机转速作为变量,并引入水泵水轮机小信号模型,建立了d-q-0坐标系下联合运行系统的宽频段阻抗模型;同时对不同工况、不同参数下的系统稳定性进行了相应的分析.分析结果...     

海上风电柔性直流送出系统控制耦合作用及差动保护适应性分析

基于模块化多电平变换器的柔性直流输电技术已成为大规模深远海风电接入的主流方案之一。当风电柔性直流送出系统送端交流线路发生短路故障时,柔性直流换流站和风电场之间的控制耦合作用使得系统的故障电流特性发生显著变化,进而严重影响继电保护装置的可靠运行。为了明确柔性直流换流站和风电场控制耦合作用对送端差动保护适应性的影响,首先,结合系统控制模型分析了系统的控制耦合机制,推导了送端对称故障下系统的平衡点存在性约束。其次,对换流站和风电场短路电流的幅值与相位特性进行了分析,明确了控制耦合作用下系统的电流运行范围与相位差的分布区间。在此基础上,讨论了风电柔性直流并网系统的差动保护适应性,总结了影响保护可靠性的主要因素及其影响规律。最后基于PSCAD仿真平台建立了系统时域仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

考虑网侧控制与机端相位跳变的双馈风电机组对称故障暂态特性研究

目前在双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)对称短路暂态特性的研究中,未充分考虑DFIG网侧变流器控制以及机端电压相位跳变等因素。为此,首先建立了综合考虑上述2种因素的DFIG故障暂态模型,在此基础上,推导了电网三相对称故障情况下的DFIG转子电流和定子电流的瞬时表达式,分析了DFIG机端电压相位跳变以及DFIG网侧变流器控制在故障时对短路电流的作用机理,实现了电网故障下DFIG故障暂态过程更为准确的描述。时域仿真与动模实验结果均验证了短路电流表达式的正确性。     

海上风电机组格构式浮式基础结构优化及响应分析

面对日益严峻的环境问题,优化浮式基础结构形式成为海上风电降本增效的一大途径.对一种具有双重抗摇摆机制的新型格构式浮式基础进行结构优化,通过格构式塔架不同布置形式的参数化分析,寻找最适合格构式浮式基础的系杆布置形式,同时对优化后格构式浮式基础进行水动力响应分析,验证优化方案可行性.结果表明:在格构式系杆布置方面,斜向系杆...     

双馈风电机组静止坐标系下阻抗建模及次同步谐振抑制策略

为清楚分析双馈风力串补系统次同步谐振发生机理,建立了双馈风电机组静止坐标系下的阻抗模型。首先,将双馈风电机组同步旋转坐标系下阻抗模型转换为复矢量形式,通过频率变换得到其在两相静止坐标系下的频域阻抗模型。基于阻抗模型所代表的物理意义,采用等效RLC串联电路,分析了控制器参数及电网参数对并网系统等效阻抗及谐振频率的影响。分别从增大次同步频段阻尼和降低系统发生次同步谐振频率的角度出发,在转子侧控制器中同时引入了附加阻尼和虚拟感抗控制,分析表明该方法能有效地抑制次同步谐振。最后,通过仿真验证了所建模型及理论分析的正确性。     

直驱风力发电机组全功率变流器网侧甩负荷故障分析及保护策略研究

直驱技术在目前大容量风力发电机组的比例越来越高,而全功率变流器在直驱机组中起到了连接电网与发电机的惟一能量转换通道作用,其可靠性对整机的可利用率有决定性意义。本文对直驱机组正常运行情况下,因箱变低压侧或高压侧突然跳闸导致变流器网侧甩负荷的故障工况进行了详细分析。通过分析可以看出,这种工况下如果没有采取有效保护,会导致变流器直流母线电压骤升,会导致功率器件失效,特别是IGBT模块。因此本文提出来一种保护策略并通过仿真验证该策略的有效性。     

海上风电场经MMC-HVDC并网的阻抗建模及稳定性分析

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)已成为大规模、远距离海上风电场并网的理想解决方案。但是由于MMC自身结构特点,当MMC-HVDC接入风电场时有可能发生振荡或不稳定现象。该文建立MMC的交流侧小信号阻抗模型,根据最小阻抗环增益的奈奎斯特(Nyquist)稳定性判据判断互联系统的稳定性,并预测系统潜在的谐振频率及稳定裕度。研究结果表明,适当的环流控制能够显著改善MMC的稳定性。基于Matlab/Simulink建立了21电平MMC及风电场的详细时域仿真模型,仿真结果和实际工程现场录波验证了理论分析的正确性。     

基于阻抗法的光储逆变器交直流建模及耦合分析

在共母线式光储逆变器中,交直流单元通过直流母线电容连接.传统的逆变器建模方法将母线电容视为无穷大,认为交直流侧运行相互解耦.然而,当直流母线电容较小时,光储逆变器的交直流侧将产生交互影响,引起电流谐振.该文以单个单元稳定运行为前提,推导出直流共母线系统稳定性的合阻抗比(CIR)判据.该判据的数学形式便于利用Bode图对并联系统的谐振源进行分析与定位.首先,对光储逆变器交直流各单元进行阻抗建模,利用合阻抗比判据分析直流侧储能单元相对于光伏单元更易与网侧发生谐振.然后,通过在电流环路加入陷波器改善储能单元的阻抗特性.最后,仿真及实验结果证实了所提合阻抗比稳定性判据的正确性.