双馈风电机组虚拟惯量控制对电力系统机电振荡的影响分析

虚拟惯量控制能使双馈风电机组为电网提供类似同步发电机的调频特性而得到广泛关注,但同时这种有功—频率外特性将不可避免地使双馈风电机组参与到同步发电机的机电振荡模式中,导致系统动态变得更为复杂。为了揭示双馈风电机组中虚拟惯量控制对电力系统机电振荡模式的影响规律,文中建立了基于虚拟惯量控制的双馈风电机组并网系统小信号模型,采用模态分析法分析了虚拟惯量控制相关控制回路(即虚拟惯量模拟环、锁相环和有功控制环)对同步发电机间机电振荡模式的影响规律。基于改进四机两区域系统的研究表明,增大下垂系数和适当增大滤波时间常数能改善系统阻尼,锁相环带宽和功率外环带宽过小将使双馈风电机组有功控制延迟,从而无法提供正向的阻尼转矩,导致系统阻尼减小。     

风火打捆直流送出系统次同步振荡及传播特性研究

风火打捆直流送出系统由于电力电子设备与交流电网的交互影响,可能引发系统次同步电气振荡,甚至火电机组轴系扭振。为深入研究这一现象,首先分析了风火打捆直流送出系统次同步振荡的原理。然后基于某实际区域电网参数,在PSCAD软件中建立了含火电、风电、直流的500 kV、220 kV电网模型,激发出特定条件下因风电场次同步电流谐波引发的火电机组轴系扭振现象。分析了风电场次同步谐波引发火电机组扭振的必要条件,同时仿真分析了线路谐波阻抗、电流振荡频率和方式检修等对次同步谐波传播路径的影响。     

含虚拟惯量的双馈风电机组动态能量模型及振荡稳定性研究

针对含虚拟惯量的双馈风电并网系统振荡稳定问题,从动态能量的角度揭示了虚拟惯量对双馈风电机组(doubly fed induction generator,DFIG)参与系统振荡的作用机理。首先,构建了不同振荡模态下含虚拟惯量双馈风电机组的动态能量模型,并探究了虚拟惯量直接和间接通过锁相环影响机网耦合的能量通道。在此基础上,定义了耗散强度指标,表征双馈风电机组对各振荡模态的耗散作用,并分析了不同接入位置、不同控制参数、不同振荡模态下虚拟惯量通过各能量通道对双馈风电机组耗散强度以及机网耦合作用的影响,揭示了含虚拟惯量风电机组与网侧能量交互诱使系统振荡发散的作用机理。最后,以IEEE四机两区系统进行实时数字仿真(Real Time Digital Simulator,RTDS)仿真验证,结果表明:当锁相环(phase-locked-loop,PLL)自激振荡模态与网侧机电振荡模态频率相距较远时,含虚拟惯量风机接入送端区域产生负耗散作用,接入受端区域产生正耗散作用。当PLL自激振荡模态与网侧机电振荡模态频率接近时,受模态强耦合共振影响,风机通过锁相环自耦合能量通道和虚拟惯量能量通道与电网强交互...     

风火打捆经直流送出的次同步振荡分析与抑制措施

传统火电机组与直流输电控制器相互作用会产生次同步振荡,大规模双馈风电机组接入对这种振荡产生的影响有待深入研究。本文建立了风火打捆经直流送出的典型模型,并对风火打捆经直流送出系统次同步振荡机理进行了分析,结果表明双馈风机接入能够缓解直流输电引起的火电机组次同步振荡,且风火打捆比例越高效果越好。分析了风机变频器特性与系统运行工况对火电机组次同步振荡的影响,结果表明,风机转子侧变频器内环增益系数增大、内环积分时间常数减小、直流输送功率上升、送端交流系统减弱、直流输电整流侧控制器积分时间常数减小、换流器触发角增大,会引起火电机组振荡加剧。对工程应用较多的直流附加宽带通式次同步阻尼控制器(SSDC)在风火打捆经直流送出系统中的适用性进行分析与验证,结果表明,宽带通式SSDC仍具有抑制效果。     

直驱风机对火电机组次同步振荡的影响及抑制方法

风火打捆系统中,风电机组的并网使得火电机组的次同步振荡情况变得更为复杂。基于IEEE第一标准模型搭建了风火打捆经串补外送系统,推导了直驱风机输出功率与火电机组次同步阻尼的关系,分析了其对火电机组次同步振荡的影响机理,并通过PSCAD平台结合复转矩系数法和时域仿真分析进行验证。基于此机理,提出了一种在直驱风机的网侧变流器控制系统无功外环处附加阻尼控制的抑制方法,并对其关键参数的优化设计方法进行了分析,时域仿真结果表明所提出的附加阻尼控制可以有效抑制火电机组的次同步振荡。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对系统小干扰稳定性的影响

含虚拟惯量控制的双馈风电机组与电力系统的动力学特性存在耦合关系,而锁相环的跟踪能力将直接影响虚拟惯量的控制输入量,因此,考虑虚拟惯量控制的双馈风电机组在锁相环作用下,对系统小干扰稳定性的影响成为亟需解决的问题。首先,计及双馈风电机组的转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器、风电机组机械部分等暂态特性,建立了考虑锁相环与虚拟惯量控制的双馈风电机组并网的互联系统小干扰模型。在此基础上,考虑到锁相环与虚拟惯量控制均会影响同步发电机振荡模态,采用解析的方法从机理上揭示了二者共同作用下系统的小干扰稳定性,即对于含虚拟惯量控制的双馈风电机组,锁相环主要通过影响虚拟惯量对系统的参与程度进而影响系统阻尼:锁相环比例—积分(PI)参数越小,虚拟惯量控制状态变量对区间振荡模态的参与因子越小,机电振荡模态阻尼比越大,这与不含虚拟惯量控制的双馈风电机组中锁相环对系统阻尼特性的影响相反。仿真结果验证了所建模型的合理性与分析结果的正确性。     

不同输电方式下风电接入对传统火电次/超同步振荡影响研究

随着风电等新能源并网容量的增加,电网中风电的大规模接入为系统的稳定性带来了新的挑战。当风电机组接入火电系统时,风电机组与传统火电因交互影响产生的次同步振荡的机理尚未明确,因此值得进一步来探讨。文中采用特征值分析法建立了风火混合经交流串补及柔性直流输电并网外送系统的状态空间模型,并通过对比分析研究了风机的接入对传统火电固有振荡模式的影响,进一步地,通过改变并网距离等参数来分析系统结构参数对风机与火电交互作用引发的次/超同步振荡模式的影响;在此基础上,揭示了交流输电与直流输电两种不同输电方式下风电接入对传统火电次/超同步振荡的影响机理与因素;并利用PSCAD/EMTDC平台进行时域仿真证实了所建立系统的正确性。     

考虑PLL和接入电网强度影响的双馈风机小干扰稳定性分析与控制

国内外风电事故表明:风电经远距离线路外送时,系统容易在发生扰动的过程中出现频率为几到几十Hz的功率振荡现象,且其振荡原因难以用传统同步发电机小扰动振荡的机理完全解释。考虑到风电机组主要通过锁相环与电网之间实现功率耦合,从而锁相环动态特性将会影响系统小干扰稳定水平。该文首先建立了含有锁相环动态特性的双馈风电机组–无穷大系统的动态模型;采用特征值分析研究了风机不同运行状态下其接入电网强度变化对风电系统中各个振荡模式的影响规律;然后通过复转矩分析理论解释了风电系统的失稳机理,研究结果表明:锁相环振荡是导致风电系统并入弱电网系统发生小扰动失稳的主要原因。最后,提出一种基于相位补偿的风电机组阻尼控制器来抑制该振荡现象,仿真验证了其有效性。     

虚拟同步双馈风电机组的非线性联轴功率振荡抑制方法EI北大核心CSCD

虚拟同步机须面对复杂的振荡类型,具备宽频带抑振性能会使其更适于融入新型电力系统。该文首先分析传统虚拟同步控制时变速风电机组与同步发电机组间的线性轴系刚度耦合关系。其次,利用机组间的非线性功率耦合,引入轴系立方刚度,建立双馈风电并网系统的虚拟同步非线性联轴运动模型。结合最优带宽理论,分析风电并网系统处于线性和非线性联轴耦合时的功率振荡抑制带宽特性,提出双馈风电机组的非线性虚拟联轴控制方法,并完成控制器参数设计。最后,搭建风电高比例电网仿真系统,验证所提控制策略可有效拓展风机抑振带宽,避免谐振风险,提升其抑制功率振荡和频率变化的并网主动支撑性能。     

风电场引发火电机组次同步振荡的机理及影响因素研究

风能资源的大规模开发利用是实现能源转型升级的必然途径。然而,大规模风电场并网稳定性问题逐渐凸显,实际系统中出现了风电场引发火电机组次同步振荡现象。建立了风火联合外送系统模型,应用谐波响应法和复转矩系数法分析了风电场引发火电机组次同步振荡的机理。在此基础上,分析了火电机组轴系扭振特性、风电场容量、风速、风机转子侧变频器内环增益系数以及风电场至火电机组的电气距离对次同步振荡的影响。结果表明,轴系扭振模态可观测度越高、风电场容量越大、风机风速越高、风机转子侧变频器内环增益系数越大以及风电场与火电机组的电气距离越远,火电机组次同步振荡越剧烈。通过IEEE第一基准模型和IEEE39节点系统的时域仿真验证了上述结论的有效性。     

电压源变换器接入电网的小扰动稳定机理分析

研究了基于矢量控制的电压源变换器(VSC)接入电网的小扰动稳定问题。基于VSC接入无穷大系统的详细模型,针对不同控制模式,分别对平衡点的存在性、稳定性进行了分析,系统地总结了VSC小扰动失稳的不同机理。系统中发生鞍结点分岔会导致平衡点消失而失稳,且存在以下几种机理：输出电流过大会导致锁相环(PLL)失去平衡点,对应PLL失去同步,单独的PLL失去同步可能发生在切除外环控制、采用内环定电流控制的情况下;输出有功过大会导致功率外环失去平衡点,当无功外环采用定无功功率、定交流电压控制时,分别对应电网的静态电压、功角失稳,而且失稳后电流增大一般也会引发PLL失去同步。在平衡点存在的情况下,系统振荡模式中包含低频振荡模式和次同步振荡模式,系统也可能发生Hopf分岔而出现振荡失稳。低频振荡模式主要由外环控制主导,次同步振荡模式则由PLL、电流环和线路动态主导。平衡点的存在性不受VSC控制参数的影响,只受网络参数、VSC工况的影响,而平衡点的稳定性和VSC控制参数有关。     

风火打捆外送系统次同步振荡的改进自抗扰直流附加阻尼控制

针对送端电网大规模风电接入可能加剧火电机组次同步振荡的问题,提出一种基于改进遗传算法的自抗扰附加阻尼控制方法。利用基于总体最小二乘法-旋转不变技术的信号参数估计(TLS-ESPRIT)算法对系统进行次同步振荡特性辨识,根据主模比指标选择合适的控制反馈信号,得到系统在次同步频段内各振荡模式对应的低阶传递函数;结合时间乘绝对误差积分准则(ITAE)指标与极大极小值原理确定被控系统控制目标,并利用改进遗传算法寻优确定多通道自抗扰控制器参数。在PSCAD上搭建含大规模风电的测试系统模型,仿真结果表明基于改进自抗扰控制的附加次同步阻尼控制器在送端电网多种运行方式和不同故障情况下都能有效抑制汽轮发电机组的次同步振荡,鲁棒性较强,同时低阶自抗扰控制器也具有令人满意的控制效果。     

直驱风电机组与弱电网交互作用稳定分析

网侧变流器作为新能源发电单元与电网的接口,对电网系统的安全稳定运行有着重要影响。以直驱型风电机组网侧变流器为研究对象,采用小扰动数学建模方法,建立了包含锁相环和电压前馈环节的网侧变流器及其控制的数学模型,推导了其dq轴系下动态阻抗解析表达式,发现其阻抗在次同步频带呈负电阻（负实部）特性,与弱交流电网连接存在次同步频带不稳定现象。基于上述现象分析了影响稳定的关键控制参数及其特性,结果表明,增强网架强度、优化锁相环控制参数、增大电压前馈滤波频率可在一定程度上降低系统次同步振荡的风险,最后采用电磁暂态仿真验证了上述分析。     

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。     

风火打捆系统次同步模式相互作用特性

风电和与其打捆的火电机组的模式相互作用存在诱发次同步振荡的风险。研究了风火打捆系统的模式准强相互作用的规律：随着参数的改变,直驱风机(permanent magnetic synchronous generator, PMSG)锁相环(phase-locked loop, PLL)模式靠近火电轴系模式并发生模式准强相互作用,两个模式的运动方向发生改变,其中的弱阻尼模式穿越虚轴快速变为负阻尼模式,引发次同步振荡,模式相互远离后系统振荡消失。研究表明,火电厂汽轮发电机轴系模式和PLL模式都可能穿越虚轴导致次同步振荡,而系统主要振荡的部分由负阻尼的模式决定。增强发生耦合的模式的阻尼有利于抑制相互作用,增大并网风机数量与线路阻抗都会加剧系统次同步振荡风险和振荡程度。最后基于PSCAD/EMTDC搭建风火打捆系统模型验证了理论分析的正确性,并提出应对措施避免振荡的发生。     

DFIG Oscillation Modes Causing Strong Dynamic Interactions to Degrade the Damping of Power System Low-Frequency Electromechanical Oscillations

Open-loop modal coupling is the closeness of an open-loop oscillation mode of a grid-connected DFIG to an open-loop electromechanical oscillation mode of a power system on the complex plane. When the open-loop modal coupling occurs, the dynamic interactions between the DFIG and the power system become strong and may degrade the damping of the low-frequency electromechanical oscillations (LEPOs) of the power system. In this article, analysis is carried out to explain why the open-loop modal coupling may cause the damping degradation of the LEPOs. By deriving the simplified open-loop transfer function matrices of the DFIG, existence of open-loop DFIG oscillation modes to cause the open-loop modal coupling is analytically examined. Conclusions of analytical examination are: (1) If the rotor speed is used as the input signal to the active power control outer loop of the rotor side converter (RSC) or the generic type 3 model is adopted by the reactive power control outer loop of the RSC, the DFIG may have an open-loop oscillation mode to cause the open-loop modal coupling; (2) The PLL may also contribute to an open-loop oscillation mode of the DFIG. Study cases are presented to demonstrate and evaluate the analysis and conclusions.     

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。     

特高压近区风电汇集地区次同步振荡特征及防控措施

特高压近区的新能源汇集区域中,广泛使用的电力电子设备容易产生大量次同步谐波,引发电力系统次同步振荡现象。以新疆哈密±800 kV特高压近区的风电集中接入地区次同步案例为切入点,开展振荡特征和振荡关联因素分析,提出次同步振荡监测、控制、抑制3项措施。经实际应用表明,监测及控制系统可有效监控振荡发生,并抑制直流近区风电汇集区域的次同步振荡发生,提高电网的运行可靠性。