锁相环控制对永磁直驱风机并网次同步振荡稳定性的影响 —— 控制参数安全域

主要从控制参数安全域的角度研究了锁相环(PLL)控制对并网永磁直驱风机(PMSG)次同步振荡稳定性的影响。基于所建立的全系统动态互联模型,通过特征值分析方法计算得到了PLL控制参数安全域。研究发现,参数安全域中出现的一系列“峰值点”主要是由模式谐振诱发的PLL与电压源型换流器(VSC)之间的强动态交互作用引起的,并通过非线性仿真验证了模式分析所得结论的正确性。进一步地,从PLL参数安全域的角度详细筛查了模式谐振诱发PMSG次同步振荡失稳的机理,分析了系统参数和VSC控制参数这2个因素对风电并网次同步振荡特性的影响。     

基于路径分析法的直驱风电场经柔直并网系统次同步振荡机理分析EI北大核心CSCD

针对直驱风电场经柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)并网系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)问题,目前研究在机理分析中难以揭示子系统之间的扰动传递过程和耦合关系,同时难以量化不同特性对于系统稳定的影响。因此,基于路径分析法开展系统的SSO机理研究,并以锁相环(phase-locked loop,PLL)振荡模态为例开展路径分析法的模态扩展。首先,采用模块化建模方法建立系统的线性化模型。其次,将转子运动方程的阻尼系数推广至振荡模态的主导元件动态方程,从而获取系统的稳定判据。然后,基于路径分析揭示子系统之间的扰动传递过程和耦合关系,基于阻尼分解量化风电场内部特性以及风电场与VSC-HVDC之间交互作用特性对于系统稳定的影响。最后,开展PLL控制参数对于阻尼特性的影响分析。结果表明:路径分析法可以应用于不同的振荡模态;直驱风电场与VSC-HVDC之间的扰动传递路径呈现双闭环耦合关系;通过增大直驱风电机组PLL比例系数或减小直驱风电机组PLL积分系数可以有效提高系统的总阻尼系数,从而提升系统的稳定性。     

直驱风机变流控制系统对次同步频率分量的响应机理研究

在概述变流控制系统锁相环和d/q解耦控制环节传递函数的基础上,采用小信号方法,依次推出当控制系统各环节馈入1个次同步频率分量时输出信号的解析表达式,讨论信号经变流控制系统后频率变化关系,对比分析多个输出次/超同步频率信号的相对幅值关系。进一步以时域仿真及我国某新能源汇集地区PMU(phasor measurement unit)实测数据,分别验证理论分析的正确性。同时根据理论分析,对永磁直驱风机汇集母线存在多个次/超同步频率分量的现象给出解释,也对抑制主要次/超同步频率分量提供依据。     

基于非光滑分叉的直驱风机次同步振荡机理分析

新能源大规模并网引发的振荡问题近来得到广泛关注。目前,忽略变流器的限幅等非线性特性,在稳态工作点附近线性化得到的小信号模型是研究上述振荡问题的主流方法。然而,在某些条件下,变流器中的限幅环节对振荡特性的影响不可忽视。结合相图分析方法,揭示直驱风机次同步频段振荡的数学机理之一是与限幅相关的非光滑分叉。首先,介绍了与限幅环节有关的非线性非光滑分叉理论。其次,介绍了直驱风机并网系统的限幅环节及其和限幅相关的次同步频段振荡现象。再次,分析了不同限幅环节对次同步频段振荡特性的影响,揭示了定子直流电压限幅环节饱和是导致系统振荡的原因。进一步,分析了短路比对系统振荡特性的影响,揭示了参数变化导致的非光滑分叉现象。最后,分析了交流故障持续时间、接地电阻对振荡的影响,揭示了初值导致的非光滑分叉现象。分析表明,直驱风机并网系统在故障清除后产生的次同步频段振荡,是在足够大的故障冲击下多个限幅环节共同作用产生的,数学上,也对应着相应的动力学系统发生非光滑分叉。     

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。     

采用深度迁移学习定位含直驱风机次同步振荡源机组的方法

随着新能源电力电子器件的广泛接入,电力系统次同步振荡问题的诱发机理越来越复杂.为了能够及时定位到诱发次同步振荡的机组并采取措施,基于深度迁移学习提出了一种次同步振荡源定位的方法.该方法首先依据开环模式谐振理论构建仿真系统,并在仿真系统中获取训练数据样本;其次,运用卷积神经网络(CNN)进行振荡源特征提取并建立训练定位模型;最后,通过迁移学习将训练模型迁移到实际系统,以实现定位模型的应用.为验证所提方法的有效性,设计了含直驱风机并网的电力系统的仿真系统测试算例.结果表明,该方法相比于传统的特征值分析方法,具有定位准确率高、在线应用方便等优势.该方法能够在较短时间内给出判别结果,为实现振荡源的在线识别奠定了基础.     

基于匹配控制的构网型直驱风电场次同步振荡机理与特性研究

近年来,具有低时延和惯量同步等优势的匹配控制成为主流构网型控制方案之一,但基于匹配控制的构网型直驱风电场的次同步振荡机理及特性尚不明确。因此,该文建立构网型直驱风电场并网系统的小信号模型,通过特征值法分析了系统的振荡模态及参与因子,并借鉴同步机中阻尼转矩法分析构网型直驱风电场的次同步振荡机理。结果表明,构网型直驱风电场中匹配控制主导的振荡模态在强电网下呈现负阻尼特性,系统存在次同步振荡的风险,但匹配控制振荡模态相较于跟网型控制的锁相环振荡模态具有更好的弱电网适应能力;匹配控制振荡模态存在类似于同步机转子运动方程的动态特性,使得构网型直驱风电场可能发生弱阻尼振荡;减小交流电网强度或无功控制器积分系数,增大构网型直驱风机台数或无功控制器比例系数,能够增大匹配控制振荡模态的阻尼,降低系统次同步振荡风险。     

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。     

基于次同步模态能量的双馈风机并网系统次同步振荡能量分析与溯源方法研究EI北大核心CSCD

该文提出一种次同步模态能量(sub-synchronous modal energy,SSME)方法,用于双馈感应发电机(doubly-fed induction generators,DFIG)并网电力系统的次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)分析和溯源。首先,通过广义哈密顿理论构建并分析了DFIG并网电力系统的SSME结构,证明了DFIG子系统或外送线路子系统的SSME方向是判断SSO源是否在该子系统内的充分必要条件。在此基础上,提出一种基于子系统SSME的SSO溯源方法,通过监测子系统SSME的方向,可以判断SSO源是否在子系统内。最后,构造了负阻尼与强迫类型的SSO场景以证明所提出的基于SSME的溯源方法的性能,并与现有暂态能量流(transient energy flow,TEF)方法进行了比较。时域仿真结果验证提出的SSO溯源方法的有效性,并表明其比传统的TEF方法具有更好的可靠性。此外,基于该文的SSME方法有望实现风机振荡参与度评估。     

基于一阶LADRC控制的直驱风机次同步振荡抑制策略

针对直驱式风电机组接入弱交流电网诱发次同步振荡 (subsynchronous oscillation, SSO) 问题,提出一阶线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control, LADRC)策略抑制该现象,从而提高系统稳定性。首先,建立直驱式风电机组的并网数学模型,分析次同步振荡频率扰动分量的传播机理;然后,进行一阶LADRC电流内环控制器设计以及参数优化整定,分析表明：控制器对于次同步频率扰动分量有较强的抑制作用。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真软件,建立传统PI和一阶LADRC控制的直驱式风电机组电磁暂态仿真模型。结果表明：所提方法能够阻断次同步频率扰动分量传播,有效抑制SSO。     

多直驱风机经柔直并网系统相近次同步振荡模式参与因子的弱鲁棒性分析

多台直驱风电机组运行工况相似的情况下,直驱风电场经柔直并网系统中存在相近的次同步振荡（SSO）模式,这些SSO模式的参与因子对参数变化极为敏感,从而影响阻尼控制器的最优安装位置。针对这一特殊现象,首先基于矩阵摄动理论,揭示相近SSO模式的参与因子对参数变化敏感的原因;然后,呈现了这一特殊现象对阻尼控制器的不利影响,并提出了参与因子灵敏度的概念,分析了关键因素对多直驱风机经柔直并网系统相近SSO模式的参与因子灵敏度;最后,提出了存在相近SSO模式情况下消除/减小参与因子弱鲁棒性危害的多种方案。通过在PSCAD/EMTDC中搭建多直驱风机经柔直并网系统的时域仿真模型,验证了理论分析结果的正确性。     

基于移相变压器的直驱风机次同步振荡抑制

针对直驱风机接入弱交流电网引发严重的次同步振荡问题,建立了并网系统的小信号模型.首先,利用特征值分析法得出系统的次同步振荡模态,通过参与因子分析揭示了直驱风机接入弱交流电网的次同步振荡机理;然后,在分析移相变压器应用原理的基础上,提出了基于移相变压器可实现直驱风机并网系统负电阻补偿的次同步振荡抑制方法;最后,在Matl...     

基于同伦函数的直驱永磁同步风电机组次同步振荡特征值分析

为了研究直驱永磁同步风电机组的次同步振荡问题,建立了典型的风电系统数学模型。在使用传统特征值分析法的基础上,利用同伦函数代替参与因子法,准确且直观地辨识出系统振荡模态特征值对应的状态变量。在此基础上进一步分析状态变量对应的参数对系统振荡模态特征值的影响。最后,通过PSCAD/EMTDC平台进行时域仿真。结果表明:直流电压控制外环积分系数和电流控制内环比例系数对系统的次同步振荡有很大影响。     

基于状态空间方法的频域阻抗计算及其灵敏度分析方法EI北大核心CSCD

风机并网造成的故障问题频发,尤其是风机并网次超同步振荡现象还没有很好的机理解释。而阻抗法是一种常用的分析次同步振荡的方法。提出了一种基于状态空间的直驱风机阻抗求解方法,以单机无穷大的简单风机系统为例,考虑锁相环影响,建立dq坐标系下的全系统数学模型,并通过Park变换与abc坐标系联系,通过列写全系统状态空间方程,计算电压电流时域表达式的扰动频率分量,解释了单一频率扰动下次超同步分量同时产生的原因;根据电压电流表达式得到扰动频率下直驱风机系统阻抗。在此基础上提出了特征值与阻抗的灵敏度分析方法。最后通过算例验证了上述方法的正确性,以及阻抗法和特征值法在判定除工频振荡以外的其余稳定性问题效果是一致的。     

SVG对直驱风电场次同步振荡特性影响分析

针对静止无功发生器(static var generator, SVG)接入弱交流电网诱发直驱风电场次同步振荡(sub-synchronous oscillation, SSO)的现象,构建含SVG直驱风电联网系统线性化模型,基于特征值分析法,研究SVG控制参数、电网强度对系统稳定性及SSO特性的影响规律。研究结果表明,弱电网条件下,SVG电流内环控制是诱发直驱风电场联网系统SSO的主导环节;SSO的振荡幅值和频率与SVG控制器的电流内环比例、积分系数及电网强度多个因素相关。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真和时频分析验证理论分析的有效性。     

大规模直驱风电场次同步振荡的影响因素分析

针对哈密地区大规模风电场在无串补情况下发生的次同步振荡现象。文中在PSCAD/EMTDC软件上搭建了多机直驱风电场无串补输电系统模型,结合特征值分析法研究了风速、网侧控制器参数、风电汇集点短路比和火电机组出力对次同步振荡特性的影响,并进行仿真验证。结果表明:无串补情况下,风电场在各风段均有可能发生次同步振荡,风速小,振荡频率高,风速大,振荡频率低。网侧控制器比例增益越大,振荡频率越小,积分增益越大,振荡频率越大。短路比越小,系统发生次同步振荡的可能性越大。低功率运行时,火电机组出力在50%～80%范围内,系统发生次同步振荡的可能性最大。     

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。     

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.     

基于SISO序阻抗的直驱风场经柔直输电系统中频振荡机理分析及抑制EI北大核心CSCD

直驱风场可通过柔性直流实现大容量、远距离输电。目前已有诸多研究表明直驱风场经柔直输电系统面临着次同步或高频振荡问题。然而,也可能存在一种频段介于两者之间的中频振荡现象,值得进一步研究。为此,该文基于直驱风场经柔直输电系统的单输入单输出(singleinputsingle output,SISO)等效序阻抗模型研究该互联系统的中频振荡机理。然后,据此分析直驱风场和柔直换流站参数对该中频振荡特性的影响,分析结果得到了仿真验证。最后,该文还提出基于虚拟阻抗的阻抗重塑控制,并通过仿真验证所提控制策略对抑制直驱风场经柔直输电系统中频振荡的有效性,对于实际工程具有参考意义。     

基于MMC-HVDC的永磁直驱风机并网控制策略

针对风能的不可控性、间歇性的特点及风电并网后将影响电能质量和电网稳定性的问题,提出了一种基于MMCHVDC的永磁直驱风机并网控制策略。分别在三相静止坐标系与同步旋转坐标系下建立了MMC-HVDC系统的数学模型,并提出了一种由系统级、换流站级和换流器阀级组成的三层控制策略,以有效控制模块电容电压。在Matlab仿真平台搭建的有源网络和无源网络下的测试结果表明,所提出的风机并网控制策略具有良好的动态响应特性及稳定性,能满足大容量、长距离风机并网的要求。