海上风电场集电网的高频谐振分析

大型海上风电场已经成为风力发电的发展趋势,海上风电场集电网采用电缆线路汇集电能,电缆相间电容和对地电容不可忽略,集电网的阻抗网络复杂多变,存在与风电机组阻抗交互作用进而发生高频谐振的风险,威胁到风电场的安全稳定运行。针对这一问题,构建集电网的阻抗网络,将风电场集电网等效为风电机组子系统和剩余等效风场子系统,进一步揭示了高频谐振发生的机理,研究了电缆参数、场内链式电路数量、风电机组接入台数和电网阻抗与互联系统谐振频率的变化规律。以某海上风电场系统作为研究对象,利用MATLAB软件和基于RT-LAB的控制器硬件在环仿真对该风电场进行分析,验证了理论分析的正确性。     

双馈风电场等值阻抗模型在高频振荡研究中的适用性分析与评价

目前在对风电场高频振荡的研究中,风电场普遍采用等值阻抗模型,然而对于等值阻抗模型在高频段的适用性需要进一步分析与评价。针对这一问题,该文以双馈风电场为例,首先建立风电场中包含双馈风电机组、链路出口处电缆与风电机组间集电线路的链路详细高频阻抗模型。然后,采用常规等值方法聚合风电场,获得等值高频阻抗模型。进而,在同一链路不同风电机组之间控制延时、电流内环控制参数、网侧滤波器等关键参数存在差异的场景下,采用振荡频率相对误差、高频段相位均方根误差两个指标综合评价等值与详细风电场高频阻抗模型的一致性,并研究考虑与忽略风电机组间集电线路对等值高频阻抗模型适用性的影响。结果表明,风电机组间集电线路对风电场等值高频阻抗模型的适用性有较大影响;然而,在考虑风电机组间集电线路的影响后,同一链路不同风电机组的关键参数存在差异时对风电场等值高频阻抗模型的适用性影响较小。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建双馈风电场的仿真模型,通过仿真验证理论分析的正确性。文章所得结论可以为研究规模化风电场高频振荡现象提供等值模型的适用性参考依据。     

永磁同步风电机组机侧直流阻抗建模

永磁同步风电机组因其具有单机容量大、发电效率高、控制性能好等优势,在海上风电场中占有较高比例。在海上风电场直流外送系统中,永磁同步电机风电场采用直流汇集方式,然后经高压直流线路送出,可以减少电能变换次数,从而减少设备数量、节约海上平台建造所需人力物力,因此直流海上风电场成为一种研究趋势。因为多机组串联时单机组故障易引发系统崩溃,直流海上风电场外送系统对于风电机组和系统稳定性具有较高要求。阻抗模型已逐步成为广泛采用的稳定性分析方法,作为直流海上风电场的基本组成单位,永磁同步风电机组直流端口阻抗模型尚未建立。基于谐波线性化方法建立永磁同步风电机组机侧模型的直流端口阻抗模型,并对不同转速条件下的阻抗模型进行仿真验证。最后开展机组阻抗特性分析研究,详细分析了转速以及电流环控制特性对机组直流阻抗特性的影响,为后续直流海上风电场外送系统稳定性分析奠定模型基础。     

考虑集电网结构的海上风电场谐振研究

海上风力发电已经成为风电领域的重要发展方向。海上风电场中大量应用海底电缆进行电力传输,其较高的对地电容使得风电场的谐振问题更加突出。风电场集电网结构决定了电缆的长度、电气参数与连接方式,直接影响系统的谐振频率与强度。建立了海上风电场电力传输系统的谐波模型,包括风电机组、电缆与变压器模型等。基于模态分析方法,对不同集电网结构下系统的谐振情况进行了仿真计算,并由各节点参与因子分析谐振的主要来源;采用元件参数灵敏度分析方法,评估了主要结构参数对谐振的影响程度;进而针对不同频段谐振给出滤波措施。仿真结果验证了谐振抑制的有效性。     

基于控制硬件在环的风电机组阻抗测量及影响因素分析

随着局部地区风电渗透率的不断提高,风力发电振荡脱网事故频发,阻抗建模成为分析大规模风电并网振荡问题的一种有效方法。控制硬件在环仿真作为获取风电机组阻抗特性的有效方式,其阻抗测量结果受仿真平台性能参数的影响。研究了基于控制硬件在环实时仿真的风电机组阻抗测量建模方法,定量分析了对于测量精度影响较大的因素。首先介绍了控制硬件在环实时仿真建模方法,搭建了风电机组控制硬件在环实时仿真实验平台,给出了基于控制硬件在环考虑频率耦合的阻抗测量方法;然后建立了考虑仿真步长、接口延时、开关模型等效参数的阻抗测量数学模型,计算分析了控制硬件在环实时仿真模型对阻抗在不同频段幅值与相位精度的影响;最后针对某双馈风电场次/超同步振荡案例,开展了基于控制硬件在环实时仿真的阻抗测量以及基于控制参数修正的阻抗重塑,有效解决了现场振荡问题。验证了控制硬件在环实时仿真为开展风电机组阻抗测量和分析提供一种有效研究与实验手段。     

海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压建模及特性分析

海上风电经交流电缆汇集送出系统送端暂态过电压威胁系统安全稳定运行,为定量分析暂态电压对海上风电机组的影响,指导海上风电无功电压控制系统配置,亟须研究海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态无功电压模型。首先,分析计及交流电缆的送出系统等效网络特性,明确等效网络呈现感性与容性特性的边界条件;然后,基于等效网络容性特性,建立计及交流电缆的海上风电暂态无功电压数学模型,基于控制硬件在环（control hardware in the loop,CHIL）实时仿真实验平台,验证了数学模型的正确性;最后,基于海上风电暂态无功电压模型,定量分析交流电缆线路长度、风电机组网侧变流器电流环控制带宽与阻尼比对机端暂态过电压的影响规律,为定量评估海上风电经交流电缆汇集送出系统暂态过电压运行风险奠定了理论基础。     

风电场经MMC-HVDC送出系统宽频带振荡机理与分析方法

MMC柔性直流输电(modularmulti-levelconverter based HVDC,MMC-HVDC)具备向弱电网/无源系统提供电压和频率支撑的能力,逐渐成为弱电网/海上风电送出的一种新方式。部分风电场经MMC-HVDC送出工程发生宽频带振荡事故,振荡机理及分析方法亟待研究。建立直驱风电机组(permanent magnet synchronous generator,PSMG)/双馈风电机组(double fed induction generator,DFIG)阻抗与控制器参数间的数学模型,分析关键控制参数对风电机组宽频带阻抗特性的影响;建立MMC-HVDC序阻抗解析模型,分析其宽频带阻抗特性;基于最大峰值奈奎斯特稳定判据,分析系统振荡的边界条件,揭示直驱/双馈风电场经MMCHVDC送出系统发生宽频带振荡的机理;基于控制硬件在环仿真平台(control hardware in the loop,CHIL)时域仿真和阻抗扫描频域分析,验证振荡机理与分析方法的准确性。     

某海上风电场谐波谐振实测及仿真分析

海上风电发展迅速,很多海上风电场采用长距离交流海底电缆接入电网,海缆较高的对地电容使风电场谐波谐振问题愈加突出.本文对某海上风电场因5次谐波谐振造成谐波异常及风机偏航系统故障进行实测,就谐振原因开展阻抗频率扫描和谐波潮流分析并提出相应的抑制措施.     

考虑机侧模型的直驱风电机组序阻抗建模及分析

大规模永磁直驱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。目前对直驱风电机组的序阻抗建模将机侧模型(机侧变流器、永磁同步发电机)简化为可控电流源,忽略机侧模型对于机组阻抗特性的影响。该文建立考虑发电机、机侧变流器、直流母线动态过程、直流电压控制回路以及网侧变流器的直驱风电机组序阻抗详细解析模型,描述小信号分量在机组内部的频率特征分布规律;分析了机侧变流器控制特性、直流母线电容容量、直流母线电压控制特性对机组阻抗特性的影响。基于控制硬件在环实时仿真平台,验证解析模型的准确性,开展多个型号直驱风电机组的阻抗扫描与稳定性分析,验证机侧模型对机组阻抗特性的影响。     

基于敏感度分析的海上风电场谐波谐振研究

海上风电场多采用电缆敷设或海底电缆传输,存在较大对地分布电容,而分布电容较易引起风电场谐波谐振问题。同时,风电机组工作状态及风电场参数配置都将影响系统结构及参数,进而影响系统的谐波谐振。基于此,对双馈风力发电机组建立了随风速变化的动态谐波模型。同时还建立了风电场其他主要电气元件的谐波模型,如电缆谐波模型及变压器谐波模型。然后以海上风电场为例,利用频率扫描法对公共耦合点谐振问题进行仿真分析。考虑到风电场中各部分参数对谐振的影响程度不同,利用敏感度分析方法,计算出各参数的敏感度指标,为制定抑制谐波谐振的相应措施提供了依据。     

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。     

基于序阻抗的直驱风电场次同步振荡分析与锁相环参数优化设计

近年来,我国西北地区发生了直驱风电场并入交流电网的次同步振荡现象。为深入研究该问题,文中采用谐波线性化方法建立典型直驱风电机组网侧变流器的正、负序阻抗模型。其次,通过硬件控制在环方法测量直驱风电机组阻抗,利用奈奎斯特判据分析直驱风电机组并入交流电网次同步振荡的产生机理,并且提出一种锁相环控制参数优化设计方法,降低了系统次同步振荡发生的风险。最后,基于RT-lab实时仿真平台建立110台1.5MW直驱风电机组组成的风电场电磁暂态实时仿真模型,仿真结果验证理论分析的正确性。     

基于阻抗测量的风电场谐振特性分析

目前,针对风电机组引起的谐振问题的研究分析方法比较复杂,计算繁琐,通常以含有线路串联补偿的模型为主,不考虑换流器或简化换流器控制作用,与实际系统相比存在较大误差。为计算简便,减小误差,提出一种基于谐波阻抗测量仿真分析的方法,对风电系统模型进行谐振特性分析。该方法简单方便,避免大规模数据的整理和计算,可充分考虑风机换流器的影响,减少简化系统带来的误差。以目前实际装机较多的双馈感应风机为研究对象,以PSCAD/EMTDC为工具,通过电磁暂态仿真,建立典型双馈风电机组接入交流系统的模型以及西北含风电场某实际系统模型。用以上方法进行谐振特性分析,结果表明,双馈感应风电机组在运行过程中有可能表现为容性阻抗,而交流电网呈感性,故整个系统形成RLC谐振回路,易引发谐振。     

海上风电场谐振分析的实用计算方法

海上风电场采用海底电缆并网,电缆的容性效应使得其谐波谐振问题突出,为此提出了一种频模分析法,用以分析海上风电场的谐波谐振问题。首先,通过对海上风电场内部各元件进行谐波建模,建立起海上风电场的等效谐波模型。然后,以江苏某海上风电场为例,采用所提出的计算方法对其内部存在的谐振模式进行了分析,并重点考虑了风电机组容量配比和无功补偿设备安装位置的影响,验证了所提出方法的适用性。对算例的分析证明:所提出的实用计算方法结合了模态分析法和频率扫描法的优点,既能够有效确定谐波谐振影响区域,又能够提高计算效率。     

V/f控制下柔性直流换流器阻抗建模及中高频谐振特性分析

为研究交流侧电压控制,即V/f控制下柔性直流输电系统的中高频谐振问题,考虑正负序交流电压和电流内外环、电压前馈以及系统调制与控制链路延时等环节的作用,采用谐波线性化的方法建立了柔性直流换流器的交流侧正负序等效阻抗模型;分析了交流电压控制方式、电压前馈控制方式、控制系统参数、链路延时大小等因素对V/f控制下柔性直流换流器中高频阻抗特性的影响;通过对控制系统结构和参数进行优化,提出了柔性直流换流器中高频等效阻抗的改善措施,抑制换流器负阻尼。以66 kV交流汇集的海上风电柔性直流送出系统为例,分析了柔性直流换流器对系统中高频谐振特性的影响。最后,分别通过阻抗扫描和电磁暂态仿真验证了等效阻抗模型的正确性和阻抗改善措施的有效性。     

含SVG的双馈风场风速变化条件下高频谐振问题分析

大规模风电并网导致宽频谐振问题日渐凸显,业内多认为电缆电容效应、控制器参数变化等是导致谐振的主要因素,而关于静止无功发生器(static var generator, SVG)、风功率变化与高频谐振内在因果关系研究尚未展开。针对低风速风场系统高频谐振问题,首先基于谐波线性化理论,考虑功率外环作用,建立SVG和双馈风机(doubly-fed induction generator, DFIG)的序阻抗模型。其次将风速变化纳入风机变流器建模,并建立空载电缆投入时风速变化与SVG阻抗的联系。然后利用阻抗交互揭示风机变流器阻抗变化对SVG阻抗特性的影响机理,指出区域内空载电缆投入后,低风速不仅降低系统在高频的鲁棒性,而且扩大了SVG高频负阻尼范围,导致系统高频谐振风险增加。最后,基于STARSIM-HIL搭建含SVG的双馈风场电磁仿真模型,并进行软硬件在环实验。实验结果证明了理论分析的正确性。     

考虑风电机组运行差异化的低电压穿越分散预防控制

针对跟网型双馈风电场配置的传统低电压控制策略在多电压扰动场景下普适性差的问题,该文提出一种考虑机组状态差异化的风电场短期电压分散预防控制策略。首先,分析配置无功控制、Crowbar保护电路的双馈风电场低电压穿越动态特性,获取各风电机组低电压穿越期间电流及阻抗特性;然后,借助考虑风电场内阻抗变化的节点电压法,构建机组注入电流与机端电压间的动态关系,确定各机组低电压穿越期间对场站内节点电压的影响程度;进一步,设计不同电压扰动场景下的风电场电压控制目标,构建适应多种电压跌落深度的风电场预防控制策略;最后,在Simulink及RTLABOP5600实时数字仿真平台中搭建含4台双馈风电机组的风电场和某实际风电场电磁暂态模型,验证所提风电场控制策略有效性。     

基于RT-LAB的直驱风电场振荡仿真分析技术

直驱风电场并入弱交流电网时会出现振荡等不稳定问题,严重时会导致风电机组脱网、火电机组跳闸等事故。以新疆某地区的直驱风电场为研究对象,以阻抗分析法为依据,对直驱风电机组网侧逆变器进行阻抗理论建模,并在MATLAB中搭建风电机组逆变器并网模型,得到并网数字模型的阻抗来验证理论推导阻抗。最后以单机数字模型为基础,以新疆地区某直驱风电场的框架和参数为建模依据,考虑实时仿真的建模规则,在RT_LAB/MATLAB中搭建一个直驱风电场,依据并网点短路比的概念在直驱风电场和交流电网之间串入一定数值的电感模拟弱交流电网,最终复现出振荡,并简单分析了振荡的产生机理,为后续进一步解决直驱风电场振荡问题提供一种新的思路。     

海上风电场经交流电缆送出系统的无功配置与协调控制策略

海上风电具有广阔的发展前景。目前海上风电场普遍采用交流电缆送出方式,因电缆充电无功大,存在注入系统无功多、导致部分母线电压超标等问题。首先分析了海上风电机组的无功功率极限,计算了海上风电经电缆送出系统的无功/电压数值关系;从降低海上风电工程建设造价和充分发挥风电场参与系统无功控制能力的角度设计了综合利用风电机组无功输出能力和电网侧高抗的配置方案,在此基础上提出了海上风电场无功协调控制策略;采用中国江苏省实际电网结构,设计了海上风电场接入系统算例,基于实际风速数据进行了风电场满载、半载及轻载运行工况下的动态仿真验证,结果表明了所提配置方案和控制策略的可行性和正确性。     

海上风电场交流并网谐波谐振放大机理分析与治理

由于相同电压等级下电力电缆的电容效应比架空线路大出20倍以上,使得一般在陆上风电场并网中并不严重的谐波谐振放大问题,在海上风电场并网中可能会变得十分严重,为此研究了海上风电场并网引起的谐波谐振放大问题及其治理原理.首先,对海上风电场并网时的谐波谐振放大机理进行了分析,从原理上给出了治理的技术途径;然后,以某海上风电并网实际工程为研究案例,分别建立了海上风电电网和陆上电网的谐波模型,包括电缆、变压器和风电机组的谐波模型以及超高压大电网的等效谐波模型和低压配电网的等效谐波模型,并根据所建立的谐波模型分析了发生谐波谐振放大的原因,提出了解决谐波谐振放大问题的治理方案并进行了验算;最后,对海上风电场并网引起的谐波谐振放大问题的机理和治理原理进行了总结.