风电机组直流电压控制尺度的幅相运动方程建模及其稳定性分析应用

发布时间：2020-10-14 15:38

　　 为了应对国家能源安全、环境保护以及国际气候变化的需要,我国风力发电正取得快速发展。尤其在我国“三北”(华北、东北和西北)地区,风力发电的渗透率已达到较高水平,并逐步成为主要电源之一。风电机组作为典型的电力电子变换装备,其不同于传统同步机组的装备特性为风电并网电力系统的安全稳定运行带来了众多新的动态稳定问题。其中,与装备直流电容间的能量交换和积累密切相关的新型动态稳定问题,本文称之为直流电压控制尺度动态稳定问题。针对风电并网系统中由风电机组直流电容和相关控制所主导的直流电压控制尺度动态稳定问题,在小扰动稳定方面,目前的研究主要集中在单机场景;而在暂态稳定方面,少有的研究仅考虑了某一特定的控制环路。为了将以上稳定分析工作扩展到风电机组的多机场景与完整控制结构,本文从力学等效视角出发,运用幅相运动方程的建模方法在小扰动和暂态条件下分别建立了专门用于描述风电机组直流电压控制尺度外特性的幅相运动方程小扰动和暂态模型。并基于以上模型,分别在典型风电并网系统的直流电压控制尺度小扰动和暂态稳定性分析中进行了有效应用。具体内容包括:(1)介绍了风电机组主流机型(即直驱和双馈风机)的序贯控制特点,并根据储能元件及相应控制器的响应速度,将风机装备特性在时间尺度上划分为交流电流控制尺度、直流电压控制尺度(约0.1s量级)和转子转速控制尺度三类。据此,引出风电并网系统的多时间尺度动态稳定问题,并讨论了其与风机多时间尺度装备特性间的关系,指出认识风机装备特性(即风机建模)是分析风电并网系统动态稳定问题的基础。重点围绕风电并网系统的直流电压控制尺度动态稳定问题,详细阐述了其内涵与挑战。(2)为了考虑多机间的直流电压控制尺度动态相互作用,尤其是在弱电网环境,运用幅相运动方程的建模方法分别建立了描述直驱和双馈风机直流电压控制尺度外特性的幅相运动方程小扰动模型。首先,诠释了幅相运动方程建模方法的基本概念与思路。然后,通过综合考虑风机在直流电压控制尺度下的复杂控制作用,建立了其以内电势不平衡有功、无功功率作为输入,内电势相位、幅值作为输出的小信号运动方程模型。该模型可清晰反映风机在直流电压控制尺度下的动力学特性(如等效惯量和阻尼系数等),且仅与风机自身参数相关,独立于外部电网,可方便扩展到多机系统的建模。最后,解释了风机直流电压控制尺度幅相运动方程小扰动模型的物理含义,并通过对比其与原始详细模型的特征根,验证了所建模型的正确性和适用性。(3)介绍了基于自稳和致稳概念来分析不同对象间动态相互作用及其对系统稳定性影响的一般化思路。运用该思路和所建立的风机幅相运动方程小扰动模型,分别分析了单风机并网系统、多风机并网系统和风机经直流输电并网系统中,风机内电势相位与幅值运动间、不同风机间和风机与直流输电间的直流电压控制尺度动态相互作用,及其不同因素对各自系统直流电压控制尺度小扰动稳定性的影响规律。其中,以单风机并网系统的分析为基础,详细介绍了将多机系统分析等效转化为等值单机系统分析的步骤与方法。该方法不局限于本文所应用的风电并网场景,对其他类型电力电子变换装备(如光伏发电、FACTS装置等)的多机并网场景也同样适用。(4)计及风机在直流电压控制尺度下的完整控制结构,并保留其非线性环节,分别建立了专门描述直驱和双馈风机直流电压控制尺度暂态特性的幅相运动方程暂态模型。该模型刻画了风机内电势有功、无功功率和内电势相位、幅值间的输入输出动态关系,可帮助电气工程师像理解熟悉的同步机一样来理解风机的直流电压控制尺度暂态特性。通过对比不同类型扰动下风机幅相运动方程暂态模型与原始详细模型的时域仿真波形,验证了所建模型的正确性。在幅相运动方程视角下,归纳总结了风机暂态模型不同于同步机经典模型的高阶、不对称和耦合特征。并在以上不同特征基础上,具体分析了风机内电势状态对不同功率扰动的开环暂态响应特性。同时,讨论了风机开环暂态特性在风电并网系统闭环暂态分析中的意义。(5)在不同风电并网场景中,发现了风机内电势相位在直流电压控制尺度暂态过程中可能出现类似于同步机暂态功角失步的单调失稳现象。基于所建立的风机幅相运动方程暂态模型,并通过引入“动态齿轮箱”的概念来抽象理解其相位运动,揭示了以上单调失稳现象的产生机理,即当内电势相位仍在增长时,风机输出功率P与输入功率P_(in)间的关系从对相位运动的制动作用(PP_(in))反而又重新转变为对相位运动的驱动作用(PP_(in))。借鉴EEAC理论,给出了基于受扰轨迹衡量风电并网系统暂态稳定程度或失稳程度的方法。该方法可一定程度量化不同因素对系统暂态稳定性的影响程度。据此,分别分析了交流电网强度和风机各控制参数对风电并网系统直流电压控制尺度暂态稳定性的影响规律,并基于机理认识对分析结果的合理性作出了物理解释。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315
【文章目录】：
摘要
Abstract
变量和符号索引
1 绪论
    1.1 课题研究背景
        1.1.1 我国能源与环境问题
        1.1.2 风力发电大力发展
    1.2 课题研究的问题
        1.2.1 风电并网电力系统出现直流电压控制尺度动态稳定问题
        1.2.2 风电机组的建模是分析系统直流电压控制尺度动态稳定问题的基础
    1.3 课题研究现状
        1.3.1 风电机组的小扰动建模
        1.3.2 风电机组的暂态建模
        1.3.3 风电并网系统的小扰动稳定性分析
        1.3.4 风电并网系统的暂态稳定性分析
    1.4 本文研究思路与各章节安排
        1.4.1 研究思路
        1.4.2 文章架构
2 风电机组的多时间尺度特征与风电并网系统的直流电压控制尺度动态稳定问题
    2.1 引言
    2.2 风电机组的典型控制系统
        2.2.1 风力机控制
        2.2.2 机侧变换器控制
        2.2.3 网侧变换器控制
        2.2.4 硬件保护电路
    2.3 风电机组的多时间尺度特征
    2.4 风电并网系统的直流电压控制尺度动态稳定问题
        2.4.1 电力系统装备动态特性与系统动态稳定问题间的关系
        2.4.2 风电并网系统的多时间尺度动态稳定问题
        2.4.3 风电并网系统直流电压控制尺度动态稳定问题的内涵与挑战
    2.5 本章小结
3 风电机组直流电压控制尺度的幅相运动方程小扰动建模
    3.1 引言
    3.2 幅相运动方程的建模思路
        3.2.1 内电势：描述装备特性的统一视角
        3.2.2 运动方程的基本概念
        3.2.3 内电势幅相运动方程的建模方法
    3.3 直驱风机基于幅相运动方程的直流电压控制尺度小扰动建模
        3.3.1 直驱风机直流电压控制尺度动态的小扰动线性化处理
        3.3.2 端电压信息的检测等效替换为直接感受输出功率的变化
        3.3.3 直驱风机不计相位-幅值支路内部耦合的相位运动方程
        3.3.4 直驱风机不计相位-幅值支路内部耦合的幅值运动方程
        3.3.5 直驱风机计及相位-幅值支路内部耦合的幅相运动方程模型
    3.4 双馈风机基于幅相运动方程的直流电压控制尺度小扰动建模
        3.4.1 双馈风机直流电压控制尺度等效内电势的定义
        3.4.2 双馈风机直流电压控制尺度动态的小扰动线性化处理
        3.4.3 双馈风机线性化框图等效变换为与直驱风机形式一致
        3.4.4 双馈风机计及相位-幅值支路内部耦合的幅相运动方程模型
    3.5 风电机组直流电压控制尺度相位运动方程的物理解释
    3.6 风电机组的小扰动模型验证
        3.6.1 直驱风机幅相运动方程模型与原始详细模型的特征根对比
        3.6.2 双馈风机幅相运动方程模型与原始详细模型的特征根对比
    3.7 本章小结
4 风电并网系统直流电压控制尺度的多机动态相互作用与小扰动稳定性分析
    4.1 引言
    4.2 基于自稳和致稳概念的相互作用与稳定性分析思路
    4.3 单风机并网系统的直流电压控制尺度小扰动稳定性分析
        4.3.1 端电压控制对单风机并网系统小扰动稳定性的影响
        4.3.2 直流电压和锁相控制对单风机并网系统小扰动稳定性的影响
    4.4 多风机并网系统的直流电压控制尺度小扰动稳定性分析
        4.4.1 多风机系统动态相互作用与稳定性分析的基本思路与步骤
        4.4.2 多机并网系统的分析举例：两机并网系统
    4.5 风机经直流输电并网系统的直流电压控制尺度小扰动稳定性分析
    4.6 本章小结
5 风电机组直流电压控制尺度的幅相运动方程暂态建模与特性分析
    5.1 引言
    5.2 直驱风机基于幅相运动方程的直流电压控制尺度暂态建模
        5.2.1 内电势合成环节的处理
        5.2.2 端电压信息的检测等效替换为直接感受输出功率的变化
    5.3 双馈风机基于幅相运动方程的直流电压控制尺度暂态建模
        5.3.1 等效内电势合成环节的处理
        5.3.2 端电压信息的检测等效替换为直接感受输出功率的变化
    5.4 风电机组的暂态模型验证
        5.4.1 直驱风机的幅相运动方程暂态模型验证
        5.4.2 双馈风机的幅相运动方程暂态模型验证
    5.5 风电机组暂态模型对比同步发电机经典模型的不同特征
    5.6 风电机组内电势状态对不同功率扰动的暂态响应特性分析
        5.6.1 对输出有功功率扰动的开环暂态响应特性
        5.6.2 对输入有功功率扰动的开环暂态响应特性
        5.6.3 对输出无功功率扰动的开环暂态响应特性
    5.7 风电机组开环暂态特性对风电并网系统闭环暂态分析的意义
    5.8 本章小结
6 风电并网系统直流电压控制尺度的暂态稳定性及其影响因素分析
    6.1 引言
    6.2 风电机组直流电压控制尺度下的暂态相位单调失稳现象
    6.3 风电机组暂态相位单调失稳的机理分析
        6.3.1 相位运动的摆次
        6.3.2 相位摆动过程中单调发散的机理分析
    6.4 基于受扰轨迹衡量风电并网系统暂态稳定/失稳程度的方法
        6.4.1 摆次稳定性及其与风电并网系统暂态稳定性的关系
        6.4.2 衡量风电并网系统暂态稳定/失稳程度的方法
    6.5 风电并网系统直流电压控制尺度暂态稳定性的影响因素分析
        6.5.1 电网强度对风电并网系统暂态稳定性的影响
        6.5.2 端电压控制对风电并网系统暂态稳定性的影响
        6.5.3 锁相控制对风电并网系统暂态稳定性的影响
        6.5.4 直流电压控制对风电并网系统暂态稳定性的影响
        6.5.5 不同因素对风电并网系统暂态稳定性影响规律的物理解释
    6.6 本章小结
7 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 主要创新点
    7.3 未来工作展望
致谢
参考文献
附录1 攻读学位期间发表的论文目录
附录2 攻读学位期间参与的主要科研项目

【参考文献】

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1 汤蕾;沈沉;张雪敏;;大规模风电集中接入对电力系统暂态功角稳定性的影响(二):影响因素分析[J];中国电机工程学报;2015年16期

2 汤蕾;沈沉;张雪敏;;大规模风电集中接入对电力系统暂态功角稳定性的影响(一):理论基础[J];中国电机工程学报;2015年15期

3 张宝群;张伯明;吴文传;;基于小干扰稳定的双馈感应电机电磁模型降阶分析[J];电力系统自动化;2010年10期

4 王忱;石立宝;姚良忠;王黎明;倪以信;;大规模双馈型风电场的小扰动稳定分析[J];中国电机工程学报;2010年04期

5 迟永宁;王伟胜;刘燕华;戴慧珠;;大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响[J];电力系统自动化;2006年15期

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1 殷明慧;轨迹稳定性与时变因素分析[D];南京理工大学;2008年

2 潘学萍;基于EEAC理论分析受扰轨迹的时变非线性动态模式[D];浙江大学;2008年

本文编号：2840859