直驱风机机网侧变流器统一建模及其弱电网下稳定性研究

随着电网中风电占比不断攀升,弱电网下风电并网的稳定性问题愈加受到关注。针对风电并网的稳定性问题,现有研究常常将机侧和网侧解耦,分别对两侧进行简化分析其稳定性,但从时间尺度的角度来看,机侧和网侧动态是存在耦合的,现有的建模忽略了这一耦合。文章针对弱电网下风电并网的稳定性问题,建立机侧和网侧变流器控制的统一模型,并给出了考虑机侧和网侧变流器控制的稳定性分析方法,对比传统的阻抗分析方法,文章采用的分析方法更加精确,最后利用simulink仿真对分析结果进行了验证。     

弱电网下VSC型电力电子设备外环增强阻尼控制策略

宽频振荡是高比例新能源电力系统中的一个重要问题,截至目前,振荡的分析和抑制仍然是研究热点.首先,基于电压源型换流器(voltage source converter,VSC)接入弱交流电网时的单输入单输出(single-input single output,SISO)传递函数模型,分析了低频振荡频率的影响因素和振荡阻...     

弱电网下永磁风机网侧变流器频率耦合效应关键作用因子评估及控制对策

研究了弱电网背景下直驱风电机组网侧变流器并网电流频率耦合效应产生机理及其抑制对策.通过建立考虑电网阻抗及直流电压外环、锁相环等不对称控制环节影响的网侧变流器等效阻抗以及能够直观反应频率耦合效应的耦合导纳模型,分析了各关键作用因子对频率耦合效应的影响,并基于等效阻抗频率特性曲线分析了弱电网条件下频率耦合效应对系统稳定性产...     

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...     

永磁直驱风电系统网侧换流器混合控制策略研究

针对永磁直驱风电系统网侧换流器模型存在非线性和强耦合的特点,提出了一种非光滑控制和反推控制相结合的混合控制策略。在dq两相同步旋转坐标系下建立网侧换流器非线性数学模型,采用非光滑控制理论和反推控制方法分别设计了外环直流电压控制策略和内环电流控制策略。在外环控制方面,通过结合非光滑理论的有限时间控制方法和扩张状态观测器(extended state observer,ESO)对于系统扰动的估计作用,设计了直流电压控制器。在内环控制方面,采用附加扰动补偿的反推控制方法进行设计,利用扩张状态观测器对外部扰动造成的系统内环不确定因素进行估计,将估计量引入到反推迭代控制律的设计中进行补偿,通过选择合适的Lyapunov函数,推导出内环电流反推控制律,使内环系统满足Lyapunov渐近稳定条件。仿真结果表明,与常规的PI线性控制策略相比,所提混合控制策略能够有效提高永磁直驱风电系统在电网扰动时的并网动态特性。     

弱电网下VSC的多维度建模及稳定性分析

为研究弱电网下电压源型变换器(voltage source converter,VSC)的稳定性,建立了 3个维度下的小信号阻抗模型,具体为从交流侧维度建立的多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)模型、从直流侧维度建立的单输入单输出(single input single...     

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。     

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。     

基于重复和准比例谐振复合的直驱风机网侧变流器控制策略

为了提高电网电压不平衡及畸变条件下永磁直驱同步风电机组的运行性能,提出了一种基于重复控制与准比例谐振控制复合的直驱风机网侧变流器控制策略。该控制策略根据电网电压不平衡条件下变流器控制目标得到电流指令值,在两相静止坐标系下利用复合控制,实现对基频电流的无静差跟踪,并抑制交流电网谐波的干扰。在提出控制系统详细框图的基础上,对各个控制环节的设计方法进行了研究,并评估了控制效果。仿真结果表明,该控制策略在电网电压不平衡及畸变的工况下,能有效抑制有功功率波动,降低电流谐波畸变率,验证了策略的正确性。     

弱电网直驱风机低电压穿越特性及其对机端暂态电压的影响

新能源常通过特高压交/直流输电系统送出,新能源汇集送端电网配套火电机组少,电网强度弱,直流闭锁或交流严重短路故障后的暂态过电压易引发风电脱网.该文基于典型电压穿越策略建立永磁直驱风机(permanent magnet synchronous generator based wind generator,PMSG)并网模...     

双馈风电机组的虚拟同步控制及弱网运行特性分析

采用传统矢量控制的风电机组对外表现为电流源特性,大型风电机组在接入配电网环境时容易引发电压失稳、缺乏惯量等问题。为此,研究了基于虚拟同步风电机技术的双馈风电机组控制方法。在详细分析影响并网点电压因素的基础上,研究电网等效阻抗对静态电压稳定性的影响。给出一种虚拟同步控制下双馈风电机组并网频率、电压的调节方案。研究结果表明,相对矢量控制方法,虚拟同步控制的双馈风电机组在弱电网下具有良好的电压稳定性。此外,该控制方法在降低机端电压冲击以及提供电网频率支撑等方面具有明显优势。仿真结果验证了所给虚拟同步控制策略的可行性和有效性。     

基于混合势函数的永磁同步风力 发电机暂态稳定性分析

永磁同步发电机(permanent magnetic synchronous generator, PMSG)作为海上风力发电的主要设备,是风电技术的重要发展方向。然而,PMSG在运行过程中,受到大扰动干扰会导致其暂态稳定性下降。因此,针对PMSG风机大扰动下的暂态稳定性阈值难以判定的问题,本文基于混合势函数理论,建立了PMSG风机系统简化后的混合势函数模型,并推导出PMSG风机在大扰动后的暂态稳定判据。通过仿真后的网侧电流波形和网侧功率波形验证了暂态稳定判据的准确性,并调整各参数数值以分析PMSG风机暂态稳定性与风机参数、故障深度、故障时间和风速的关联性。     

直驱永磁同步风电机组在全风速范围内的控制策略研究

为实现直驱式永磁同步风电机组在全风速范围内的高效、稳定运行,提出了一种基于最优转速给定的最大功率点跟踪控制策略与一种变桨距控制策略。当风速波动时,发电机转子转速的参考值将根据风电机组运行状态的不同选择不同的计算方式,使得风力机功率系数最大或稳定在额定转速不超速。而桨距角的大小将根据发电机的输出功率变化,当输出功率小于额定值时保持为0,大于额定值时增大使得输出功率稳定在额定值附近。最大功率点跟踪控制系统及桨距角控制系统都以发电机的输出功率大小作为控制方式的切换条件,无需复杂的切换规则。在Matlab/Simulink仿真平台上全风速范围内的风电机组的运行结果验证了所提出的控制策略的正确性与有效性。     

虚拟同步发电机输出阻抗建模与弱电网适应性研究

研究了弱电网条件下虚拟同步发电机-电网互联系统的交互稳定性。在考虑主电路参数、控制参数等因素影响的基础上,提出一种dq旋转坐标系下虚拟同步发电机的输出阻抗模型,并推导其解析表达式。分析了该输出阻抗的频率特性,得出虚拟同步机在弱电网下运行易失稳的结论。基于广义奈奎斯特判据研究电网强度及功率环控制参数对虚拟同步机运行稳定性的影响,以此为依据提出一种基于增大有功环参数的虚拟同步机致稳控制方法,从而提高其弱电网运行的适应性。基于RTDS的硬件在环仿真平台进行仿真计算,验证了理论分析的正确性。     

弱电网下电压源型逆变器锁相环的改进

弱电网并网运行时会产生谐波干扰以及电网电压频率波动等问题,导致逆变器输出电流谐波失真。弱电网并网环境对锁相环(Phase Locked Loop, PLL)的性能提出了更高的要求。针对弱电网下并网逆变器的控制要求,在分析并网电压源型逆变器(Voltage Source Converter, VSC)控制模型基础上,提出一种弱电网下PLL的优化方案。该方案采用超前补偿器补偿平均滑动滤波器(Moving Average Filtering, MAF)的相位延迟以提高系统的动态响应;引入前馈频率估计环,提高系统在电网电压频率偏差较大时的锁相精度,仿真验证改进的PLL的有效性。建立并网VSC系统实验平台对文中所述改进方法进行验证。实验结果表明,经PLL改进后的VSC系统在弱电网条件下具有良好的鲁棒性,逆变器入网电能质量得到了保证。     

弱电网下基于谐波状态空间模型的光储-虚拟同步发电机稳定性分析与优化控制研究

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)技术因提供阻尼和惯量而被广泛用于新能源并网逆变器。光储并入弱电网易发生频率耦合等问题,因而VSG并网稳定性分析变得更加复杂。针对光储并入弱电网系统,考虑频率耦合,在dq域中建立基于谐波状态空间(harmonic state space, HSS)理论的多时间尺度虚拟同步发电机模型。采用归一化参数灵敏度分析法,揭示功率环、电压环和低通滤波中虚拟惯量J、虚拟阻尼Dp、下垂系数Ku、比例系数kpu和截止频率ωc等关键控制参数根轨迹的特性和电网强度对系统稳定性的影响。并通过调整优化控制参数,提高系统稳定性。最后在Matlab/Simulink仿真平台验证谐波状态空间模型精确度和关键参数根轨迹特性。     

极弱电网下直驱风电并网变流器小信号建模及稳定性运行策略分析

极弱电网下,直驱风电并网变流器各控制环路动态交互、满功率运行会改变并网点电压,导致不能稳定运行。对此,建立了考虑控制延时环节的全阶状态空间小信号模型,并采用特征值分析方法分析系统稳定性。研究表明系统稳定性随电网强度降低呈非线性变化,存在不连续稳定区间,且控制延时对不同振荡模式的阻尼比影响也呈非线性,部分阻尼比变大,部分阻尼比变小;同时,得到了参与电压、电流和锁相环之间交互作用的主导状态/控制变量,其参与度随电网强度减弱而加剧,进一步分析了各控制器参数对系统稳定性的影响规律,拉开控制带宽,避免频带交叠,将有助于提高系统稳定性;通过对比分析直驱风电系统在定交流电压控制和电压下垂控制下的适用性,发现定交流电压控制更适合极弱电网工况。通过MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的正确性。     

Approximate Model-Free Assessment of Oscillation Stability Determined by the PLLs in a Weakly Grid-Connected Wind Farm with Multiple PMSGs

Abstract

The study investigates the oscillation stability determined by phase locked loops (PLLs) in a weakly grid-connected wind farm with multiple permanent magnet synchronous generators (PMSGs). To this end, an equivalent model of the wind farm is derived. Based on the derived equivalent model, the oscillation stability of the wind farm as determined by the dynamics of the PLLs is analytically examined. This paper explains why the PLLs equipped by the PMSGs in the wind farm can lead to instability risk under the condition of weak grid connection. A simple index is proposed to approximately assess instability risk of the wind farm due to the PLLs. The parametric model of the wind farm with the PMSGs is not necessary to calculate the proposed simple index. Hence, it is model-free and applicable in practice when it is difficult to establish the parametric model. An example of a grid-connected wind farm with 12 PMSGs is presented to evaluate and demonstrate the analysis conducted and the simple index proposed in the paper.