直驱风电并网系统中锁相环引起次同步振荡的开环模式谐振机理分析

该文主要围绕锁相环研究了直驱风机和同步机间动态交互作用对电力系统次同步振荡的影响。基于所构建的闭环系统模型,其中含锁相环动态部分作为其开环反馈子系统,系统其余部分作为对象子系统,分析了子系统间次同步交互作用对系统稳定性的影响,并从开环模式谐振角度揭示直驱风机接入引发系统次同步振荡机理。当开环锁相环模式和对象子系统中同步机开环轴系模式在复平面位置接近时,发生开环模式谐振使直驱风机和同步机间存在强交互作用,导致对应的闭环模式可能向阻尼较弱方向移动,若交互作用较强则可能使其中一耦合模式进入复平面右半平面进而引发系统次同步振荡。为评估开环模式谐振导致系统阻尼降低的水平,提出一种预测谐振点闭环模式相对其开环模式偏移位置的方法。最后通过两个仿真算例验证了该文分析结论和所提方法的有效性。     

开环模式谐振引发含变速风电机组电力系统振荡的机理分析

针对变速风电机组控制环节间交互作用对系统稳定性影响,该文构建了由两个开环子系统组成的闭环互联系统模型。基于所构建模型,从开环模式谐振角度揭示含变速风电机组电力系统的振荡机理。当两个开环子系统对应的开环模式在复平面分布位置接近时将引发开环模式谐振,此时控制环节间将呈现强动态交互作用,使子系统开环模式对应的闭环特征根朝相反方向移动,其中一谐振特征根朝复平面虚轴方向移动,导致系统阻尼水平的降低。提出一种估计开环模式谐振条件下闭环特征根在复平面分布位置的方法,进而评估系统阻尼水平。此外,分析了变速风电机组与电网的连接强度、系统运行点对开环模式谐振的影响。最后,通过直驱和双馈风电系统仿真算例对所提分析方法和结论进行了验证。     

感应电动机群负荷引起的电力系统机电功率振荡研究

为深入研究感应电动机群(induction motor group,IMG)负荷引起的电力系统机电功率振荡现象及其内在机理,首先构建含感应电动机群电力系统的线性化状态空间模型,并以此为基础进行稳定性分析。理论研究表明,当感应电动机群由多台相同或近似相同的电动机(inductionmotors,IMs)构成时,系统中感应电动机振荡模式(inductionmotor oscillation modes,IMOMs),按其在复平面上的位置可分为2类:重合或近似重合的振荡模式,以及独立分布的振荡模式。接着,提出一种预测指标,可判断独立振荡模式随感应电动机数量变化在复平面上的移动方向,进而评价系统阻尼状况。最后,通过IEEE 3机9节点算例系统对理论分析进行仿真验证,结果表明:独立振荡模式移动至复平面上不稳定区域时,将引发电力系统机电功率振荡,并导致负荷母线节点电压的大幅跌落。     

开环模式谐振条件下直驱风机接入引发电力系统宽频振荡的研究

并网风电机组与电力系统间的动态交互有引发系统低频、次同步/超同步振荡的风险。为更好认识这一现象的本质,该文研究了风电并网引发电力系统宽频振荡的机理。首先,建立以风机为"反馈子系统",电力系统其余部分为"前馈子系统"的闭环互联模型。然后,基于该模型,分析并网风电引发电力系统宽频振荡的开环模式谐振机理。最后,通过仿真验证上述理论分析的正确性。研究结果表明:当风机子系统和电力系统子系统的开环振荡模式在复平面上相近时,相应的一个闭环振荡模式会分布在谐振开环模式的右侧。当开环模式谐振较强时,该闭环振荡模式会位于右半复平面,从而导致系统振荡失稳。     

并网双馈风电场次/超同步混合振荡现象及阻尼控制方案

该文解释并网双馈风电场中出现次/超同步混合振荡现象的机理,并提出一套风电场层面阻尼控制方案用于抑制次/超同步混合振荡。首先,将风电场等效成多台连接到集中母线的双馈感应发电机(double-fedinductiongenerator,DFIG),并建立双馈风电场并网系统的闭环互联模型以及1台DFIG子系统与剩余部分子系统(包括风电场中剩余DFIG、同步发电机以及输电线路,后简称剩余子系统)的开环模型。在这些模型的基础上,运用开环模式谐振理论解释双馈风电场并网系统中可能出现次/超同步混合振荡现象的机理:当2个子系统的开环模式在复平面上位置接近会引发开环模式谐振,与之相对应的2个闭环振荡模式将朝相反方向移动,其中1个振荡模式的阻尼将变差;而振荡模式的频率主要取决于双馈感应发电机的参数;当满足一特殊条件时,系统中将出现次/超同步混合振荡现象。为了抑制双馈风电场中次/超同步混合振荡,该文提出风电场层面阻尼控制方案:风电场统一测量阻尼控制的输入信号,进行阻尼控制,并将输出信号分配到相应的双馈感应发电机上。模态分析和非线性仿真结果均验证文中风电场层面阻尼控制方案的有效性。     

次同步控制相互作用问题中负阻机制和开环模式耦合机制的对比分析

风电并网系统的次同步振荡问题有负阻效应和开环模式耦合两种机制解释。针对双馈感应风力发电机–串补输电系统的次同步控制相互作用问题,对比分析互联开环子系统间的阻抗交互作用和模式交互作用在引发闭环系统次同步振荡失稳时的一致性,定性解释负阻机制和开环模式耦合机制的关联,主要体现为:开环模式耦合条件下负阻效应对子系统间阻抗交互作用的不利影响显著加剧;负阻效应是开环模式耦合条件下闭环模式互斥的必要条件,并且负阻效应越显著闭环模式互斥程度越剧烈。两种机制的相互补充和佐证有助于指导工程实践:为改善负阻效应导致的不利阻抗交互作用,可从破坏开环模式耦合条件的角度展开,即调整开环振荡模式的频率,或增大开环振荡模式的阻尼。     

UPFC与系统的强动态交互对机电振荡模式的影响

该文主要研究了由开环模式耦合引起的统一潮流控制器(UPFC)与系统的强动态交互作用对系统机电振荡模式的影响。建立了含UPFC的多机电力系统闭环互联动态模型,将UPFC与系统分为两个互联开环子系统。当UPFC开环控制模式与开环机电模式在复平面上位置靠近时,相应的两闭环模式彼此相斥并趋向反方向移动,该模式耦合现象可造成闭环机电模式的阻尼严重恶化。依据阻尼转矩分析理论,该文从UPFC向系统中同步机提供阻尼贡献这一角度清晰阐释了开环模式耦合时UPFC对机电模式的动态影响。另外,提出一个量化指标,能够近似估计开环模式耦合情况下两个相关的闭环模式在复平面的相对位移。利用新英格兰10机系统与我国华东某500 k V等值电网算例详细说明和验证了所得结论。该文还比较了UPFC串、并联电压源换流器(VSC)对系统影响的强弱,并分析了UPFC潮流调节与安装地点两个因素对模式耦合的影响。     

小扰动电压稳定分析的P-H模型及振荡阻尼因子

为了分析电力系统的小扰动电压稳定性，该文基于发电机和感应电动机的详细动态模型建立了一个单发电机．感应电动机系统的改进Phillips-Heffron(P-H)模型，并应用它给出了电压振荡的阻尼因子y的解析式，该式明显地说明了感应电动机负荷给系统的电压振荡所带来的阻尼。将其同以往在基于静态负荷的PIH模型下得到的观点相比较可知：感应电动机的存在对系统小扰动失稳模式有着重要影响，它的存在抑制了系统中可能发生的振荡。利用y的解也可以从理论上解释在小扰动电压稳定仿真中发现的慢速励磁调节系统与大容量之间共同作用产生的负阻尼现象。     

双馈风电场内部多模式谐振引发电力系统次同步振荡的机理研究

该文研究风电场内部不同风电机群间多模式谐振引发电力系统次同步振荡和振荡模式频率漂移的作用机理。首先,提出多模式谐振理论,当风电场中N个风电机群的开环次同步振荡模式在复平面上相近时,N个风电机群之间发生的多模式谐振使得对应的两类闭环次同步振荡模式在复平面上分布于开环次同步振荡模式两侧相对的位置,当模式阻尼减弱的闭环次同步振荡模式位于复平面上的不稳定区域时,会引发系统失稳。其次,基于多模式谐振理论研究双馈风电场内部风电机群间动态交互引发电力系统次同步振荡的机理和次同步振荡的频率漂移现象,为风电场接入引发电力系统次同步振荡的研究提供新的视角。最后,通过算例分析验证理论分析和相关结论的正确性和有效性。     

基于开环子系统模式信息的次同步谐振机理研究

汽轮发电机-串补输电系统的次同步谐振是次同步振荡研究领域的经典问题,开环模式分析法和复转矩系数法是其典型的机理分析方法。该文在现有开环模式分析法的基础上,进一步考虑了开环振荡模式之间的距离这一影响因素,提出基于机械、电气两个开环子系统的开环模式信息(开环振荡模式及其之间的距离和留数)来评估闭环模式的方法。基于IEEESSRFBM:①揭示了轴系扭振的开环模式耦合条件——当开环扭振模式和开环串补振荡模式靠近时,相应的闭环振荡模式将会朝相反方向远离开环振荡模式,偏移程度与开环振荡模式间的距离和留数有关;②揭示了感应发电机效应与电气子系统开环振荡模式的关联;③揭示了附加电力系统稳定器(PSS)次同步谐振阻尼控制器通过影响开环模式信息从而提高轴系扭振稳定性的机理。     

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.     

Sub-synchronous Oscillations Caused by Grid-connected PMSGs under the Condition of Near Strong Open-Loop Modal Resonance

Abstract

This article examines the modal condition under which a grid-connected PMSG may cause the sub-synchronous oscillations (SSOs) in a power system. The examination is based on a closed-loop interconnected model of the power system, wherein, the PMSG and the remainder of power system (ROPS) are modeled as two separate but interconnected open-loop subsystems. The model condition being examined is that an SSO mode of the open-loop PMSG subsystem is close to an SSO mode of the open-loop ROPS subsystem on the complex plane. Analysis in the article indicates that the modal condition is the near strong open-loop modal resonance (NSOMR), under which damping of one corresponding closed-loop SSO mode may very likely degrade. The damping degradation can be estimated by an SSO index derived in the article. Hence, study presented in the article reveals the mechanism about why the SSOs may be caused by the grid-connected PMSG from the perspective of the NSOMR. In addition, it is proposed that by applying the modal analysis to the open-loop subsystems, the SSO instability risk brought about by the PMSG can be detected and the risk-contributing PMSGs and synchronous generators in the power system can be identified.     

基于DFIG功率振荡阻尼器的电力系统低频振荡抑制综述

随着大规模风电并网,风电机组与同步机组间的动态交互加剧,前者对电网低频振荡(low-frequency oscillation,LFO)的负面影响和正面控制效果渐趋显著。文章对双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)并网系统LFO抑制问题展开调研。分析了DFIG并网对LFO的影响机理,从风电侧和电网侧比较了LFO抑制措施。重点讨论了DFIG附加功率振荡阻尼器(power oscillation damper,POD)的参数整定方法和控制策略设计。对基于传统方法、优化方法、鲁棒理论等参数整定方法,以及线性二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)、自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)、滑模变结构控制(sliding mode control,SMC)、模糊控制等控制策略进行比较分析。最后对DFIG并网电力系统低频振荡抑制问题,给出后续研究展望。     

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。     

经柔性直流接入的大规模直驱风电场等效建模与小干扰稳定性分析

含多台风机的大规模风电场经柔性直流接入交流系统的详细模型阶数过高,对小干扰稳定性分析和失稳机理研究提出了挑战.为此,建立了风电场经柔性直流接入交流系统的开环、闭环线性化状态空间模型.基于风电场开环状态空间模型及风电场节点电压电流关系,将全阶风电场模型通过单台风机动态及交流拓扑信息矩阵进行等效,并分析了风机输出功率、风机...     

改善区域间振荡阻尼的快速功率调制策略研究

提出一种通过双馈风机快速有功功率调制改善系统阻尼的方法。首先建立了双馈风机的数学模型,进而提出了单台双馈风机-无穷大系统小干扰稳定分析的一般方法。通过对含4机2区域系统开展特征值分析,找出区域间主导的振荡模式。类比同步机电力系统稳定器（PSS）的设计思路,给出设计双馈风机阻尼控制器的设计流程。暂态仿真结果表明在加装双馈风机阻尼控制器后,系统阻尼得到了有效提升,系统的低频振荡得到有效的抑制。     

An investigation on interarea mode oscillations of interconnected power systems with integrated wind farms

The ever-increasing penetration of wind power integration into a power system can produce significant impacts on the operation of an interconnected power system. As the major energy conversion technology for large wind turbines, the doubly fed induction generator (DFIG) will play an important role in future power systems. Hence, the impacts of the DFIG on the low-frequency oscillations of interconnected power systems have become an important issue with extensive concerns. This paper examines the impacts of several factors, including the DFIG transmission distance, tie-line power of the interconnected system, DFIG capacity, with/without a power system stabilizer (PSS), on the low frequency oscillation characteristic of an interconnected power system using both eigenvalue analysis and dynamic simulations. To investigate the effects of these factors on the interarea oscillation mode, case studies are carried out on two two-area interconnected power systems, and some conclusions are obtained.     

双馈风电机组附加阻尼控制器与同步发电机PSS协调设计

针对大规模双馈风电机组接入电力系统后的区间低频振荡问题,提出了一种协调双馈风电机组附加阻尼控制器和同步发电机电力系统稳定器(PSS)的设计策略。首先,考虑风电机组的机械部分、电气部分和控制结构,建立了双馈风电机组的机电暂态模型和附加阻尼控制器模型。在闭环电力系统线性化模型的基础上,提出利用动态指标值的优化模型来协调整定双馈风电机组附加阻尼控制器和同步发电机PSS的控制参数,并使用粒子群算法求解优化模型的全局最优解。最后,通过2个标准仿真系统算例,对比传统的阻尼控制器设计策略,验证了所设计策略的有效性和实用性。     

双馈电机改善系统阻尼的研究

给出了双馈电机的完整小信号模型,分析了双馈电机对系统阻尼的影响,在此基础上通过在转子侧控制系统中引入电力系统稳定器(power system stabilizer,PSS)环节,使系统扰动时,双馈电机能够提供额外的阻尼来削弱震荡,并通过特征根和时域仿真来验证其有效性,结果表明,引入的PSS环节能够改善系统阻尼、提高稳定性。