含虚拟惯量的双馈风电机组扭振阻尼特性分析与抑制方法研究

阻尼是影响双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)轴系扭振的核心因素.在并网导则要求风电参与系统调频的背景下,当DFIG采用虚拟惯量控制响应系统频率变化时,其扭振的阻尼特性将更加复杂.采用阻尼转矩方法,首先分析了最大功率跟踪模式下DFIG轴系扭振的阻尼特性,推导了虚拟惯量引入后双馈风机的电磁转矩–转速环传递函数,解释了虚拟惯量控制降低DFIG扭振阻尼的原因.其次,分析了基于带通滤波器和相位补偿环节的扭振阻尼控制器(bandpass-filter and phase-compensation based torsional oscillation damping controller,BPB-TODC)附加于不同控制通道引起的扭振频率偏移问题.针对扭振频率偏移导致阻尼控制器性能下降的问题,在混合通道BPB-TODC基础上,通过对多扭振频率偏移场景下的控制器参数进行寻优,提出了抗扭振频率偏移的优化BPB-TODC.最后,通过仿真验证了上述理论分析的正确性和所提阻尼控制器的有效性.     

双馈风机虚拟惯量控制对传动系统扭振影响

虚拟惯量控制是双馈风电机组参与频率控制,改善电力系统频率响应的有效措施。基于虚拟惯量控制的基本原理,研究了双馈风电机组虚拟惯量控制对传动系统扭振的影响。针对风机传动系统2质块和3质块模型,分析了双馈风电机组虚拟惯量控制引起传动系统扭振的机理,表明了虚拟惯量控制可能激发传动系统弱阻尼扭振模式,从而引起比较明显的扭振。针对上述问题,设计了一种扭振阻尼控制器,该控制器能够有效增加传动系统扭振模式的阻尼,从而抑制虚拟惯量控制所引起的传动系统扭振。仿真算例验证了双馈风电机组虚拟惯量控制对传动系统扭振影响分析结论以及扭振阻尼控制器的有效性。     

调频双馈风电场的混合阻尼控制

本文研究双馈风电场参与电力系统调频对电力系统低频振荡的影响并提出相应的混合阻尼控制以消除潜在的弱阻尼振荡风险。弱电网中,调频风电场易引入新的机电振荡并可能恶化系统原有区域间低频振荡。此外,要求风电场参与电力系统调频时,调频控制易恶化风电机组轴系扭振,进而造成轴系损坏或系统失稳。上述振荡模式的振荡频率比较接近,容易发生有害交互。本文通过在风电场有功及无功控制器中引入混合主动阻尼控制策略,同时有效改善多振荡模式的阻尼。仿真结果验证了提出控制策略的有效性。     

风火捆绑经HVDC送电引起轴系扭振研究

风机轴系考虑为多质块模型时,风电场经高压直流输送电力有可能引起次同步轴系扭振。当风电与附近火电机组捆绑送电时,有助于提高风电系统稳定性。但当系统发生扰动时,风电机组和火电机组均将产生严重的轴系扭振现象。本文首先分析风机轴系扭振产生机理,然后基于整体最小二乘-旋转不变技术估计信号参数(TLS-ESPRIT)辨识出在风机轴系和汽轮机轴系固有扭振模态下的系统传递函数,进而基于射影定理针对每个扭振模态设计阻尼控制器以实现分层控制,最后将阻尼控制器输出信号叠加到直流输电整流侧定电流主控制器上,实现轴系扭振的抑制。建立风电场与火电机组捆绑送电模型并进行仿真,仿真结果表明,设计的分层控制器可有效提高轴系固有扭振模态的阻尼比,可使轴系模块间的扭振迅速衰减,有效提高了电力系统稳定性,控制器阶数较低,便于实际工程实现,且具有较高的鲁棒性。     

一种基于储能技术的风电场虚拟惯量补偿策略

变速恒频风电机组转子动能被变频器与电网"隔离",使得其对电网贡献的惯量几乎为零。随着风电渗透率不断提高,电网的频率稳定性问题也随之加大。因此各国风电并网导则均明确要求风电场需具有参与系统频率调整的能力。由于风电场内部机组数量庞大,机组间运行工况不一致,风电场层面的控制仍具有很大难度。为此文中定义风电–储能系统的虚拟惯量,研究储能装置协助风电场进行惯量补偿的容量要求,并基于模糊逻辑控制提出一种利用储能装置补偿风电场惯量的控制策略。仿真研究表明:所提虚拟惯量补偿策略能够有效补偿风电场虚拟惯量、协调风电–储能系统和常规电网之间的能量交换,使风电场迅速响应系统的频率变化,从而有效地提高大规模风电场接入系统的频率稳定性。     

海上风电场经VSC-HVDC并网的次同步振荡与抑制

基于电压源换流器的柔性直流(VSC-HVDC)输电技术已经成为远距离海上风电场接入系统的理想解决方案,由于海上风电机组采用大型风力涡轮机,导致轴系各质块的弹性系数相比传统内陆风电机组有所增大,当海上风电场经VSC-HVDC并网时,将引发两种次同步振荡:风电机组轴系扭振、风电机组与VSC-HVDC换流器控制装置之间相互作用引发的次同步振荡。针对此问题,文中建立海上双馈风电场经VSC-HVDC并网的小信号模型,利用参与因子辨识出轴系扭振和装置间相互作用两种振荡模式以及与之相对应的强相关状态变量;在此基础上,通过特征值分析法绘制根轨迹曲线,进一步分析强相关状态变量参数变化对系统电气阻尼特性的影响;基于信号测试法提出了一种附加阻尼控制的双馈风电机组附加励磁阻尼控制器与柔性直流输电系统次同步阻尼控制器协同抑制措施,并通过DIgSILENT/PowerFactory仿真验证了协同抑制方法的有效性。     

含传输线功率信号的双馈风电场附加阻尼控制策略

从抑制电力系统区域间低频振荡以及减少风电机组传动链轴系扭振方面,提出双馈风电场附加阻尼控制策略。首先,建立了考虑传动链柔性的风电机组暂态模型及控制策略。其次,提出了考虑电力系统传输线功率信号的双馈风电机组无功功率环的附加阻尼控制策略。最后,以双馈风电场接入IEEE两区域四机系统为例,针对电网传输线三相短路故障和区域内同步发电机有功功率小扰动2种情况,分别对不同阻尼信号增益下的有功功率环和无功功率环附加阻尼控制策略的系统动态性能进行仿真。比较结果表明,与无附加阻尼控制相比,基于有功功率环或无功功率环的附加阻尼控制能够更好地抑制传输线功率振荡,且无功功率环附加阻尼控制不会导致风电机组传动链轴系扭矩振荡幅值增加。     

计及频率响应安全性的双馈风电机组轴系阻尼控制策略研究

由于大规模风电场集中接入电网导致系统频率调节能力下降，风电机组参与系统频率响应的控制策略受到广泛关注。然而，现有研究中缺少频率响应控制对风电机组传动链轴系扭振影响的研究，无法保证频率响应过程中风电机组的安全。为此，提出了一种在频率响应过程中对轴系扭振进行抑制的策略。利用状态观测器对传动链扭转角速度进行估计，通过附加转矩的方式实现频率响应过程中的动态阻尼控制。通过仿真分析和样机实测的方式对本策略与已有的无阻尼控制策略进行了对比，验证了本策略的有效性。     

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。     

虚拟惯量控制方式下永磁风力发电机组轴系扭振机理分析

基于风电并网系统的状态空间平均模型,分析传统比例微分(PD)虚拟惯量控制方式下兆瓦级直驱永磁风力发电机组(D-PMSG)的轴系扭振机理及其影响因素,提出一种改进型PD虚拟惯量控制方法,以抑制D-PMSG轴系低频扭振。分析表明,传统PD虚拟惯量控制的引入,会降低DPMSG轴系的阻尼比,影响机组的稳定运行;降低PD虚拟惯量控制的微分系数的模值可以提高风电机组轴系的阻尼比,却会降低风电机组的频率响应能力。所提出的改进型PD虚拟惯量控制方法,通过引入永磁发电机组转速补偿项,从而提高系统阻尼比。该方法能在保证风电机组的频率响应能力的同时,有效抑制虚拟惯量控制引起的轴系低频扭振,提高系统的稳定性。仿真实验验证了理论分析和改进型PD虚拟惯量控制方法的有效性。     

含双馈风电场的互联电力系统虚拟惯量与虚拟阻尼协调控制方法

风电场的大规模接入会同时降低互联电力系统的相对惯性和阻尼,虚拟同步发电机(VSG)技术能够有效支撑电网频率,目前对VSG技术虚拟阻尼方面的研究成果较少。为了更有效地利用VSG虚拟阻尼,进一步提升高风电渗透率电力系统的稳定性,推导了VSG控制器参数与虚拟惯量、虚拟阻尼之间的数学关系,针对VSG虚拟惯量与虚拟阻尼调节存在的矛盾,提出一种结合系统主导振荡模式在线辨识和粒子群优化算法的VSG控制器参数协调控制策略。最后通过含双馈风电场的两区域互联电力系统仿真模型验证了所提控制策略的有效性,仿真结果表明所提控制策略可实现系统频率稳定性和功率稳定性的综合优化。     

风剪切和塔影效应作用下直驱式风电并网系统虚拟惯量控制

风剪切和塔影效应使直驱式风电机组成为强迫功率振荡扰动源,虚拟惯量控制可使风电机组同时具备向系统提供惯量支持和抑制扰动的能力。通过分析虚拟惯量控制中比例-微分环节对系统阻尼、风机轴系扭振和扰动源的影响,提出了虚拟惯量控制的改进方案。在VIC补偿量中引入风机输出功率给定量和二阶带通滤波器,实现了比例、微分系数的等效等比增大。算例分析和仿真结果表明,改进方案在不减少系统阻尼和不降低轴系稳定性的前提下,提高了虚拟惯量控制对强迫功率振荡扰动抑制的能力。     

含风电的区域电网功率振荡特性分析与综合控制

风电场的有功功率调节应兼顾频率和阻尼控制功能,使其具有完备的支持能力,增强系统的动态稳定性。本文通过分析风电频率控制中微分环节和比例环节对区域电网间功率振荡的影响,提出风电机组频率控制策略的改进方案。利用一阶惯性-微分环节,使风电场频率控制始终表现为正阻尼特性,避免风电的有功调节引起系统低频振荡。最后,通过理论和仿真分析,验证了系统发生扰动后在所提综合控制策略下,风电机组不仅具备频率调整能力,并可有效改善系统的阻尼特性。     

基于自适应惯量阻尼综合控制算法的虚拟同步发电机控制策略

在逆变控制领域,虚拟同步发电机(VSG)控制策略可解决分布式能源并网系统缺少惯性的问题来有效支撑电网频率,然而现有VSG控制手段往往忽略了阻尼的作用。为进一步提升VSG对频率稳定性的贡献,在传统VSG控制策略的基础上,结合力学原理证实了VSG虚拟惯量可进行实时变化的可行性,分析了同步发电机转子惯量和阻尼系数与系统频率稳定性的关系,并设计了一种自适应惯量阻尼综合控制(SA-RIDC)算法,实现了虚拟转动惯量与虚拟阻尼的交错控制。通过MATLAB/Simulink仿真工具,将所提出的SA-RIDC算法与传统固定惯量阻尼控制和自适应惯量控制进行对比,结果表明SA-RIDC算法在改善系统频率稳定性方面有着显著的效果。     

基于风机调频特性的储能配置方法及协调运行策略

针对大规模风电机组(wind turbine,WT)接入电网,导致电网惯量响应能力和调频备用容量不足,进而造成电网频率稳定性下降的问题,文章提出一种风储系统与等容量同步发电机等惯量响应能力的储能(energy storage,ES)配置方法。方法旨在实现WT取代同步发电机接入电网前后,电网惯量响应能力和调频能力不变。并在此基础上,根据WT在不同风速下,具有不同的调频能力这一特性,文章进一步提出了风储协调控制策略,该策略既能在低风速下提供惯量响应支持,又能在中风速下辅助WT转速恢复,避免频率二次跌落。仿真结果表明,仅配置风电场额定功率5%的容量,既可补偿电网惯量响应能力,又能满足WT转速恢复所需功率,大大提升了电网频率运行稳定性。     

提升海上风电经柔直联网系统频率稳定性的协调控制策略

针对大规模海上风电经柔直联网引起的受端电网惯量降低、频率调节能力下降等问题,提出了海上风电与柔直主动支撑系统频率的协调控制策略。在惯量支撑方面,利用直流电容能量主动支撑系统惯量,并通过直流电压建立风机转速与频率的耦合关系,提出了基于差异化转子动能调节的风电场惯量支撑协调控制策略,以提升受端电网惯量水平。在频率偏差调节方面,根据本地直流电压偏差量,提出了基于风机变速控制与桨距角控制的风电场一次调频策略,并设计了基于附加桨距角控制的风电场二次调频策略,以提高系统的频率稳定性。最后,设计了多时间尺度频率支撑控制策略的协调配合流程,并基于RT-LAB OP5600实时数字仿真平台验证了所提策略可有效提升系统的频率支撑能力。     

风电场一次调频分层协调控制研究与应用

大规模并网风电场参与一次调频是电网为保证自身安全做出的必然选择,有功响应的快速性和稳定性是风电场需要解决的关键问题。提出一种基于分层架构的风电场参与电网一次调频的控制策略。在风电机组控制层,提出了一种改进的带惯量补偿的有功控制策略,提高一次调频的响应速度。在风电场控制层通过改进的惯量响应协调控制和功率备用控制策略,避免电网频率出现波动,并满足不同风况下备用功率的要求。基于Matlab/Simulink建立了含风电场的电力系统仿真模型,仿真结果表明风电场具备全工况条件下参与电网一次频率调整的能力。最后在某49.5 MW风电场现场验证了所提控制策略的有效性。     

基于虚拟惯量的风电场黑启动频率协同控制策略

在传统黑启动电源匮乏的电网中,采用风电场作为黑启动电源是一种有益的尝试。风电场采用虚拟惯量控制方式可避免风电机组转速与频率解耦导致的频率支撑能力不足问题,从而有效提升风电场作为黑启动电源过程中的系统频率稳定性。通过对风电场黑启动场景下传统虚拟惯量策略的适应性分析,文中提出了一种新的频率协同控制策略。首先,针对实际工程背景提出了一种以柴油发电机作为配套小容量支撑电源的风电场黑启动方法,并分析了风电场黑启动的关键问题及其过程。其次,通过附加功率外环控制和跟踪曲线切换控制在不同启动阶段的柔性切换,且辅以桨距角参与调节的频率响应策略,提出了一种基于虚拟惯量的频率协同控制策略。最后,通过PSCAD仿真验证了所提策略的合理性和先进性。     

基于转子动能的直驱式风电系统RoCoF下垂控制策略

大规模风电并网会引起系统的等效惯量阻尼下降,降低系统频率的稳定性。微电网系统以电力电子设备为主导,在受到外界扰动时,更易出现电网频率偏差和频率变化率（RoCoF）过大的问题。在分析直驱永磁同步发电机（D-PMSG）并网系统动态响应基础上,将其与低惯量微电网相连接,提出了一种基于有源低通滤波器（LPF）的RoCoF下垂控制策略,该策略在风机侧引入电网的RoCoF,在频率跌落RoCoF突变的瞬间释放转子能量,补偿系统不平衡功率。在Matlab/Simulink中建立仿真模型,验证控制策略的有效性及经济性。 结果表明,增加下垂系数Kd和降低截止频率ωc,可使系统惯量越高,系统对RoCoF的抑制效果越好。     

基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术

基于电力电子换流器并网的变速恒频风力发电机组对电力系统的惯性几乎没有贡献,这将成为风电场大规模接入电网之后面临的新问题。在分析双馈风电机组运行特性和控制策略的基础上,研究双馈机组的虚拟转动惯量与转速调节及电网频率变化的关系,提出双馈风电机组的虚拟惯性控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化来调节最大功率跟踪曲线,从而释放双馈机组"隐藏"的动能,对电网提供动态频率支持。通过对含20%风电装机容量的3机系统的仿真分析,验证该控制策略在系统出现功率不平衡后,能够利用双馈风电机组的虚拟惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力,从而提高了基于双馈风电机组的大规模风电场接入电网后的电力系统频率稳定性。