双馈风电机组次同步振荡阻尼特性与抑制策略

大规模风电经固定串补线路送出时,双馈风电机组(DFIG)会由于转子侧换流器(RSC)与固定串补之间相互作用而引起一种新的次同步振荡问题,称为次同步控制相互作用(SSCI)。在分析DFIG换流器的工作原理及输出特性的基础上,建立其基于交流受控电压源和直流受控电流源的等效仿真模型,避免了开关器件的高次谐波对DFIG电气阻尼计算结果的影响,提高了仿真效率。基于等效模型,采用时域实现的复转矩系数法,计算DFIG在次同步频率范围内的电气阻尼特性,进而分析风速、转子侧换流器PI参数、串补度和线路电阻对电气阻尼特性的影响。分析结果表明,风速的减小、内环增益的增大、积分时间常数的减小、串补度的增加以及线路电阻的减小都会增加DFIG电气负阻尼;外环PI参数对DFIG阻尼特性影响不大。提出在DFIG RSC中附加混合次同步阻尼控制器(H-SSDC)来抑制SSCI的方法,仿真结果验证了其有效性。     

风电机组的次同步控制相互作用研究综述

大规模风电经固定串补线路送出时,风力发电机组可能会存在由于转子侧变流器与固定串补之间相互作用而引起的次同步振荡问题,称为次同步控制相互作用(SSCI)。SSCI是随着风力发电技术的快速发展而出现的一种新的次同步振荡现象,2009年在美国第一次发生并造成风电机组的损坏。阐述SSCI问题的由来,总结不同类型风力发电机组的SSCI特性,分析SSCI发生机理和参数特性,探讨SSCI分析方法以及抑制措施。最后,对本课题的研究前景加以展望。     

基于无源控制的DFIG并网次同步控制相互作用抑制策略研究

为抑制双馈感应发电机(doubly-fed induction generator, DFIG)风电场与串补输电线路间次同步控制相互作用(sub-synchronous control interaction, SSCI),提出基于改进无源控制的SSCI抑制策略。首先,分析了DFIG并网中SSCI发生机理,发现转子侧变流器双环PI控制对SSCI影响较大,可对PI控制进行改进以抑制SSCI。其次,基于DFIG欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange, EL)模型和无源理论,设计转子侧无源控制器,通过计算稳定状态点,注入阻尼抑制SSCI。为提高抑制能力,采用带通滤波器改进无源控制,通过保持输入信号稳定提升控制器性能。最后,给出小干扰分析和时域仿真分析结果,并与PI控制和常规无源控制对比,验证所提策略在串补度变化和风速变化时的抑制效果。     

双馈风电机组经串补并网的振荡模式分析

大规模风电经串补并网系统存在稳定性问题,为全面分析双馈风电机组(DFIG)经串补并网系统的振荡模式,建立了双馈风电机组经串补并网详细的状态空间模型。采用小信号分析法计算系统26阶状态矩阵特征值、阻尼比,基于模态频率和参与因子分析,甄别出待研系统的主要振荡模式。结果表明,该系统主要有高频振荡模式、轴系主导的振荡模式、由固定串补与变频器相互作用引起的次同步控制相互作用(SSCI)模式。变频器PI参数对SSCI频率和阻尼具有一定的影响,其中电网侧变频器(GSC)内环PI参数起主导作用;SSCI的频率受串补度的影响较大,且振荡频率在串补模态频率附近。     

基于变流器改进控制的双馈风电机组SSO抑制方法

针对双馈风电机组经串联补偿电网运行时发生的次同步振荡问题,建立了双馈风电机组统一导纳模型,并根据变流器控制特点,进一步研究了抑制次同步振荡的策略。基于d-q坐标系下双馈风电机组统一导纳模型,利用广义奈奎斯特判据分析了双馈风电串补输电系统次同步振荡的主要影响因素,研究了在转子侧变流器上采用定子电流扰动反馈,在网侧变流器上利用网侧变流器电流扰动反馈的附加阻尼控制策略。比较分析了在转子侧变流器和网侧变流器上同时附加阻尼控制对次同步振荡的抑制效果,结果表明同时附加阻尼控制在串补度较高的情况下也能抑制次同步振荡。最后,通过仿真验证了所建模型及理论分析的正确性。     

双馈风电场次同步控制相互作用的分数阶滑模抑制策略

针对双馈风电场接入串补输电系统,提出一种可快速收敛的分数阶滑模控制策略以抑制次同步控制相互作用并增强控制系统鲁棒性。首先通过反馈线性化方法抵消双馈风电场固有的非线性;其次设计分数阶滑模控制策略并应用于网侧变流器控制回路,利用分数阶微积分算子所增加的自由度实现系统快速收敛;最后通过非线性时域仿真和实物仿真检验抑制效果。结果表明:所设计的分数阶滑模控制策略有效改善了次同步频率范围内的系统阻尼,能在不同工况下实现对次同步控制相互作用的有效抑制,使系统快速恢复稳定,并加强系统对参数摄动的鲁棒性。     

基于事件触发的DFIG次同步附加阻尼控制方法

为快速、准确判断和有效抑制双馈感应发电机(double fed induction generator,DFIG)并网经串补输电系统送出发生的次同步控制互作用(sub-synchronous control interaction,SSCI)问题,首先分析了DFIG经串补送出系统SSCI的作用路径,并经数学推导给出了SSCI发生判据。然后,基于该判据,进一步提出了一种基于SSCI事件触发的DFIG次同步附加阻尼控制方法,提出了适用于快速检测需求的次同步频率提取方法;引入了迟滞环节来解决电机参数不确定导致的误判问题,提高方法的鲁棒性;设计了相频特性平滑的带通滤波器,增强了控制方法对频率变化SSCI问题的适用性。最后,进行PSCAD/EMTDC仿真验证,结果表明所提控制方法能够在风速变化、串补度变化及风机参数不确定情况下较好地阻尼SSCI,且由于引入了SSCI事件判断机制,附加控制在未出现SSCI风险时退出运行,不影响风机变流器的主控制功能。与已有的附加阻尼控制方法相比,所提控制方法在较高串补度下仍然具有较好的抑制效果。     

多运行方式下风电机组变频器参与次同步相互作用的分析与抑制

大规模风电经串补线路进行远距离传送存在引发次同步相互作用的风险,系统运行方式、串补度及变频器控制参数为主要影响因素。采用概率法和模式分析相结合,分别在含双馈感应型和永磁同步型风电场系统中,研究多运行方式下风电串补系统的次同步相互作用。利用参与因子进行模式识别,研究了串补度对次同步振荡模式及概率稳定性的影响,引入概率灵敏度指标分析起主导作用的变频器PI控制参数,并基于风电机组变频器提出一种鲁棒抑制次同步相互作用的附加阻尼控制策略。仿真结果表明,双馈风电串补系统中易产生次同步控制相互作用,在网侧变频器加装鲁棒DFIG-PSS能实现其有效抑制,而永磁同步风电机组对这一相互作用具有免疫特性。     

双馈风电场经串补并网引起次同步振荡机理分析

双馈风力发电机通过串联补偿线路外送风电时,会出现由感应发电机效应(induction generator effect,IGE)和次同步控制相互作用(sub-synchronous control interaction,SSCI)引起的次同步振荡问题。为分析该问题,以给其抑制措施提供依据,建立了用于次同步振荡分析的双馈风力发电机模型,采用频率扫描法分析了 IGE 的机理和影响因素,从转子侧电流环的闭环控制角度推导分析了SSCI的机理和影响因素,并采用时域仿真法分别分析和验证了风速、串补度对IGE的影响及转子侧电流环控制参数对SSCI特性的影响。研究结果表明：串补度的增加和风速的减小会引起IGE;电流环控制器比例系数和积分系数的增大会引起SSCI。     

双馈风电机组并网次同步振荡研究

首先基于次同步振荡理论,研究了双馈风电机组在弱电网并网情况下的机组脱网问题。研究发现,输电线路的串补投入和变流器控制策略对低频振荡敏感的因素导致了次同步振荡的发生;然后提出一种在网侧变流器中加入带阻尼特性的特定滤波器策略,该策略能够有效抑制风电机组与电网之间的振荡;最后,仿真结果验证了该方法的有效性。     

永磁同步发电机与Boost斩波型变换器非线性速度控制

直驱式永磁同步风电系统电机侧变换器的一种常见拓扑结构为二极管整流桥后接Boost斩波电路。此结构具有较强的非线性,采用普通PI控制器很难使系统在正常运行范围内保持较好的动态性能。针对其非线性特性,分区间建立了发电机与变换器整体非线性数学模型,在单区间内采用输入-输出反馈线性化方法将非线性系统转换为线性系统,在此基础上设计了转速最优控制器。该设计方法数学转换过程较为简单,参数整定方法较为成熟,且不同区间内线性控制器的参数相同。通过一套3kVA的实验系统,验证了该方法能明显改善系统动态性能,对此类风电系统电机侧变换器控制策略的设计具有一定的参考价值。     

基于反馈线性化的风力机变桨距最优跟踪控制

依据双馈风力发电机组二阶数学模型,研究风电机组在高于额定风速时的输出功率恒定问题;应用反馈线性化及最优控制理论,给出风机状态变量反馈线性化控制律的形式;在定义跟踪误差的基础上,设计出最优跟踪控制器。利用Matlab/Simulink仿真软件搭建仿真平台,验证所设计控制器的正确性和有效性。与传统的PI（比例积分）变桨距控制相比,在随机风、突变风及渐变风下,所设计的变桨距最优控制器都能够较好地保持输出功率基本恒定,具有较强的鲁棒性。     

背靠背四象限变流器的控制系统设计

介绍了背靠背四象限变流器控制系统的设计方案.整个控制系统由上层功率控制策略和底层PWM控制构成.在建立了背靠背四象限变流器在两相同步旋转坐标系下动态模型的基础上,提出了基于反馈线性化的非线性解耦控制器,并为背靠背两侧变流器分别设计了定直流电压和定有功、无功功率控制器.底层控制方面,设计了基于FPGA的空间矢量调制脉冲发生器.FPGA接收来自DSP的PWM控制参数,用于脉冲信号发生.最后给出了整个控制系统的硬件结构,并在30kVA/380V背靠背物理样机上进行了试验验证.     

单电感双输出Boost变换器的复合控制方案

为减小单电感双输出Boost变换器的交叉调节,提出一种复合控制方案。建立变换器仿射非线性数学模型,基于微分几何理论证明所建模型满足精确反馈线性化条件,构造出相应输出函数实现系统的线性化和解耦,进而分别为线性系统设计内模控制器和状态反馈控制器,并对满足控制系统稳定要求的反馈系数选取进行分析。与现有控制方法进行仿真比较,结果表明,所提控制方案具有更好的动态调节特性、更优的控制性能和更小的交叉调节。实验结果进一步验证了所提控制方案的可行性。     

基于STATCOM的风电场SSCI附加阻尼抑制策略

针对双馈型风力发电机经含固定串补的线路接入系统后发生的次同步控制互作用(SSCI)现象,文中提出一种基于静止同步补偿器(STATCOM)的附加阻尼控制器(SDC),推导了计及SDC时STATCOM的导纳模型,分析了其等效导纳的特点。结果表明,SDC增大了STATCOM在谐振频率处的等效导纳,使得STATCOM能够吸收系统中的振荡能量,增加了系统的阻尼。研究了SDC参数对阻尼特性的影响,包括移相角和比例增益,同时,给出了SDC反馈信号和STATCOM安装位置优化、选择的方案。理论分析和PSCAD/EMTDC仿真验证表明,基于STATCOM的SDC可以有效地抑制次同步控制相互作用,提高系统的稳定裕量。     

电压源换流器高压直流输电系统的精确线性化变结构控制器设计

建立电压源换流器高压直流输电系统在同步旋转dq坐标系下的暂态非线性数学模型。为实现对这个非线性系统的控制器的直接设计,采用状态反馈精确线性化的方法,将非线性的数学模型转化成线性的形式。然后,运用变结构的控制方法,设计整流侧和逆变侧的控制器,从而实现直流侧电压恒定和有功、无功功率的独立解耦控制。最后,建立Matlab的仿真模型进行仿真分析,仿真结果表明所设计的控制器具有良好的暂态控制性能和较强的鲁棒性。     

DFIG网侧变换器反馈线性化与滑模控制

为了提高双馈风力发电机(DFIG)网侧变换器(GSC)的动态性能,在建立GSC仿射非线性模型基础上,提出一种非线性复合控制策略。该控制策略在静止坐标系下对电流进行反馈线性化解耦,无需电网电压定向,同时电压外环采用含饱和函数的滑模控制,从而达到直流母线电压快速恒定以及电流跟踪控制的目的。仿真结果表明,该控制实现了GSC的稳定以及功率因数控制,验证了理论的正确性。上述控制策略相较于传统的控制方式,减少计算变量,能够保证系统快速收敛。     

轻型直流输电系统的不对称故障控制策略

基于电压源变流器(voltage source converter,VSC)的轻型直流输电(VSC-HVDC)正成为一种经济灵活的新型输电方式。但是当交流系统发生不对称故障时,系统中存在的负序分量在脉宽调制(pulse width modulation,PWM)的作用下会产生大量的非特征谐波,并严重恶化VSC- HVDC系统的控制性能。文章在换流站正序模型的基础上建立了系统的负序模型,提出一种基于精确反馈线性化理论的正负序电流非线性控制器,并针对系统故障时出现的直流过电压问题设计了2种应对策略。在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下对上述控制策略进行了仿真验证,达到了预期的控制效果。