考虑整机转矩控制的双馈风机轴系扭振机理分析及抑制策略

双馈风电机组轴系模型可等效为风力机质块经柔性轴与发电机质块连接,其轴系柔性较大,阻尼较低,现场存在轴系扭振现象.提出将整机转矩控制嵌入双馈风机两质量块数学模型中,并进行小信号线性化,得到适用于轴系动态特性分析的双馈风电机组机电小信号模型,基于该模型开展扭振机理分析和抑制策略设计.双馈风机轴系扭振本质原因是电磁转矩与发电...     

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。     

双馈风电机组轴系扭振的稳定与控制

在侧重研究双馈风电机组与电网的动态作用时,双馈风电机组轴系可用等效两质量块模型表示。在外界扰动下,轴系动态以振荡方式呈现,并反映在输出功率上,由于这一振荡频率接近电力系统低频振荡,因此会对同步机组的功角稳定产生影响;不仅如此,轴系振荡还会影响双馈风电机组自身的稳定性以及使用寿命。本文首先采用小信号分析方法,对有功控制回路进行电气阻尼特性分析,得出双馈风电机组在最大功率跟踪控制下的负电气阻尼特性,不利于轴系稳定;随后,提出一种轴系镇定器,包含电气阻尼和电气刚度两个回路,增加电气阻尼可以使轴系振荡得到有效抑制,对双馈风电机组和电力系统的稳定有利;增加电气刚度,等效加强了轴系的耦合强度,可有效抑制转速振荡的幅值,有益于延长机组寿命。     

湍流激励下风电轴系的宽频受迫扭振及其抑制方法

风电轴系扭振会造成传动系统提前失效,对风电机组可靠性及可利用率十分不利。在随机湍流风速的持续性激励下,风电轴系扭振除特征频率分量之外,还在低频段存在较宽频带分布的受迫扭振分量。针对目前风电机组采用的传动链主动阻尼技术仅能应对特征频率分量轴系扭振的问题,构建刻画轴系宽频扭振特性的传递函数,揭示不同频段轴系电气阻尼对轴系宽频扭振的影响机理,得出应当在保证扭振特征频率处电气阻尼较高的同时设法降低低频段电气阻尼。提出抑制宽频受迫扭振的轴系电气阻尼重塑方法,并从稳定性和抑振效果两方面给出参数设计方法。所提控制策略易于工程实现,仿真表明其可有效镇定轴系宽频受迫扭振,且不会对发电量产生负面影响。     

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。     

基于阻尼器的双馈风力发电系统扭振抑制策略

由风速扰动或网侧的电气扰动所引发的风机传动轴扭振现象会导致轴系机械零件疲劳过载,甚至损坏。提出一种对网侧电气小扰动引发机网扭振的抑制策略。该策略通过在转子侧逆变器功率控制环节引入阻尼器,当轴系发生扭振时,利用发电机转速波动信号产生阻尼功率,再附加到逆变器有功功率参考值上,使系统额外输出有功功率来增大系统阻尼,从而抑制轴系扭振。建立系统小信号稳定模型,分析扭振抑制原理,观察引入阻尼器后,系统主导扭振模态的特征根变化;并利用Bode图分析阻尼器对轴系扭振模态的抑制效果。最后,在Matlab/Simulink上进行仿真验证。结果表明,所提出的阻尼策略可以显著增大双馈风力发电系统的阻尼,增强对风力发电系统扭振尤其是低频振荡模态的抑制。     

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.     

基于储能系统的双馈风电机组机网扭振抑制策略

针对由电网侧电气小扰动引起的机网扭振现象,提出了一种储能系统(ESS)的双馈风电机组(DFIG)机网扭振抑制策略。通过建立储能系统的数学模型,提出了储能系统的附加阻尼控制策略,利用储能系统既能输出无功也能输出有功的特点,根据风电机组母线电压偏差信号及电网电压频率偏差信号,控制储能系统的无功及有功功率的输出,在电网发生故障或者干扰时,稳定母线电压,抑制频率波动,从而及时有效地抑制机网扭振。仿真结果表明,对于传输线路末端无限大电网的电压暂降和频率波动的干扰引起的风电机组轴系扭振,储能系统能够有效地进行抑制。     

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。     

水轮发电机转子系统碰摩弯扭耦合振动分析

机电耦联振荡诱发的水轮发电机转子、定子碰摩现象,会加剧转子系统的弯扭耦合振动,进而诱发机组系统严重的安全事故。建立水轮发电机转子系统定、转子碰摩运动微分方程,利用数值积分方法,研究了电磁刚度、转子质量偏心、阻尼及定子径向刚度等对转子系统非线性动力特性的影响。结果表明,弯曲和扭转电磁刚度对弯曲和扭转振动存在相互耦合激发放大作用,但随着偏心的增加,电磁刚度的影响程度减弱;质量偏心较大时弯扭耦合作用强烈,弯曲或扭转阻尼比的影响作用较大;定子径向刚度增大导致径向碰摩力增大,弯振幅值略有降低,扭振幅值增加,振动频率成分复杂。所得结论可为转子系统的设计、运行、振动控制预测及诊断提供参考。     

A Damping Method for Torsional Vibrations in a DFIG Wind Turbine System Based on Small-Signal Analysis

Torsional vibrations present in the drivetrain excited by turbulent winds or grid disturbances (often manifesting as voltage sags) can produce severe stresses on the components of wind turbines. This study presents a damping method for the rotor side converter of a doubly fed induction generator (DFIG)-based wind turbine to improve system damping during small grid disturbances. Within the damping strategy, torsional damper is included into the power loop of the rotor side converter to provide damping for the system. During vibrations, a well-designed low-pass filter (LPF) is employed by the torsional damper to extract the dynamics of the generator speed and to generate a damping signal. To demonstrate the proposed damping approach, the small-signal stability model of a wind turbine connected to an infinite bus system is presented, and the eigenvalue analysis is conducted to verify the damping effect introduced by the torsional damper. In the case study, grid voltage sag at the point of common coupling (PCC) is applied to excite the torsional vibration of the wind turbine shaft. The validity and effectiveness of the proposed damping approach are testified by using the simulation results against theory analysis.     

Power generation maximization of distributed photovoltaic systems using dynamic topology reconfiguration

The ‘mismatch losses’ problem is commonly encountered in distributed photovoltaic (PV) power generation systems. It can directly reduce power generation. Hence, PV array reconfiguration techniques have become highly popular to minimize the mismatch losses. In this paper, a dynamical array reconfiguration method for Total-Cross-Ties (TCT) and Series–Parallel (SP) interconnected PV arrays is proposed. The method aims to improve the maximum power output generation of a distributed PV array in different mismatch conditions through a set of inverters and a switching matrix that is controlled by a dynamic and scalable reconfiguration optimization algorithm. The structures of the switching matrix for both TCT-based and SP-based PV arrays are designed to enable flexible alteration of the electrical connections between PV strings and inverters. Also, the proposed reconfiguration solution is scalable, because the size of the switching matrix deployed in the proposed solution is only determined by the numbers of the PV strings and the inverters, and is not related to the number of PV modules in a string. The performance of the proposed method is assessed for PV arrays with both TCT and SP interconnections in different mismatch conditions, including different partial shading and random PV module failure. The average optimization time for TCT and SP interconnected PV arrays is 0.02 and 3 s, respectively. The effectiveness of the proposed dynamical reconfiguration is confirmed, with the average maximum power generation improved by 8.56% for the TCT-based PV array and 6.43% for the SP-based PV array compared to a fixed topology scheme.     

双馈风电机组轴系扭振理论与扭振控制技术研究进展

针对日趋大型化、复杂化的双馈风电机组,机组轴系的动力学研究与扭振控制技术对其降低振动和噪声、延长机组的使用寿命和提高轴系可靠度有重要意义.首先,综述了机组轴系的建模方法等相关领域的研究进展;然后简述了风电机组轴系扭振控制方法与最新技术相关研究领域的研究进展.通过归纳文献资料,对扭振理论和扭振控制技术的研究难点进行了简要...     

Power system transient stability assessment based on the multiple paralleled convolutional neural network and gated recurrent unit

In order to accurately evaluate power system stability in a timely manner after faults, and further improve the feature extraction ability of the model, this paper presents an improved transient stability assessment (TSA) method of CNN?+?GRU. This comprises a convolutional neural network (CNN) and gated recurrent unit (GRU). CNN has the feature extraction capability for a micro short-term time sequence, while GRU can extract characteristics contained in a macro long-term time sequence. The two are integrated to comprehensively extract the high-order features that are contained in a transient process. To overcome the difficulty of sample misclassification, a multiple parallel (MP) CNN?+?GRU, with multiple CNN?+?GRU connected in parallel, is created. Additionally, an improved focal loss (FL) function which can implement self-adaptive adjustment according to the neural network training is introduced to guide model training. Finally, the proposed methods are verified on the IEEE 39 and 145-bus systems. The simulation results indicate that the proposed methods have better TSA performance than other existing methods.     

汽轮发电机组轴系扭振多指标非线性协调控制

为减少机电扰动对汽轮发电机组轴系扭振的影响,在单机无穷大系统中,建立了汽轮发电机组轴系、励磁和调速的六阶非线性状态空间数学模型。基于反馈精确线性化理论,设计了发电机组励磁和调速的多指标非线性协调控制(MINC)策略。同时与线性最优控制(LOC)方法做对比,仿真表明:采用MINC方法,当系统受到短路故障,调功和调压扰动时,不仅能更好地抑制汽轮机和发电机之间功角位移偏差的振荡,减少轴系扭振事故的发生,还可以兼顾各状态量的动、静态性能,提高电力系统稳定运行水平。     

风电机组轴系的剩余寿命预估

风电机组轴系作为传动系统的关键部件,其剩余寿命的准确预估有利于维修方案的优化,从而有效降低运行成本。提出了一种风电机组轴系的退化-扭振耦合模型,结合了慢速的退化过程和快速的转动行为,同时引入不确定量风速对轴系退化的影响。运用四阶龙格-库塔算法和雨流统计法,通过多次蒙特卡罗模拟得到退化度曲线,进一步求得剩余寿命的期望和方差。结果表明,风电机组轴系的退化度呈指数发展,剩余寿命的期望和方差随退化度呈负指数变化。     

双馈风电机组传动系统扭振抑制自抗扰控制

扭振是造成风电机组传动系统零部件疲劳损伤的主要原因之一。为了通过控制减小风电机组传动系统疲劳载荷,本文在分析风电机组传动系统中非线性不确定因素作用的基础上,设计了一种扭振抑制自抗扰控制器。该控制器将传动系统中的非线性不确定因素作用和外界扰动归结为系统总扰动,通过扩张状态观测器进行实时估计,并在发电机转矩控制中给予补偿,增强了控制器的适应性和鲁棒性。以3MW双馈风电机组为控制对象的试验结果表明,该控制器可以在不影响机组发电量的前提下抑制传动系统扭振,明显减小齿轮箱的转矩波动,从而减轻扭转载荷对主要零部件的疲劳损伤。     

变速变桨风力发电机组塔架的侧向振动控制

针对结构阻尼很小的大型兆瓦级变速变桨(Variable Speed and Variable Pitch,VSVP)风力发电机组如何抑制塔架的侧向振动问题进行研究,提出在控制器的设计中,借助反馈增益并使用塔顶振动加速度测量值来确定附加的电机转矩设定点,并在反馈控制回路中使用椭圆带通滤波器和切比雪夫低通滤波器,进而改善塔架侧向振动阻尼。以某5 MW变速变桨风力发电机组为验证对象,基于Bladed软件平台对该控制策略进行仿真验证。结果表明:所提出的控制策略能够有效降低塔架的侧向振动位移,且对叶轮转速和电机扭矩没有太大影响。