一种直驱风电场中换流器控制系统间动态交互引起系统的失稳机理分析

主要分析了换流器控制系统间动态交互对直驱风电场并网系统稳定性的影响。通过构建闭环互联系统模型,其中锁相环环节作为其反馈子系统,研究了开环子系统间动态交互与开、闭环系统模式分析结果间的联系。基于此模型,以期从开环模式谐振角度为直驱风电机组间动态交互,及其引起系统失稳提供一种机理解释。在开环模式谐振条件下,即开环锁相环模式与另一子系统开环模式在复平面上较为接近,因子系统间的强交互作用导致系统阻尼水平降低。最后,通过直驱风电场仿真系统对所提模型和分析方法的有效性进行了验证,并分析了系统运行条件(电网连接强度、风机注入功率)及无功控制结构与参数对开环模式谐振的影响。     

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。     

直驱风机网侧换流器引发次/超同步振荡机理研究

针对实际电网发生的直驱风机引起的次/超同步振荡现象,以典型的单机并网模型为例进行研究。考虑锁相环的动态特性,在电网dq坐标系下建立直驱风机等效控制模型。分析网侧换流器对电网谐波的响应过程,发现当换流器输入输出谐波间相位满足一定关系时,会因为正反馈在某一频率下产生次/超同步振荡。振荡强度和振荡频率与锁相环比例和积分系数、电流内环比例系数及电网强度等多个因素相关。基于该相位关系,给出直驱风机引发次/超同步振荡的判据,并由该判据可以获得直驱风机引发次/超同步振荡的频率,时域仿真及频谱分析结果验证了该判据的有效性。     

直驱风机经柔直送出系统多控制环节间交互机理研究

直驱风机经柔直送出互联系统的稳定分析存在建模复杂,失稳机理难以直观清晰解释的问题。为此,提出了一种能够将互联系统的高维状态空间转化为低维传递函数的建模方法,能够显式表征互联系统稳定性本质的单输入单输出传递函数模型。基于开环传递函数模型,直观分析了直驱风机控制系统与柔直送端换流站无源控制电压外环、有功功率水平及主电路参数之间的交互作用对互联系统稳定性的影响机理;揭示了直驱风机锁相环带宽固定时增大柔直电压外环控制带宽可增强互联系统稳定性的本质原因;刻画了柔直外环电压积分时间常数与柔直电流环带宽以及风机侧电流环带宽之间交互作用关系。基于Matlab时域仿真与传递函数扫频分析,验证了提出模型及机理分析的正确性。     

永磁直驱风电机组故障穿越优化控制策略研究

永磁同步发电机构成的直驱型变速恒频风力发电系统通过全功率变流器与电网连接,当电网发生严重故障时,不仅对HVDC设备造成损害,甚至可能影响风力发电系统的整体安全稳定运行。对系统故障期间直流电压失稳的机理进行了分析,基于永磁同步发电机转子的惯性储能特性以及网侧换流器的无功补偿能力,提出一种适用于提高永磁直驱风电机组故障穿越能力的优化控制策略。在网侧故障期间通过分段式转速控制调整风机侧输入的有功并对网侧无功进行补偿,减小了中间直流系统注入的不平衡功率,抑制了故障期间直流电压的骤升。应用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件建立单机系统模型,仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

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。     

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...     

直驱风力发电系统接入直流配电系统的小扰动稳定分析

近年来,随着直流技术的飞速发展以及风电接入电网的容量不断增加,风力发电系统接入直流配电系统成为消纳新能源发电的一种有效模式。文中构建了包含直驱风力发电系统的直流配电系统小扰动稳定模型,通过特征值和模态分析的方法获取了关键设备之间的振荡关系,重点分析了同步电机参数、锁相环控制参数以及DC/DC换流器控制参数对相关的系统运行模式的影响,以及风机侧与并网侧换流器之间的相互动态作用,其结果有助于直流配电系统多时间尺度振荡的分析。     

减小弱电网风电机组电流畸变的优化控制策略

由于风力资源与电力需求地理分布的不匹配,风电机组一般通过长距离输电线路接入大电网,因而常常需要面对弱电网。针对直驱风电机组在弱电网下的并网电流畸变问题,从网侧电流环稳定裕度与锁相环(PLL)抗扰动能力两方面分析了其产生的原因。基于分析结果,提出了减小电压前馈权重与降低PLL带宽相结合的优化控制策略。实验结果表明,所提策略可以有效减小直驱风电机组在弱电网下的并网电流畸变,增强弱电网适应性,提升稳定运行水平。     

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。     

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。     

永磁同步风电机组的主动支撑控制及其在弱电网下的适应性分析

为了提升风电机组在弱电网下电压与频率支撑能力,介绍了一种适用于永磁同步发电机（PMSG）的主动支撑控制策略。该控制策略将永磁同步发电机网侧变流器等效成1个电压源型的虚拟同步发电机（VSG）,不仅使PMSG直接与电网同步,而且在电力系统功率发生波动时可通过利用风机的转子动能为系统提供惯量支撑。详细分析了弱电网下主动支撑控制的小信号模型,并基于PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性和在弱电网下的适应性。     

基于PIR控制器的CSC-DPMSG-WGS低电压穿越控制

提出了一种基于比例—积分—谐振(PIR)控制器,且适用于电流源型永磁直驱风力发电系统(CSC-DPMSG-WGS)的低电压穿越运行控制方案。根据所提出的方法,电网故障时,通过机侧变换器控制来限制风力发电机的电磁功率,以实现机侧和网侧的功率平衡;网侧控制器在正序旋转坐标系下采用PIR控制器同时对正负序电流进行无差控制,以消除两倍基频的功率波动,进而稳定直流电流。仿真与实验结果表明,所提出的控制方案在电网对称及不对称故障下均可有效降低直流电流波动,并实现电流源型永磁直驱风力发电系统的低电压穿越。     

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。     

面向低频振荡分析的直驱风电机组阻尼转矩建模

针对直驱风电机组直流电压环和锁相环失稳问题,基于直驱风电机组电流源型线性化模型,分析了电网强度、直流电容输入功率以及控制参数对直驱风电机组稳定性的影响;建立了适用于直流电压环和锁相环稳定性分析的电流源型阻尼转矩模型,通过阻尼转矩法揭示了直驱风电机组失稳机理;进一步地将阻尼转矩法拓展至多机并联系统。研究结果表明：电网强度的减小、直流电容输入功率的增加、控制参数(直流电压环比例参数、锁相环比例参数)的减小会降低直驱风电机组低频振荡模式(直流电压环模式、锁相环模式)的阻尼系数,当阻尼系数小于0时,该模式下系统失稳,表现为直驱风电机组发生低频振荡。     

基于多绕组永磁发电机的大容量级联型风力发电变换器

针对大容量风电机组的中压变换问题,提出了一种基于多绕组永磁发电机的级联型变换器系统,通过模块单元级联实现中压输出,从而省去升压变压器.将模块中发电机的两个正交绕组经PFC整流后在直流母线上并联,实现发电机单位功率因数运行,并保持馈入直流母线的瞬时功率恒定.利用发电机的电枢电感作为升压电路的储能电感,减小了系统的体积和成本,导出了电感取值的适用范围.逆变侧的H桥单元级联电路采用矢量控制,独立调节注入电网的有功和无功功率.仿真和实验结果验证了该类变换器拓扑结构和控制方法的有效性.     

直驱风电场经交流并网系统dq阻抗模型及稳定性分析

为研究直驱式风电场经交流并网系统中,由变流器控制器与电网互相作用而引发新的次同步振荡问题,综合考虑变流器内部控制动态特性、交流动态响应和功率传输特性,推导了直驱风电机组经交流并网系统dq等效阻抗模型。结合系统阻抗行列式稳定判据,分析了直驱风电机组网侧变流器内部控制参数变化对次同步振荡的影响。研究表明,随着网侧变流器中内、外环的PI控制参数（Kp、Ki）的减小,发生振荡失稳的风险增加,系统稳定性下降。最后,通过PSCAD/EMTDC环境下时域仿真验证了模型与理论分析的正确性。     

真驱永磁同步风力发电机组低电压穿越控制策略

分析直驱永磁同步风力发电机组（DDPMSG）在电网故障情况下的低电压运行特性,提出一种综合控制策略．包括通过变桨距控制实现最大风能追踪：控制发电机电磁功率以控制直流链及电网侧逆变器的功率;利用发电机侧功率控制网侧变流器的电流,实现直流链电压的稳定,以提高直驱永磁同步风力发电机组的低电压穿越能力,维持所并电网的运行稳定性。运用仿真分析软件PSCAD／EMTDC建立DDPMSG及其控制策略的仿真模型,仿真结果验证了所提策略的有效性和可行性。     

直接驱动型风力发电系统低电压穿越控制策略

提出了直接驱动型永磁同步风力发电系统在电网故障前后的控制策略。采用基于二阶广义积分闭环电网电压跌落检测方法,可精确得出电网电压故障信号、正序分量幅值、相位角。电网电压故障信号送给变桨距执行机构,最大限度地调节桨距角,屏蔽部分输入功率,提高系统低电压穿越能力;探索直驱风电系统在电网电压跌落发生后的控制策略,并实现与正常运行模式的快速平滑切换。故障前,网侧变流器运行在单位功率因数状态,保持直流侧电压恒定;故障后运行在STATCOM模式,依据检测环节所提供的电网电压正序分量幅值和相位角来决定变流器所发无功电流的量值,为电网提供动态无功支持。基于超级电容器的双向DC/DC变换器作为直流侧保护电路,来快速维持直流侧电压稳定。