采用VSC-HVDC并网的直驱风电场次/超同步振荡特性

风电、光伏经由高压直流输电系统并网外送已经成为大规模可再生能源基地的主要输送方式。对于风电引发的次/超同步振荡问题,尤其是直驱风电机组与柔性高压直流(VSC-HVDC)输电系统之间相互作用引发的次/超同步振荡问题值得深入研究。首先,分别建立直驱风电机组与VSC-HVDC的动态模型,并深入分析与推导两者之间的接口矩阵与接口动态方程,进而得到直驱风电机组经VSC-HVDC并网外送的完整动态模型。在此基础上,采用特征值分析法计算得到各振荡模式的参与因子,并根据模式参与因子判断出次/超同步振荡模式之间存在阻尼耦合。通过PSCAD/EMTDC进行时域仿真,验证了模型与特征值分析结果的正确性。进一步深入分析风电并网距离/阻抗、直驱风电机组机/网侧控制器与VSC-HVDC送/受端控制器参数对次/超同步振荡阻尼特性的影响,结果表明:同一个控制器参数可同时影响多个次/超同步模式,同一个次/超同步模式可同时受多个控制器参数影响,并且这种阻尼耦合的影响可能趋同(调节控制器参数,耦合的两种模式的阻尼比同向变化),可能趋反(调节控制器参数,耦合的两种模式的阻尼比反向变化),也可能趋同与趋反同时存在。     

直驱风电场经VSC-HVDC并网系统的多频段振荡特性分析

风电、光伏经由高压直流(HVDC)并网外送已经成为可再生能源消纳的理想方案。对于直驱型永磁同步风力发电机组(D-PMSG)经柔性直流输电(VSC-HVDC)技术并网外送系统的多频段振荡(MBO)问题值得深入研究。首先分别建立D-PMSG与VSC-HVDC的动态模型,并推导两者之间的接口动态方程,进而得到D-PMSG经VSC-HVDC并网外送系统的完整动态模型。基于特征值分析法,发现系统存在低频、次/超同步、高频多频段振荡模式,而这些振荡模式不仅与换流控制器参数有关,还与VSC-HVDC受端电网短路比及直流输电线路参数密切相关。通过PSCAD/EMTDC进行时域仿真,验证模型与特征值分析结果的正确性。进一步深入研究分析VSC-HVDC受端电网短路比与直流输电线路参数对多频段振荡阻尼特性的影响。结果发现,从调度运行的角度出发,尤其应当监视可能引起短路比过低进而恶化强相关模式阻尼比的运行状态;直流输电线路参数对高频振荡模式影响较大,直流线路过短特别是柔直背靠背的情况应给予关注。     

抑制风电-柔直外送系统次同步振荡的并联VSC型次同步阻尼控制器

风电经柔性直流输电(简称“柔直”)系统接入交流电网已经成为陆上/海上风电并网的主要方式之一,但风电与柔直系统之间存在控制相互作用引发次同步振荡的风险。为抑制此类振荡,提出一种独立于柔直系统和风电机组变流器的并联电压源变流器(VSC)型次同步阻尼控制器。该控制器使用集电线电压作为输入信号,提取信号中的振荡模态后调制其幅值、相位,然后利用并联VSC向系统注入次同步频率的电流来抑制振荡。基于复阻抗法对控制器参数进行了优化设计。仿真结果表明,所提出的控制器能在不同工况下有效抑制振荡。     

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。     

基于混沌优化算法的高压直流次同步阻尼控制器的设计

高压直流输电系统在一定条件下可能引发系统的次同步振荡。基于混沌优化算法可用于控制器参数寻优,且可避免陷入局部最优的特点,提出利用此算法设计附加次同步阻尼控制器。通过此算法,以阻尼比为目标函数,寻找出系统在不同运行方式下的控制器最优参数,从而达到抑制次同步振荡的作用。以南方电网贵广II号直流输电工程作为实例模型,分别利用PSCAD/EMTDC仿真程序和矩阵束算法验证此阻尼控制器的有效性。     

机侧与网侧多通道附加阻尼控制器参数协调综合抑制低频振荡和次同步振荡

由于低频振荡与次同步振荡存在阻尼耦合,针对一种特定振荡模式设计控制器,会对其他频段的振荡模式造成不利的影响。综合考虑低频振荡与次同步振荡这2种模式,基于模式分离方法设计机侧与网侧附加阻尼控制器,将阻尼耦合问题转化为控制器之间的参数协调优化问题。使各控制器之间以及对应同一振荡模式的各通道之间的参数协调配合,以综合抑制低频振荡与次同步振荡,最大限度地降低模式之间的阻尼耦合;在协调优化过程中,对次同步振荡模式的阻尼比阈值进行动态设定,即次同步振荡模式的频率越大,其所需阻尼比的阈值越小。特征值分析与时域仿真结果均表明,所提协调控制策略能显著地改善系统各频段的阻尼特性;相比于传统的阻尼控制策略,所提协调控制策略具有更好的阻尼效果。     

改进的人工鱼群算法设计次同步阻尼控制器

为了抑制次同步振荡SSO(subsynchronous oscillation),提出了一种改进人工鱼群算法,并基于该算法利用美国电力研究院EPRI(electric power research institute)提出的抑制直流系统次同步振荡的基本原理,设计次同步阻尼控制器。将控制器参数视为自适应参数,以阻尼比为自适应函数,通过改进人工鱼群算法,计算出最优的控制器参数,达到抑制SSO的目的。以2012年四川电网向家坝-上海直流系统的送端交直流混合输电系统为例,验证了该阻尼控制器的有效性。     

基于实用稳定域的次同步振荡阻尼控制器设计

随着高压直流输电、柔性交流输电装置的广泛应用电力系统运行方式灵活多变,对次同步振荡有着显著的影响,传统的采用“逐点法”设计的阻尼控制器可能存在鲁棒性不足的问题。为提高控制器的鲁棒性,提出一种基于实用随着高压直流输电、柔性交流输电装置的广泛应用电力系统运行方式灵活多变,对次同步振荡有着显著的影响,传统的采用“逐点法”设计的阻尼控制器可能存在鲁棒性不足的问题。为提高控制器的鲁棒性,提出一种基于实用次同步振荡稳定域的阻尼控制器优化设计方法。采用临界阻尼定义一种新的稳定边界,构成实用次同步振荡稳定域,并直接以该稳定域为目标进行阻尼控制器参数优化。分析一个含可控串联补偿(thyristor controlled series capacitor,TCSC)系统的多个运行参数对次同步振荡的影响,发现TCSC导通角是影响次同步振荡模式阻尼的主导因素。采用遗传算法,以TCSC导通角构成的实用次同步振荡稳定域为目标,设计附加励磁阻尼控制器(supplementary excitation damping controller,SEDC)的参数。结果表明,所设计的SEDC能大大扩展TCSC的安全工作范围。     

含储能型虚拟同步发电机的直驱风机并网系统自适应协调阻尼控制策略

储能型虚拟同步发电机(VSG)的灵活控制特性能够为风电并网系统提供有效的频率和电压支撑,然而系统振荡特性会受到一定程度的影响,同时风电时变出力特性导致的运行点变化也将使得定参数阻尼控制表现出适应性不足的问题.为此,提出了适应风电出力时变特性的自适应协调阻尼控制策略.首先,在风电并网系统状态空间模型的基础上推导线性变参数模型,以直驱风机的有功功率为调度变量,根据稳定域确定运行空间范围;然后,利用间隙度量对运行空间进行划分,确定各子运行空间的典型运行点并将其作为多胞形顶点,建立调度增益与系统运行工况以及控制器的映射关系;最后,针对不同频率振荡模式协调设计自适应控制器.测试系统的仿真结果表明,所设计的自适应协调阻尼控制器不仅能够同时阻尼含储能型VSG并网系统中的次同步振荡和低频振荡,也能在风电出力大范围时变工况下保持良好的阻尼水平.     

含SVG直驱风电场降阶模型与宽频振荡抑制措施研究

在直驱风电机组状态空间模型、SVG状态空间模型的基础上,建立了含SVG直驱风电场并网系统降阶状态空间模型;分析发现直驱风电场内SVG可能引起宽频振荡。为了抑制含SVG直驱风电场内宽频振荡,提出了含SVG直驱风电场宽频振荡阻尼控制器设计方法。基于降阶状态空间模型,以目标振荡模式的阻尼比为目标函数,通过优化算法整定控制器参数。最后对含SVG直驱风电场并网电力系统进行了模态分析和时域仿真分析,验证了宽频振荡阻尼控制器设计方法的有效性。     

含并联直驱风电机组并网的风电场多开环模式谐振

针对电力系统中的次同步振荡问题,采用开环模式谐振分析方法研究了多台具有相同参数的直驱风电机组并联并网后引发电力系统次同步振荡的多开环模式谐振现象,构建了以直驱风电机组为反馈子系统和电力系统其余部分为前馈子系统组成的闭环互联模型。针对网侧换流器直流电压外环和锁相环动态主导的振荡模式,研究2个子系统之间的多开环模式谐振。模式分析计算结果表明,多台直驱风电机组的并网会导致锁相环模式的阻尼降低; 并联并网直驱风电机组的数目增加会导致电力系统的次同步振荡。     

直驱风电机组次同步振荡阻尼控制方法及其适应性

由风电波动引发的次同步振荡具有振荡频率多变、涉及动态装置多、影响因素复杂等特点,现有的阻尼控制类装置难以实现有效抑制,需研究适用的附加阻尼控制方法。文中通过线性化方法推导了直驱风电机组并网系统的特征方程和传递函数,并获取了风电机组并网系统在不同工况下的频率响应特性。然后提出了基于奈奎斯特稳定判据的风电机组次同步振荡阻尼控制器的参数设计方法,以及基于粒子群优化算法的参数优化方法;结合特征值法及时域仿真法,分析了阻尼控制器对于次同步振荡的抑制作用。研究结果表明,依据前述方法设计的阻尼控制器在多种运行条件下均具有较好的适应性。     

抑制直驱风电并网系统次/超同步振荡的储能变流器有源阻尼控制方法

为应对直驱风电并网系统接入弱电网引发的次/超同步振荡问题,针对储能变流器提出了一种改进的有源阻尼控制方法,建立了考虑所提有源阻尼控制方法的储能变流器序阻抗模型,并分析了含储能变流器的直驱风电并网系统阻抗特性。在次/超同步振荡频段,并网系统阻抗幅值较低且部分呈容性,当输出功率增大、电网短路比降低或锁相环带宽减小时,容易与感性电网阻抗发生交互,从而诱发次/超同步振荡。然后,考虑不同有源阻尼控制参数对系统稳定性的影响,并给出选取参数的方法,使直驱风电并网系统的正负序相角裕度大于零或幅频特性不与电网阻抗发生交截。分析结果表明,所提有源阻尼控制方法能够有效改善直驱风电并网系统的阻抗特性,在更为复杂恶劣的条件下,耗散振荡能量,抑制次/超同步振荡,增强系统的稳定性。最后,通过仿真验证分析的正确性。     

风电并网系统次同步振荡稳定性分析与控制方法研究综述

近年来,国内外多次发生并网风电场引发电力系统次同步振荡的事件,风电并网系统次同步振荡稳定性的分析与控制方法成为亟待解决的科学与工程问题。文中首先介绍了目前风电并网系统次同步振荡稳定性的分析方法——阻抗分析法、模式分析法和开环模式分析法,并从对振荡机理的揭示、稳定性评估结论的准确性和工程实用性三个方面进行了对比。其次,从负阻机理和开环模式耦合机理的角度总结归纳了近年来关于风电并网系统次同步振荡机理的研究成果。然后,从柔性输电系统及其附加阻尼控制器、风电机组换流器的控制回路附加控制环节两个方面总结归纳了风电并网系统次同步振荡的控制方法。最后,对目前风电并网系统次同步振荡稳定性分析与控制方法的研究中尚存在的问题以及有待突破的研究方向进行了总结和展望。     

基于STATCOM/BESS的风火打捆系统次同步 振荡抑制研究

基于高压直流输电(HVDC)技术将风电与火电打捆运行已成为解决远距离输电需求的一种可行方案。为解决风火打捆经直流送出系统的次同步振荡问题,提出了一种基于储能型静止同步补偿器(STATCOM/BESS)的抑制方法。首先对STATCOM/BESS抑制次同步振荡的机理进行了分析;其次,基于广域测量系统(wide area measurement system,WAMS)设计出STATCOM/BESS关于风火打捆系统的次同步振荡抑制方法,在STATCOM/BESS电流内环控制回路上附加阻尼控制抑制多模态振荡,并采用改进粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对附加阻尼控制器参数进行协调优化。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了含STATCOM/BESS接入的风火打捆经直流送出系统仿真模型,对所提抑制方法的有效性进行仿真验证,结果表明该方法能有效抑制风火打捆系统中的次同步振荡问题,提高系统的稳定性。     

风光火打捆外送系统STATCOM-POD协调优化设计

风电和光伏与火电打捆外送是我国大型新能源基地电力外送的重要途径.针对风光火打捆外送系统低频振荡问题,提出一种基于静止同步补偿器附加功率振荡阻尼控制协调优化设计策略.首先,搭建了风光火打捆外送系统模型,设计了STATCOM-POD控制器,并采用联络线有功功率作为控制器输入量.然后,基于李雅普诺夫稳定法则构建了计及系统所有低频振荡模式最小阻尼比的目标函数.最后,采用遗传算法对多控制器参数进行协调优化,改善了系统低频振荡特性.以IEEE四机二区域系统为例,验证所提方法的正确性和有效性.结果表明:协调优化参数的STACOM-POD控制器能够维持发电机转速的稳定,增加系统的阻尼,抑制低频振荡引起的电网参数波动,改善风光火打捆外送系统的低频振荡特性.     

基于制氢协同阻尼控制技术的次同步振荡抑制研究

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电（MMC-HVDC）技术是大规模、集群化海上风电场并网的理想解决方案。但是双馈风机（DFIG）与柔直系统之间的相互作用存在引发系统次同步振荡（SSO）的风险。针对此问题,提出一种利用制氢系统和双馈风机控制系统的协同阻尼控制器抑制海风经柔直并网引发次同步振荡的方法。首先,建立海上风电场、柔性直流输电系统和制氢系统模型;在此基础上,提出一种基于制氢系统协同阻尼控制方案,提高系统对次同步振荡现象的抑制能力;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建海上风电场经MMC-HVDC并网模型,进行电磁暂态仿真分析。结果表明,提出的基于制氢系统协同阻尼控制方法可以有效抑制该系统引发的次同步振荡,为解决海风柔直并网系统的SSO问题提供了新的解决思路。     

基于转子侧附加阻尼控制的双馈风机并网次/超同步 振荡抑制方法

针对风电经串补输电线路并网发生的多起次/超同步振荡现象,首先推导了基于有功无功解耦控制的双馈风机阻抗模型。其次分析了电网参数、双馈风机控制参数以及电机参数对风电并网系统稳定性的影响。然后针对串联补偿输电线路参数以及风机控制参数引发的次/超同步振荡现象,提出了双馈风机转子侧控制环节附加阻尼控制器的抑制方法。并对比分析阻尼器放置于功率外环以及电流内环对系统稳定性的影响,得出阻尼器放置于电流内环对次/超同步振荡抑制效果更好的结论。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建双馈风机并网模型,通过时域仿真验证了阻抗模型分析风机并网次/超同步振荡的正确性以及所提方法对次/超同步振荡抑制的有效性。     

宁夏多直流外送系统SSO特性分析及次同步阻尼控制器设计

针对宁夏电网近电气距离耦合的火电机群与多直流输电的简化等值送端系统,利用基于复频域端口等效导纳矩阵的复转矩系数法对其进行次同步振荡(SSO)特性分析。研究表明,降低宁夏电网直流输电外送功率,加强宁夏电网送端交流系统,增强直流换流站之间电气耦合强度等均有利于改善系统SSO阻尼特性。其次,针对存在SSO风险的灵武二期电厂机组,开展直流输电附加次同步阻尼控制器设计,并通过仿真证明了其有效性。该文研究成果可为宁夏电力外送系统的运行、规划及SSO抑制提供技术支撑和参考。     

基于信号注入法的风火打捆经直流外送系统次同步扭振分析

随着大规模新能源的发展,风火打捆经高压直流外送是解决风电消纳问题的关键手段。与此同时,风电机群、直流输电与同步发电机组之间的次同步振荡问题日益凸显。针对双馈风电机群、直流输电与同步发电机组的动态交互问题,建立了线性化模型,研究风电机群、直流输电的动态过程对同步发电机组机电暂态过程的影响。基于附加励磁信号注入法,分析直流输送容量固定时双馈风电机群控制参数、运行风速、并网台数等因素对同步发电机组各扭振模式阻尼特性的影响规律,辨识同步发电机组轴系负阻尼扭振机理。基于时域仿真模型,验证了所提方法能够有效揭示双馈风电机群对同步发电机组轴系扭振的影响。