逆变器并网系统中持续振荡问题的建模与产生机理分析

发布时间：2020-06-04 01:06

【摘要】：随着新能源发电容量的快速增长,大量的电力电子设备应用到电力系统当中,电力电子设备与电力系统相互作用可能产生振荡问题,并且振荡问题严重影响到新能源发电、高压直流输电等包含并网变流器的电力系统的安全稳定运行。新能源并网系统中的振荡问题,表现的振荡频率与系统基波频率或变流器开关频率无关。大多数振荡问题是突然出现,并且开始时振荡幅值发散,最终形成振荡幅值几乎不变的持续振荡现象,或者振荡幅值发散,直至触发系统保护,造成系统停机。阻抗分析方法分析表明小的正阻尼系统会激发振荡,但依据经典控制理论,含有正阻尼的系统是稳定的。而且现有文献尚未深入研究系统阻尼大小的衡量方法和持续振荡产生的机理。本文建立包含频率耦合非线性的阻抗模型描述变流器的端口输出特性,改进阻抗分析方法,衡量系统的阻尼大小,得到准确的振荡条件,进而提出一种持续振荡产生的机理,填补了阻抗方法研究持续振荡产生机理的空白。揭示负阻尼系统激发振荡,并研究由发散振荡变为持续振荡的机理。准确的阻抗分析方法和持续振荡机理的研究能够指导并网系统的设计,有利于提高系统的稳定性。与传统的先理论后仿真和实验的分析方法相比,本文先采用实验研究系统持续振荡过程,分析关键影响因素,再理论研究持续振荡的产生机理。针对持续振荡具有复杂的产生条件的特点,通过实验研究发现现有的阻抗分析方法不能准确分析振荡条件。利用实验平台重现持续振荡现象,发现系统从发散振荡逐渐稳定在持续振荡的过程,并发现振荡中存在频率耦合的现象,并且耦合分量不可忽略。与现有的阻抗矩阵和序阻抗建模方法不同,本文提出复变量表示的阻抗建模方法建立正负序频率统一的自导纳/阻抗和伴随导纳/阻抗模型,并准确描述锁相环的非线性特性。本文将逆变器系统等效成单输入双输出系统,建立两个阻抗模型描述系统的频率耦合特性,具有明确的物理意义。所建立的阻抗模型为分析系统的阻尼和振荡问题提供了分析基础。并针对带有不对称控制器、外环控制的逆变器,提出将不对称控制器分解为两个对称控制器叠加的建模方法,建立不对称控制器、外环控制的频域阻抗模型。提出基于自导纳和伴随导纳的能够衡量系统阻尼,准确判断振荡产生条件的改进的等效阻抗分析方法。采用带频率耦合的阻抗模型建立系统等效阻抗电路,将频率耦合引入的伴随导纳,与自导纳共同作用,获得含频率耦合的等效输出阻抗模型,进而采用奈奎斯特判据分析系统的相角裕量,相角裕量越大系统的正阻尼越大,进而衡量系统阻尼的大小,更为准确的判断系统振荡产生条件。结合实验研究发现,小的正阻尼系统也是稳定的,负阻尼系统激发振荡。揭示新能源发电系统持续振荡产生机理。振荡是由系统的负阻尼激发,产生发散的振荡,在振荡发散的过程中,负阻尼系统逐渐变为临界阻尼系统,最终形成持续振荡现象。通过建立稳态持续振荡的小信号模型,可以描述持续振荡特征,初步预测振荡的幅值。最后,考虑频率耦合影响,对常见的锁相环、不对称电流控制器和电压前馈控制,采用等效阻抗分析它们对系统阻尼的影响。在不同的控制中,考虑频率耦合的影响,得到更加准确的稳定裕量。在前面研究的基础上,优化锁相环参数、比例前馈设计和不对称电流控制的设计,适当提高系统阻尼,降低振荡风险。
【图文】：

波形数据,风场,电力电子设备,电力系统

大力建设输电线路通道，以满足“‘十三五’期间，新增‘西电东送’能力 1.3 亿千瓦，2020 年达到 2.7 亿千瓦。”的要求。无论是建设新能源发电场，还是建设输电线路通道，都需要大量的电力电备[6]。然而，电力电子设备又具有强非线性的特性，随着电力电子设备大规模到电力系统中，传统的电力系统行为特性变得更加复杂。电力电子设备与电互作用，导致实际工程中频繁出现振荡问题[7-11]，，即表现为电压、电流包含除之外的任意频率的电压或电流分量，或功率以任意频率波动的现象。处振荡义与电力系统振荡不完全一致，电力系统中的振荡是机组功角的摆动现象。2009年10月，美国德州Ajo双馈风电场经过含75%串联补偿的线路接入电网于电网故障，造成串补电容与 Type III 型风机相互作用引起 20Hz 左右的次同荡现象，系统电流振荡幅值甚至超过了 2.0 p.u.，造成大量风电机组脱网row-bar 电路的损坏[12-15]，风电场交流侧波形数据如图 1.1 所示。根RCTO(European Registry of Chronic Total Occlusion)的研究表明，振荡是由于双机的转子侧变频器控制与固定串补线路相互作用引起的[16,17]。

波形,振荡电流,风场,波形

图 1.2 纳米比亚-赞比亚柔性直流输电系统振荡波形 Oscillation waveform of Namibia-Zambia VSC-HVDC transmission德国北海 BorWin1 海上风电场多次发生持续的振荡，如电流有时高达基波电流的 30%以上，导致滤波电容烧毁造成巨大的经济损失[18]。时间/s有功功率压电流电A/率功/pu..无功功率
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM464

【参考文献】