【摘 要】
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近年来,风电机组及其电力电子控制与交/直流电网之间动态相互作用引发的新型次同步振荡严重威胁电网的安全运行机制并制约风电的充分消纳,成为电力工业面临的重大技术难题。我国新疆哈密风电基地发生过严重的次同步振荡事件,造成大量风机异常脱网。针对风电次同步振荡这一新型稳定问题,本文重点研究其建模、分析与控制三方面关键问题,主要研究内容及创新性工作包括:1)基于机理推导的直驱式风电场的复转矩模型构建方法;2)
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近年来,风电机组及其电力电子控制与交/直流电网之间动态相互作用引发的新型次同步振荡严重威胁电网的安全运行机制并制约风电的充分消纳,成为电力工业面临的重大技术难题。我国新疆哈密风电基地发生过严重的次同步振荡事件,造成大量风机异常脱网。针对风电次同步振荡这一新型稳定问题,本文重点研究其建模、分析与控制三方面关键问题,主要研究内容及创新性工作包括:1)基于机理推导的直驱式风电场的复转矩模型构建方法;2)基于复转矩模型的次同步振荡稳定性定量分析方法3)抑制次同步振荡的风电机组变流器控制方法。（1）在直驱风电场建模方面,提出了考虑全阶控制的风电机组复转矩建模方法,阐明了只有考虑内外环控制的复转矩模型才能用于次同步振荡的精准定量分析。进而,针对系统主导振荡模式,基于复转矩系数法,将直驱风电机组分为直流电容部分与电气控制部分,提出了直驱风电场的复转矩模型,推导电气控制部分的阻尼-转矩解析表达式,从阻尼角度分析系统次同步振荡产生的机理。（2）在次同步振荡分析方面,基于阻尼系数小于0判断系统稳定性,并分析电网强度、运行工况、控制参数对系统阻尼特性的影响规律,并通过搭建时域仿真验证了分析结果的正确性;针对于多个风电场之间的耦合作用,将所提出的直驱风电场联网的复转矩模型推广至多个风电场间的耦合作用的建模,指出各个风电场之间通过电网阻抗耦合在一起,单一风电场的运行特性不仅与其自身运行工况、控制参数相关,还与其他风电场的运行工况、控制参数相关。传统复转矩系数法与由于风电机组的机侧振荡传递量较小,传统复转矩系数法难以精准求取阻尼系数,而阻抗分析法所得到为二维矩阵,难以对系统失稳程度进行定量刻画。本文所提出的复转矩系数法具有良好的实用性。（3）在次同步振荡控制方面,次同步陷波器通过滤除控制器中的次同步分量以破坏次同步振荡的产生路径、抑制次同步振荡。针对所搭建的仿真模型的次同步振荡频率分布情况,设计了次同步陷波器的参数,并依据此前所建立的复转矩模型,对其嵌入次同步陷波器,从阻尼视角分析其抑制振荡的有效性,并通过电磁暂态仿真验证。同时,基于相位补偿原理,选取网侧变流器的输出d轴电流id作为附加阻尼控制器的输入信号,同时,基于改进的粒子群优化算法,按照阻尼最大化目标,对阻尼控制器参数进行优化。并依据此前所建立的复转矩模型,引入附加阻尼控制器,由伯德图及电气阻尼特性图可知,基于前述稳定判据,此时系统处于稳定状态。在工况变化、电网强度变化及控制参数变化时,研究阻尼控制器的参数适应性,并通过电磁暂态仿真验证其有效性。
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