直流电压动态时间尺度下大规模直驱风电场振荡稳定性及参数稳定域分析

针对永磁直驱风机(direct drive permanent magnet synchronousgenerator,PMSG)构成的大规模风电场在直流电压时间尺度下可能出现的小干扰振荡失稳问题,构建考虑永磁风机网侧换流器直流电压外环控制及锁相环控制的动态等值降阶传递函数框图模型,讨论了风机有功出力、控制参数的差异性对单机等值模型建立的影响,并基于劳斯–赫尔维茨判据分别分析了场内风机参数基本一致、参数相差较大时风电场的振荡稳定特性及参数取值稳定域,从机理角度解释了直驱风机直流电压控制外环参数、锁相环参数、风机输出功率及风电场外送线路电抗之间的相互制约关系。最后,通过一个包含60台PMSG的并网风电场算例验证该文理论推导的正确性,并基于参数稳定域讨论了直流电压时间尺度下风电场运行参数及风机控制参数对并网风电场振荡稳定性的影响。     

永磁式直驱机组风电场对电力系统暂态稳定性的影响

研究了采用直驱风机的大规模风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。从理论上分析了直驱风机的变流器对风机特性影响的机理;基于直驱风机风场的数学模型,计算了故障后以故障临界切除时间表征的系统暂态稳定性;通过仿真计算,揭示了直驱风机和同步机对电网稳定性的影响,验证了理论分析结果。得出结论为直驱机组风电场的接入可能增强也可能削弱所接入系统的稳定性,主要取决于输出功率,但影响程度比同步机小。     

计及风电附加频率控制作用的电力系统暂态稳定性分析

含附加频率控制的风电机组可响应电力系统的动态行为,同时也对系统的动态特性存在影响。首先基于惯性中心等效理论(center of inertia,COI),分析了大规模含附加频率控制系统双馈风电机组接入电网后,系统暂态特性的变化,并推导了惯性中心同步机转子运动方程;其次基于双馈风电机组自身运行特性,分析了其运行极限与运行模式对响应系统动态行为能力的影响;将上述分析结合得出含附加频率控制系统双馈风机对系统暂态稳定性影响的关键因素。最后在电力系统综合程序PSASP中,搭建接入双馈风机的IEEE-3机9节点电力系统模型,验证上述结论的正确性。     

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...     

虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的低频振荡特性分析

虚拟同步直驱风电场经功率同步环与模块化多电平换流器柔性直流(MMC-HVDC)输电互联,将存在低频振荡风险。考虑MMC-HVDC和直驱风机网侧换流器以及转子侧换流器内部的动态过程,首先建立虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的小信号模型,并通过精细化电磁暂态仿真验证其准确性。随后,利用根轨迹方法,分析风电功率波动和交流系统强度变化对互联系统稳定性的影响,设计功率变化时虚拟同步直驱风电场的参数整定方法。结果表明,由于功率外环和MMC-HVDC送端整流站电压环作用,在风电场输出功率增大和交流系统强度降低的过程中,互联系统存在低频振荡现象。通过合理调整锁相环、虚拟同步机(VSG)有功环和MMC-HVDC送端整流站电压环的控制器参数、改变VSG阻尼项形式,可以抑制振荡并实现稳定运行。     

大规模风电并网的频率响应特性分析

针对大量风电机组并入电网对电力系统频率稳定性的影响问题,阐述了风力发电机的类型,分析比较了传统同步机、恒速风机、双馈风机和永磁直驱风机的动态频率响应特性,通过电力系统仿真软件DSA在IEEE-39建立了不同类型风电场的动态模型。仿真结果表明,恒速风机能够对系统提供部分惯性响应,有利于系统频率稳定,而双馈风机和永磁直驱风机采用了解耦控制,不能对系统提供惯性响应,不利于系统频率稳定。     

弱连接条件下锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性研究

该文对弱连接条件下锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性展开研究。为此,首先建立了由N台直驱风机所构成并网风电场的全阶线性化状态空间模型。为分析交流电网强度对风电场小干扰稳定性的影响,不考虑直驱风机动态特性的差异,基于对风电场状态空间矩阵的相似变换,将风电场全阶模型等效为N个由一台直驱风机并网构成、且相互独立的子系统。然后,仅保留锁相环和线路电流动态,建立等效子系统二阶特征方程,得到系统小干扰稳定的条件。基于此稳定条件,分析了弱连接条件下,锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰临界稳定条件以及失稳的成因与机理。结果表明,交流电网强度减弱、风电场网络结构改变以及锁相环积分控制系数K_i增大,均可导致锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性降低。最后,通过仿真算例,验证了所提方法的有效性和所得结论的正确性。     

考虑锁相环动态的直驱风电机组虚拟惯性控制对电力系统小干扰稳定性影响

通过考虑锁相环(phase-locked loop,PLL)动态特性,研究了直驱风电机组附加虚拟惯性控制对电力系统小干扰稳定性的影响。构建了闭环互联系统模型,两个子系统分别为含PLL、虚拟惯性控制动态部分以及系统其余部分。基于该模型分析了风机和系统在不同交互程度下虚拟惯性控制对系统稳定性的影响机理,当开环PLL模式和机电模式位置接近时可能引发模式谐振,风机和系统间交互作用较强,且附加虚拟惯性控制将进一步加强这种交互作用,并对系统稳定性产生较大影响。在模式谐振条件下可对子系统模型进行降阶简化,应用根轨迹方法由开环模式分布位置关系、虚拟惯性控制增益、极点出射角因素分析考虑PLL动态后虚拟惯性控制对系统稳定性的影响。最后,通过仿真算例验证了所提方法和分析结论的有效性。     

适用于次同步振荡分析的直驱式风电场等值方法

为解决大规模直驱式风电场阻抗建模困难和数值仿真节点限制的问题,基于阻抗分析法的核心原理,以等值前、后直驱式风电场外阻抗特性相一致为目标,提出了适用于次同步振荡分析的直驱式风电场等值方法。该方法包括基于阻抗灵敏度分析的分群聚合和基于遗传算法的等值降阶2个步骤。分别以风电场含相同型号直驱风机和不同型号直驱风机为例,对等值前、后的直驱式风电场外阻抗特性进行对比分析。结果表明,所提方法能够实现大规模直驱式风电场模型的等值降阶,等值前、后的直驱式风电场外阻抗特性较为接近,其等值误差能够被量化。     

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。     

适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略

大规模的风电机组并网使电力系统面临惯量减小与调频能力不足的问题,而风机的虚拟惯量控制是解决这一问题的重要手段。当前,永磁直驱风电机组的虚拟惯量控制主要通过将电网频率引入其功率控制或转矩控制中,来实现风机对电网的功率支撑,风电机组仍采用锁相环实现与电网的同步。但在弱电网下,锁相环的动态性能将恶化,甚至会导致风机的失稳。为此,提出一种适应于弱电网的永磁直驱风电机组虚拟惯量协调控制策略,该控制策略可利用直流电容动态实现直驱风电机组网侧逆变器的并网自同步,从而使直驱风电机组无需经过锁相环并网并且能适应于弱电网运行。此外,该控制策略可利用存储于风机的旋转动能为电网提供虚拟惯量。详细讨论了相应的并网自同步机理及惯量模拟机理,并基于MATLAB/Simulink仿真验证了该协调控制策略的有效性。     

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。     

永磁直驱风电系统网侧换流器混合控制策略研究

针对永磁直驱风电系统网侧换流器模型存在非线性和强耦合的特点,提出了一种非光滑控制和反推控制相结合的混合控制策略。在dq两相同步旋转坐标系下建立网侧换流器非线性数学模型,采用非光滑控制理论和反推控制方法分别设计了外环直流电压控制策略和内环电流控制策略。在外环控制方面,通过结合非光滑理论的有限时间控制方法和扩张状态观测器(extended state observer,ESO)对于系统扰动的估计作用,设计了直流电压控制器。在内环控制方面,采用附加扰动补偿的反推控制方法进行设计,利用扩张状态观测器对外部扰动造成的系统内环不确定因素进行估计,将估计量引入到反推迭代控制律的设计中进行补偿,通过选择合适的Lyapunov函数,推导出内环电流反推控制律,使内环系统满足Lyapunov渐近稳定条件。仿真结果表明,与常规的PI线性控制策略相比,所提混合控制策略能够有效提高永磁直驱风电系统在电网扰动时的并网动态特性。     

用于电磁暂态仿真分析的永磁同步发电机风电场模型聚合方法

给出了一种用于大规模永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)风电场电磁暂态仿真分析的聚合模型的建模方法。建立了含PMSG的风电场简化电磁暂态仿真模型,对简化模型及其对应的全仿真模型的仿真结果进行了对比验证。分析了在不同电网故障情况下PMSG风力发电机组的响应特性。在此基础上,建立了2种风电场仿真模型:包含40台5 MW风力发电机组模型的风电场全仿真模型及其200 MW等效聚合模型。讨论了风电场聚合模型的聚合原则,给出了200 MW风电场模型的聚合过程。通过对2种模型在风电场故障过程中特性的对比研究,分析了风电场内部升压变压器和集电线路对聚合模型的影响,验证了该聚合模型的正确性和有效性。     

Modeling,control and stability analysis of grid connected PMSG based wind turbine assisted with diode rectifier and boost converter

Permanent magnet synchronous generator (PMSG) based wind turbines (WTs) are widely used as grid connected energy sources. Usually, a PMSG based wind energy system is connected to the grid via machine side and grid side converters. From the machine side converter point of view, there are two types of PMSG-based WTs: PMSG with back-to-back voltage source converters, and PMSG assisted with diode rectifier and boost converter. Since most of the research works regarding the PMSG-based WTs are devoted to the former type, this paper deals with the elaborated controller design and stability analysis of the grid connected PMSG based WT assisted with diode bridge rectifier and boost converter. Hence, the linearized average dynamic model of the combined system comprising PMSG, diode rectifier and boost converter is presented. Based on the linearized model, the relation between the PMSG electromagnetic torque and boost converter current is extracted, and then system’s control-loops are developed. Next, small signal stability of the full system comprising PMSG, boost-diode rectifier, dc-link capacitor, GSC, and corresponding controllers is presented and then impact of PMSG speed controller on the stability of the system is examined theoretically and by time domain simulations.     

基于参数在线辨识的永磁风力发电机无位置传感器控制技术

提出一种基于无位置传感器及电机参数在线辨识的永磁同步风力发电机控制策略。通过建立永磁同步发电机的扩展反电势数学模型,推导出基于锁相环技术的转子位置自检测控制模型。为消除发电机参数时变性对转子位置观测精度的影响,建立了基于递归最小二乘法的电机参数辨识模型,对永磁风力发电机的d、q轴电感进行实时在线辨识,并将实时辨识得到的电机参数应用于发电机转子位置观测和转子磁场定向矢量控制中。建立了一套2kW的永磁风力发电机实验机组,对所提控制策略的有效性和可行性进行了实验验证。     

Transient synchronous stability analysis and enhancement control strategy of a PLL-based VSC system during asymmetric grid faults

The stability of a voltage source converters (VSC) system based on phase-locked loop (PLL) is very important issue during asymmetric grid faults. This paper establishes a transient synchronous stability model of a dual-sequence PLL-based VSC system during low voltage ride-through by referring to the equivalent rotor swing equation of synchronous generators. Based on the model, the synchronization characteristics of the VSC system under asymmetric grid faults are described, and the interaction mechanisms, as well as the transient instability phenomena of positive and negative sequence PLL during asymmetric faults are explained. Using the equal area criterion, the infuences of sequence control switching action, detection delay, and interaction between the positive and negative sequence PLL on the transient synchronous stability of the VSC system are analyzed, respectively. In addition, a transient stability assessment criterion based on the critical fault clearance angle and time and an enhancement control strategy based on the improved positive and negative sequence PLL are proposed. Finally, the analytical results are validated through simulation and experiments.     

基于惯性/下垂控制的变速型风电机组频率协调控制方法

在高渗透风电接入的孤立电力系统中,由于传统调频资源不足,风电大规模波动可能导致系统频率波动,限制新风电的进一步接入。因此,提出一种基于惯性控制和下垂控制的变速型风电机组频率协调控制方法。首先对双馈异步发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)、永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)和有源失速异步发电机(Active-Stall Induction Generator,ASIG)三种类型变速风力发电机组(Variable Speed Wind Turbines, VSWTs)的频率控制特性进行分析。在此基础上,提出基于惯量控制和下垂控制的变速型风机频率协调控制策略,并分析在不同扰动条件下,不同惯性参数与下垂参数对孤立电力系统频率的影响,据此选择合适的控制参数。最后,在随机风速扰动和大扰动条件下对风电机组的稳态与暂态响应进行仿真,验证了所提频率抑制方法的有效性。结果表明,所提方法能显著提高孤立电力系统频率稳定水平。     

PMSG风力发电系统的最优跟踪增益调度控制

在分析了 PMSG (永磁同步发电机)风力发电系统数学模型的基础上,以额定风速以下风能的最大捕获为目标,采用最优跟踪控制方法在系统不同工作点处设计了最优跟踪控制器,采用了一种能够保证稳定性的差值方法以插值增益调度的形式构成 PMSG 风力发电控制系统,并在 Matlab 中建立了 PMSG 风力发电控制系统的仿真模型....