双馈风电机组参数及运行状态的小干扰稳定性分析

为了提高大规模风电并网的稳定性以及风电机组对电网的适应能力,有必要研究风电机组参数及运行状态对其自身小干扰稳定性的影响。考虑风电机组运行特点,建立含风力机传动链、变桨系统和发电机的双馈风电机组小信号分析模型。基于模态分析方法,通过计算特征值和参与因子获得相应的模态;分析风力机传动链机械参数、发电机电气参数和机组运行状态对特征值的影响程度。引入参数灵敏度的概念,研究不同运行状态下特征值对不同参数的灵敏度。结果表明,机械参数对轴系模态的振荡频率影响较大,电气参数对系统模态的阻尼影响较大;系统的主导模态会随机组运行状态的改变而变化,且相同特征值对同一参数的灵敏度存在较大不同。     

永磁直驱风电系统低电压穿越方法综述

随着永磁直驱风电机组在电网中并网容量的快速增加,电力系统对并网风力发电机组在电压跌落故障下不间断运行提出高要求。首先结合电网电压跌落对PMSG运行的影响,分析风电机组的暂态过程,并对各种适合于PMSG风电系统的低电压穿越技术的原理和特点进行总结、评价,最后提出了低电压穿越技术的发展方向。     

并联永磁同步风电机组小干扰稳定性分析

采用平均磁链定向控制多台永磁同步风电机组进而构造分频发电系统是未来陆上尤其是海上风电的汇集方案之一,但对该模式下多台风电机组间稳定性的研究鲜有文献涉及。针对此问题,基于特征值分析法,研究了平均磁链定向控制的永磁同步风电机组之间的小干扰稳定性。首先,基于高压大容量直驱式永磁同步风电机组的分频集电系统拓扑结构,建立了适用于小干扰稳定分析的风电系统的数学模型;其次,通过辨识振荡模态并分析模态参与因子确定了影响系统振荡的主控因素,通过绘制根轨迹分析了主控因素参数变化对系统振荡的影响,并发现系统振荡受发电机电感、电阻和直流电容参数的影响最大;最后,通过时域仿真验证了研究结论的正确性     

双馈风电机组经串补并网的振荡模式分析

大规模风电经串补并网系统存在稳定性问题,为全面分析双馈风电机组(DFIG)经串补并网系统的振荡模式,建立了双馈风电机组经串补并网详细的状态空间模型。采用小信号分析法计算系统26阶状态矩阵特征值、阻尼比,基于模态频率和参与因子分析,甄别出待研系统的主要振荡模式。结果表明,该系统主要有高频振荡模式、轴系主导的振荡模式、由固定串补与变频器相互作用引起的次同步控制相互作用(SSCI)模式。变频器PI参数对SSCI频率和阻尼具有一定的影响,其中电网侧变频器(GSC)内环PI参数起主导作用;SSCI的频率受串补度的影响较大,且振荡频率在串补模态频率附近。     

基于三质量块模型的失速型风机小信号建模和模态分析

风电场大规模接入电网可能增加区域电网低频振荡和风电机组轴系扭振的风险,研究风机建模及扭振特性是保证电力系统安全稳定的重要课题。以失速型风电机组为例,建立基于三质量块轴系模型的单机对无穷大母线系统小信号模型,并采用模态分析法探讨系统电气参数对失速型风电机组轴系扭振特性的影响。为方便不同机型及多机风电机组的扭振特性的拓展研究,系统各部分模型相对独立。在单机对无穷大母线系统模型的基础上建立简化失速型风电场多机小扰动仿真模型,研究风电场扭振模态的变化,MATLAB仿真验证了该模型用于风电机组轴系扭振问题研究的有效性和准确性。     

风电并网系统的虚拟同步稳定分析与惯量优化控制

风电并网系统引入虚拟惯量后,应综合分析风电机组安全和电网动态稳定,完善附加控制的友好并网功能,提升其推广应用价值。首先建立了含虚拟惯量风电并网系统的状态方程。其次,采用小信号分析理论,并设计非线性扩张干扰观测器,为惯量控制附加动态响应补偿信号,完善其动态稳定支持功能。通过积分流形方法,对风电机组轴系模型降阶,进一步分析虚拟惯量控制对风机轴系振荡模式的影响,并建立轴系暂态能量函数,为轴系稳定控制提供参数设计范围。最后,基于RTLAB数模混合仿真平台,建立含高渗透风电并网系统,结果表明虚拟惯量在互联系统功角摆动及风机轴系振荡中的稳定控制功能得到显著改善。     

锁相环控制对永磁直驱风机并网次同步振荡稳定性的影响 —— 控制参数安全域

主要从控制参数安全域的角度研究了锁相环(PLL)控制对并网永磁直驱风机(PMSG)次同步振荡稳定性的影响。基于所建立的全系统动态互联模型,通过特征值分析方法计算得到了PLL控制参数安全域。研究发现,参数安全域中出现的一系列“峰值点”主要是由模式谐振诱发的PLL与电压源型换流器(VSC)之间的强动态交互作用引起的,并通过非线性仿真验证了模式分析所得结论的正确性。进一步地,从PLL参数安全域的角度详细筛查了模式谐振诱发PMSG次同步振荡失稳的机理,分析了系统参数和VSC控制参数这2个因素对风电并网次同步振荡特性的影响。     

PI控制器对并网永磁直驱型风力发电系统机网相互作用的影响

为了研究并网永磁直驱型风力发电(PMSG)系统的振荡问题,建立了基于PQ解耦控制的PMSG系统的小信号模型。用特征值分析法和相关因子分析方法,找出了系统所有的振荡模态、特征频率和主导每种振荡模态的状态变量,并用基于Copula理论的分布估计算法寻找最优的PI控制器参数组合。通过MATLAB/Simulink平台进行时域仿真,验证了各种振荡模态的存在。在不改变系统稳定性的前提下,依次改变变流器的控制参数,研究了系统的次同步控制相互作用、次同步振荡和低频振荡模态的变化情况。利用最佳PI控制器参数对所建PMSG系统模型进行模态分析,仿真结果验证了所提模型的正确性。     

PI控制器参数对并网永磁直驱型风力发电系统机网相互作用的影响

为了研究并网永磁直驱型风力发电(PMSG)系统的振荡问题,建立了基于PQ解耦控制的PMSG系统的小信号模型。用特征值分析法和相关因子分析方法,找出了系统所有的振荡模态、特征频率和主导每种振荡模态的状态变量,并用基于Copula理论的分布估计算法寻找最优的PI控制器参数组合。通过MATLAB/Simulink平台进行时域仿真,验证了各种振荡模态的存在。在不改变系统稳定性的前提下,依次改变变流器的控制参数,研究了系统的次同步控制相互作用、次同步振荡和低频振荡模态的变化情况。利用最佳PI控制器参数对所建PMSG系统模型进行模态分析,仿真结果验证了所提模型的正确性。     

风电大规模并网对系统暂态稳定性的影响

随着风电的不断发展,风电在电网的比例不断增加,风电大规模并网对电力系统暂态稳定性的影响日益突出。本次仿真研究以内蒙古某地区实际含风电厂的电网为例,使用FASTEST软件搭建出风电并网的模型,并对含风电场的电力系统进行潮流计算。在潮流计算结果收敛的基础上,主要研究风电接入的电网在三相短路故障下系统的暂态稳定性。主要包括不同风电出力的情况下系统的故障极限切除时间,故障下系统的电压稳定性,以及考虑低电压保护的系统故障对风电机组机端电压、输出的有功功率和无功功率的影响。为了提高系统稳定性,使用静止无功补偿装置(SVC)为系统提供有效的无功支持,通过仿真验证了SVC可以提高风电并网电力系统的暂态稳定性。     

考虑小干扰稳定的海上风电经不控整流直流送出系统 控制器参数优化设计

风机并网逆变器及送电系统的稳定性是大规模海上风力发电系统稳定运行的重要保证。提出一种考虑小干扰稳定的海上风电系统控制器参数优化设计方法。首先,利用谐波线性化原理推导了直驱风机并网逆变器、送端采用不控整流器的高压直流(diode-rectifier based HVDC, DR-HVDC)输电系统的序阻抗模型。然后,分析了风场经DR-HVDC并网互联系统的特点,讨论了稳定判据的适用性。进而,从控制器的角度,确定直驱风机并网逆变器控制系统的控制带宽和阻尼比的取值范围。并在此基础上,从系统的角度,综合考虑互联系统的右半平面零极点和控制参数等对阻抗比值的作用。最后,给出直驱风机并网逆变器的控制系统参数优化设计流程。基于Matlab/Simulink 建立海上风电经DR-HVDC直流送出系统的时域仿真模型。仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

双馈风机的动态稳定分析

本文探讨了双馈型风电场并网后对地区电网动态稳定性的影响。建立了风电机组的空气动力学模型、轴系模型及桨距角控制系统模型;并在此基础上推导了风电场接入后的地区电网动态稳定特征值分析的状态矩阵。对风电机组接入的广西电网动态稳定性的影响进行全面的仿真分析,仿真证明,通过调整风电场的接入位置,以及采用变速风电机组的稳定控制模型,这两种方式能够有效改善系统阻尼,增强系统动态稳定性。     

Small Signal Stability Analysis with Penetration ofGrid-connected Wind Farm of PMSG Type

The impacts of large-scale grid-connected wind farm on direct-driven permanent magnet synchronous generator(PMSG)type are discussed on the small signal stability performances of power systems.Firstly,a simplified practical model of wind farm of PMSG type is derived for analyzing small signal stability.The rotor-fluxoriented control strategy is applied to the modelling of PMSG.Secondly,the framework of small signal stability analysis incorporating wind farm of PMSG type is built.Finally,the different simulation scenarios based on the IEEE 3-generator-9-bus test system as benchmark are designed to conduct the eigenvalue analysis and to assess the impacts of wind farm of PMSG type on power system small signal stability.Some conclusions are drawn with simulation results.     

传动链模型参数对双馈风电机组暂态性能影响

为了较准确地研究并网双馈风电机组机电耦合作用对其暂态性能的影响,考虑风力机和发电机之间传动轴扭转柔性因素,采用等效集中质量法,建立风力机传动链的等效为两个质量块模型.基于并网双馈风力发电机组的功率控制策略和电磁暂态模型,在电网电压跌落故障下,对采用两个等效质量块传动链模型时的机组暂态运行性能进行仿真,并和不考虑传动链柔性的等效为一个质量块模型时的结果进行比较.应用传动链柔性模型,选取不同参数值时的机组暂态效果进行仿真比较和分析.结果表明:考虑风力机传动链柔性有助于准确分析双馈风力发电机组暂态性能,其暂态性能和传动轴系刚度系数、风力机和发电机惯性时间常数密切相关.     

虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的应用与展望

随着风电并网容量的不断提升,大量通过电力电子装置并网的风力发电机组使得现有电力系统的转动惯量缺失,造成系统频率稳定性下降等问题愈加严重。虚拟同步发电机技术可通过模拟传统同步发电机的运行特性,提高风机的并网等效惯量和阻尼系数及电网的风能渗透率。首先,论述了近年来虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的研究进展,探讨了风能最大功率点跟踪(MPPT)与频率支撑的协调控制,并揭示了实际转子与虚拟同步转子的能量平衡关系。然后,分析了系统参数设计及其对稳定性的影响,并以主流的全功率型风机和双馈型风机为例,介绍了具体控制方法及其未来在大规模风电场聚合等值研究中的应用前景。最后,总结了当前存在的关键技术问题及可行的解决思路。     

风电机组等效模型对机组暂态稳定分析结果的影响

该文应用等效集中质量法,建立了同时考虑风力机叶片弯曲柔性以及风力机和发电机之间传动轴扭转柔性的风力机3个质量块等效模型。结合并网笼型异步发电机的电磁暂态模型,以额定功率330 kW(MADE-AE30)和3 MW的风力发电机组为例,在电网电压骤降和机械大扰动下,与风力机传统1个、2个质量块等效模型的机组暂态稳定性进行了     

风力发电机组轴系扭振模式稳定性分析

针对带串联补偿装置的并网双馈风力发电机组轴系扭振模式的稳定性,搭建了风力发电机轴系的三质量块等效模型,用小扰动法分析了轴系不同质块间的扭振模式。基于矩阵束算法辨识串联补偿度对风电场发电机组轴系扭转模式稳定性的影响,分析表明在故障情况机组轴系可能发生暂态扭矩放大。在PSCAD/EMTDC中搭建了某实际风电场中风力机轴系和发电机电磁暂态模型以及电网其它部分模型。仿真结果表明:电网故障会引发轴时系扭振模式不稳定现象,同时验证了串联补偿影响轴系扭振模式的稳定性。     

Small-signal Modeling and Modal Analysis of Wind Turbine Based on Three-mass Shaft Model

Abstract—One critical task in wind turbine shaft torsional vibration study involves the modeling of a wind turbine and power grid. With a focus on the mechanical rotational system of wind turbine, this article provides a three-mass shaft model upon which one wind turbine to infinite bus model can be developed. The model, based on small-signal stability analysis, is used to study the wind turbine shaft torsional vibration. For this reason, this article concentrates on the union model of stall wind turbine and power grid. The small-signal stability model includes the mechanical system and electrical system. Data for the turbine's blades and shaft as well as electrical generator are given to allow replication of the model in its entirety. Each of the component blocks of the wind turbine and power grid is modeled separately so that one can easily expand and modify the model to simulate variable-speed wind turbines or multi-turbines system to suit their needs. This is then followed by a case study that explains how the small-signal stability model can be used to study wind turbine shaft torsional vibration issues. Results obtained from the case study show that the model performs as expected.     

基于矩阵的迹的弱电网下永磁直驱风电场直流电压时间尺度小扰动振荡稳定性分析

弱电网下锁相环与直流电压环强交互作用给并网永磁直驱风电场稳定运行带来了安全隐患,以往研究主要采用基于具体仿真算例的模式分析法研究弱电网下风电场系统的锁相环或直流电压环稳定性规律,无法揭示所得稳定规律的内在机理。为此,建立考虑直流电压环和锁相环动态的并网永磁直驱风电场降阶模型,推导出系统状态矩阵的迹的数学表达式,从理论分析的角度揭示了弱电网下永磁直驱风电场的直流电压时间尺度小扰动稳定性规律。分析结果表明在风机控制参数固定不变的条件下,当系统运行参数如线路电抗、风电场无功出力或风机数量增大时矩阵的迹向正方向移动,这表明考虑锁相环动态影响时由直流电压动态主导的永磁直驱风电场系统至少有一个模式的阻尼变弱。     

直驱风电场经交流并网系统dq阻抗模型及稳定性分析

为研究直驱式风电场经交流并网系统中,由变流器控制器与电网互相作用而引发新的次同步振荡问题,综合考虑变流器内部控制动态特性、交流动态响应和功率传输特性,推导了直驱风电机组经交流并网系统dq等效阻抗模型。结合系统阻抗行列式稳定判据,分析了直驱风电机组网侧变流器内部控制参数变化对次同步振荡的影响。研究表明,随着网侧变流器中内、外环的PI控制参数（Kp、Ki）的减小,发生振荡失稳的风险增加,系统稳定性下降。最后,通过PSCAD/EMTDC环境下时域仿真验证了模型与理论分析的正确性。