电网故障持续期间双馈风力发电机并网系统小信号建模与分析研究

发布时间：2020-11-09 21:52

　　 并网导则要求风电场在故障持续期间响应无功电流支撑电网电压以协助电网恢复。风机并网系统在故障持续期间的稳定性既是可靠响应无功电流的内在要求,也是故障穿越后续阶段逐步恢复有功出力的基础,因而十分重要。并网系统的稳定性与电网条件密切相关,然而现有风机装备故障穿越控制策略的设计和研究一般基于并网点为强电网的条件,未充分考虑大规模集中式开发、远距离输送等风电开发模式下长输电线路具有显著阻抗这一实际因素。随着风电渗透率进一步提高,现有风机并网系统在故障持续期间的失稳风险未能得到充分评估,且已有研究未考虑一般性的不对称故障工况。故障持续期间可长达数百毫秒乃至数秒,并网风机系统电磁暂态量已近于完全衰减,可采用小信号方法研究其稳定性。相比同步发电机,基于电力电子技术的风机装备可提供更快的电流控制动态,该特性须在稳定性建模和分析中得到重视。本文基于深度对称/不对称故障场景,围绕高阻型弱电网条件研究计及电流动态双馈风力发电机并网系统在电网故障持续期间发生小信号中低频(约10-100 rad/s)失稳问题的机理,重点探索转子侧变换器控制参数的影响,努力为工程实践中故障穿越控制系统设计和进一步研究提供参考。具体内容包括:(1)基于一般化建模思路分别建立了故障持续期间双馈风力发电机装备和不对称故障网络计及电流动态的小信号模型。从外特性出发定义了双馈发电机装备计及电流动态的内电势和内电抗,在此基础上建立了双馈发电机装备的频域小信号模型;建立了不对称故障工况下故障网络计及电流动态的频域小信号模型;建立了不对称故障网络和双馈发电机装备计及电流动态的状态方程时域模型;基于并网系统频域模型指出了弱电网故障持续期间并网系统可能的小信号稳定问题的两个主要类型和相应研究思路。(2)基于弱电网对称故障场景,分析了深度故障持续期间双馈发电机并网系统受正序网络阻抗引入的正序锁相环-转子电流环相互作用影响在中低频段因阻尼不足发生第一类振荡失稳问题的机理。首先阐述了正序阻抗在并网系统内引入的正序锁相环-转子电流环相互作用;鉴于模态分析结果表明并网系统的弱阻尼模态是锁相环主导的,为量化该相互作用对锁相环的影响,基于复转矩系数法概念将该相互作用对锁相环相位运动的影响用阻尼系数和恢复系数量化;分析了各关键因素如何影响阻尼系数和恢复系数从而影响并网系统稳定性,揭示了弱电网深度对称故障期间并网系统因正序锁相环-转子电流环相互作用减弱了正序锁相模态的阻尼而发生第一类失稳问题的机理。(3)基于弱电网不对称故障场景,在确保正序子系统自身和负序子系统自身均充分稳定的前提下,分析了深度不故障期间双馈发电机装备受序间耦合网络阻抗引入的序间相互作用影响在中低频段因阻尼不足发生第二类失稳问题的机理。首先研究了发电机装备和故障网络的输入输出特性,明确了影响序间相互作用的关键因素;然后基于模态分析方法,得到了序间相互作用影响正、负序子系统的不同规律,并完成了序间耦合支路往负序的等效归算;接下来研究了双馈发电机装备和故障网络基本单元的输入输出特性与并网系统稳定性间的内在联系,并基于复转矩系数法概念定义了弱阻尼的正、负序耦合系统的阻尼系数和恢复系数,将序间相互作用对负序子系统稳定性的影响用阻尼系数和恢复系数的变化量予以量化。在此基础上,分析了不对称故障工况下影响序间相互作用的关键因素,揭示了弱电网深度不对称故障持续期间因序间相互作用减弱了负序锁相模态的阻尼而发生第二类失稳问题的机理。
【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】：TM614
【部分图文】：

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文远离电力负荷中心的地区，因此我国的风能资源与电力负荷需求呈现逆向分布的特点增加了开发利用的难度。从图 1-1 中各省级行政区的风电装机累计容量可以看到，内蒙古、新疆、甘肃、宁夏等行政区拥有巨大的风电装机容量。这些地区生产的风电已远远超过本地的电力负荷需求，无法在本地消纳，必须依赖高压输电线路将其远距离输送到华东地区等电力负荷中心。因此，与欧洲各风电大国分布式开发、就地消纳的一般情况不同，我国风电开发具有显著的集中式开发、远距离大规模输送特点[4]。

101102频率 (rad/s) 正序系统内基于复转矩概念的等效电气子系统 ke(s)伯德图宽的约束，锁相环 PI 调节器的比例系数和积分系环贡献的固有恢复系数取决于锁相环 PI 控制的积系数取决于锁相环 PI 控制的比例系数，因而固有定范围内变化。同样地，受电流环典型带宽的约束分系数也只在一定的范围内变化。由于等效电气子尼系数与电流环 PI 控制的比例系数密切相关，因系数和附加阻尼系数也均只在一定范围内变化。因参数设计范围和运行点变化范围以后，双馈风力发始终保持在我们感兴趣的数十 rad/s 的频段内。从，这说明了前文基于复转矩系数法概念整理锁相

结构如图 3-16 所示。该实验装置主要由原动机、原动机调速柜、双馈发电机、机侧变换器、直流电源等部分组成。主电路通过一个自耦变压器接入到动模实验室电网，通过调节自耦变压器的匝比来模拟电网对称故障期间的低电压。在升压变压器和自耦变压器间串入 20mH 的三相分立电感以产生 0.52p.u.的等效电抗以模拟对称故障期间的高阻网络。双馈发电装置由一台 20kW 的双馈异步电动机拖动，由调速柜控制运行在恒转速模式，可手动调节运行转速以模拟不同的发电机转速工况。机侧变换器由一台恒压直流电源供电，机侧变换器的控制结构与前文模态分析所依据的控制策略一致，在 dSPACE 中实现。dSPACE 通过一块专设的接口电路板件与实施控制策略所需的 AD采样电路板件、PWM 输出电路板件通讯，并通过 RJ45 接口与计算机实现人机交互。用电流钳和高压探头分别采集电流和电压信号并连接到 YOKOGAWA DL950 录波仪上作实时记录。双馈发电机、故障电网等主电路参数和控制系统参数等在表 3-2 中给出。
【参考文献】

相关期刊论文 前5条

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相关博士学位论文 前2条

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本文编号：2877012