双馈型风力发电变换器主回路杂散电感的影响和抑制
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双馈风力发电机轴电流的产生及抑制措施发表时间:2019-06-03T14:54:20.970Z 来源:《电力设备》2019年第2期作者:刘志强[导读] 摘要:轴电流会造成电机轴承的严重损坏,特别是对于采用变频器对转子绕组供电的双馈风力发电机,本文分析研究了轴电流产生的原因,并采用合理的措施,减少轴电流对轴承的影响,降低危害,确保双馈风力发电机可靠运行。
(三一集团有限公司北京分公司北京市 102202)摘要:轴电流会造成电机轴承的严重损坏,特别是对于采用变频器对转子绕组供电的双馈风力发电机,本文分析研究了轴电流产生的原因,并采用合理的措施,减少轴电流对轴承的影响,降低危害,确保双馈风力发电机可靠运行。
关键词:双馈风力发电机;轴电流 Abstract:Shaft current will cause serious damage to motor bearing, especially for the frequency converter is used for doubly-fed wind generator,this paper analyzed the reasons of the shaft current, and adopt reasonable measures to reduce the impact an the damage on bearing, to ensure reliable operation of doubly-fed wind generator Key words:doubly-fed wind generator;shaft current 前言风力发电以其清洁、无污染、建设周期短、运营成本低等优点,现已成为发展新能源和可再生绿色能源的重点领域。
而采用双馈发电机的风电机组由于具有可以方便地实现变速恒频、灵活地进行有功无功的独立调节、较小的转子励磁容量等优点,目前在风力发电行业得到广泛的应用。
双馈风电机组网侧变换器L2增益干扰抑制控制双馈风电机组是风力发电中的一种常用设计,它采用了双馈发电机的方案,并且在电网侧连接了一个变流器。
这种设计能够使风电机组更高效、可靠以及具有较好的低速控制性能,因此在风力发电领域得到了广泛应用。
然而,双馈风电机组也存在一些问题,其中一个主要的问题就是L2增益干扰。
由于变流器正常工作时必须产生一定的输出电压以及电流,因此即使系统中并没有故障,在高频范围内也会有一定的噪声和干扰。
而这些噪声和干扰往往会对整个系统的稳定性和性能造成影响,因此需要进行有效的抑制控制。
本文将对双馈风电机组网侧变换器L2增益干扰抑制控制进行详细讨论。
首先,将介绍双馈风电机组的基本原理及其组成部分。
然后,将详细论述L2增益干扰的原因和对整个系统带来的影响。
接着,介绍如何对L2增益干扰进行分析,并给出相应的抑制方法。
最后,将总结本文的主要内容,并探讨未来发展前景。
一、双馈风电机组简介双馈风电机组是一种采用了双馈发电机并且在电网侧连接了变流器的风力发电机。
双馈发电机由一台主发电机和一个副发电机组成,其中主发电机通常由三相绞线式异步电机组成,副发电机通常由三相鼠笼式感应电机组成。
同时,为了方便双馈发电机控制,还需要在机组中配置一个控制系统。
在双馈风电机组的运行过程中,风轮通过传动装置转动主轴,而转动主轴的同时也将主发电机带动转动,并且由副发电机产生一定的电磁功率输出。
主发电机所产生的电能通过转子绕组到达变流器,再由变流器输出到电网中。
而副发电机所产生的电能则经过传动装置再次带动风轮转动,从而达到增加风能的目的。
二、L2增益干扰的原因和影响在双馈风电机组的变流器运行过程中,由于存在电容等元件,会在高频范围内产生一定的噪声和干扰。
其中一个主要的干扰就是L2增益干扰。
L2增益干扰的原因是由于双馈风电机组的变流器输出电压和输出电流在高频范围内存在一定的耦合关系。
而这种电压和电流的耦合关系就使得系统中,如果出现L2进入谐振状态时,会产生一定的增益干扰。
双馈型风力发电变流器及控制研究发布时间:2023-02-03T02:45:19.615Z 来源:《中国电业与能源》2022年第18期作者:骈志强[导读] 随着社会主义市场经济的逐步发展骈志强内蒙古华电锡林浩特新能源有限公司内蒙古锡林郭勒 011300摘要:随着社会主义市场经济的逐步发展,电能已广泛应用于社会生产及人民生活质量的提升。
为保证电网稳定性,电力企业必须在日常电能生产中引入各种发电技术。
其中,双馈型风力发电变流器大幅提高了风力发电效率,能节省发电资源的消耗,还能减少发电对环境的污染。
关键词:双馈型风力发电;变流器;控制变速恒频双馈风力发电机组以其能量转换效率高、良好的电能质量等特点,成为风电市场的主流机型。
双馈风力发电系统的控制一直是国内外研究的热点,其中双馈风电系统运行控制的核心是变流器的控制。
为充分发挥双馈系统两侧变流器的灵活性,保证电力系统的稳定性,避免传统矢量控制过分依赖电机参数的问题,本文详细分析了双馈型风力发电变流器及其控制。
一、双馈型风力发电变流器特点随着科技的发展,风力发电技术能取代传统的发电技术,节约不可再生资源。
为保证电力输送的稳定性,风力发电的转速不能随着外部环境的影响而不断变化,它需保持在一定的速度范围内。
因此,风力发电机包含变速恒频系统,变速恒频系统有许多类型,双馈感应变速恒频系统应用最广泛,且具有一定的经济性,双馈型发电机最重要的组成部分是绕组、转子绕组,绕组需与电网连接,发电机使用齿轮系统与风力机连接,转子绕组需使用双向变流器与电网连接,二者的结合能控制交流励磁及功率,达到变速及无功补偿的目的。
双馈型风力发电系统需要的电量较少,变流器发电机对转子测电源无太大要求,测电源容量为机组额定容量的40%即可正常运行。
双馈型风力发电变流器体积小、材质轻、柔韧性好,能来回双向转化直流电及交流电,由主电流系统、配电系统、控制系统组成。
变流器可减少并网冲击电流对电机及电网的不利影响,变流器是一种具有过流过压保护功能器件,所以可在高山上建造风力发电设备,以获得更多风源。
双馈风电系统次同步振荡分析与抑制方法研究双馈风电系统次同步振荡分析与抑制方法研究随着可再生能源的快速发展和全球对于环境保护的日益重视,风能作为一种清洁、可再生的能源形式,得到了广泛应用和认可。
风电系统作为将风能转化为电能的关键装置,在风能发电中起着重要的作用。
然而,由于自然风场的随机性和不稳定性,风电系统常常存在振荡问题,这对其安全稳定运行带来了一定的挑战。
在风电系统中,双馈风电系统是较为常见的一种形式。
双馈风电系统通过前馈转换器和逆变器,将转子的电能和传统的风轮机机械能进行耦合。
该系统具有结构简单、成本较低、转矩响应迅速等优点,因此受到广泛应用。
然而,双馈风电系统在运行过程中也存在次同步振荡的问题。
双馈风电系统的次同步振荡是指由于风能的不稳定性,导致风轮机-转子系统中的振荡频率小于电网频率的一种振动现象。
该振荡会引起电网电压波动,严重时甚至导致系统失稳。
因此,研究双馈风电系统的次同步振荡及其抑制方法具有重要的理论和实际意义。
为了分析双馈风电系统的次同步振荡,首先需要建立系统的数学模型。
双馈风电系统一般由风轮机、双馈电机、前馈转换器和逆变器组成。
其中,风轮机受到风能作用,将机械能通过机械部件传递给双馈电机,而双馈电机则将机械能和电气能进行转换。
前馈转换器用于控制双馈电机的转动速度,而逆变器则将双馈电机产生的电能送入电网。
在建立系统模型时,需要考虑到各个组件的物理特性和耦合关系。
通过建立双馈风电系统的数学模型,可以进一步分析系统的动态特性和频域特性。
即通过对系统的状态方程和传递函数进行求解,得到系统的频率响应曲线和振荡模态。
根据分析结果,可以发现系统中可能存在的振荡频率以及振荡模态。
一旦发现系统存在次同步振荡问题,就需要采取相应的抑制方法。
双馈风电系统次同步振荡的抑制方法有很多种,常用的方法包括控制参数优化和控制策略改进。
控制参数优化是通过调整系统中的控制参数,使得系统的振荡频率与电网频率保持一致,从而抑制振荡。
第16卷第1期2021年3月电气工程学报Vol.16 No.1Mar. 2021DOI:10.11985/2021.01.015双馈风电机组次同步控制相互作用的抑制方法*党存禄1, 2, 3李旭鹏1孙海斌1武文成1(1. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院兰州730050;2. 兰州理工大学甘肃省工业过程先进控制重点实验室兰州730050;3. 兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心兰州730050)摘要:当系统发生扰动时,双馈风电机组的转子侧变流器会与串联补偿装置的电容器发生次同步控制相互作用(Sub-synchronous control interaction,SSCI),使双馈风电机组在一定程度上表现为次同步振荡的发生源,严重影响到电力系统的稳定性。
在抑制次同步振荡的同时,当控制器参数发生变化时,使控制器原有性能不受影响:分析了次同步振荡的发生机理,在PSCAD/EMTDC平台上搭建了研究该双馈风电机组次同步振荡的电磁暂态模型,通过在转子侧变流器中加入滤波器来抑制次同步控制相互作用的方法,有效地抑制了双馈风电系统中发生的SSCI,使畸变电流收敛,进而控制双馈风电系统输出的有功和无功功率,抑制系统中出现的SSCI,使双馈风电机组在低风速、高串补度和转子侧变流器内环增益较高的工况下都能够稳定运行。
关键词:双馈风电机组;次同步控制相互作用;转子侧变流器;抑制方法;时域仿真中图分类号:TM561Suppression Method for Sub-synchronous Control Interaction ofDoubly-fed Induction GeneratorsDANG Cunlu1, 2, 3LI Xupeng1SUN Haibin1WU Wencheng1(1. College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050;2. Key Laboratory of Gansu Province Advanced Control for Industrial Processes, Lanzhou University ofTechnology, Lanzhou 730050;3. National Experimental Teaching Demonstration Center of Electrical and Control Engineering ofLanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)Abstract:When the power system is disturbed, the rotor-side converter of the DFIGs will have SSCI with the capacitor of the series compensation device, which will make the DFIGs behave as a source of sub-synchronous oscillation to a certain extent, which will seriously affect to the stability of the power system. Aiming at the actual situation of DFIGs in the northwestern region of China, the occurrence mechanism of sub-synchronous oscillation is analyzed, and the electromagnetic transient model is built to study the sub-synchronous oscillation of the DFIGs on the PSCAD/EMTDC platform. A filter is added to the rotor-side converter to suppress the SSCI. Finally, the effectiveness of the suppression method is verified by comparing the time-domain simulation diagram of the output power of the DFIGs with or without the filter under the same operating conditions.Key words:DFIGs;SSCI;rotor-side converter;suppression method;time-domain simulation1 引言我国能源赋存与消耗远距离呈逆向分布的格* 国家自然科学基金(51767017)、国网甘肃省电力科学研究院(SGGSKY00 DJJS1900216)和甘肃省住房和城乡建设厅2018年建设科技基金项目[AI](JK2018-21)资助项目。
双馈型风力发电变流器及其控制随着环保意识的日益增强和可再生能源的广泛应用,风力发电技术得到了快速发展。
双馈型风力发电变流器作为风力发电系统中的关键设备之一,在提高风能利用率和电能质量方面具有重要作用。
本文将介绍双馈型风力发电变流器的工作原理、特点优势及其控制方式。
双馈型风力发电变流器是一种交直流变换设备,可将风力发电机发出的交流电转换为直流电,再供给电力系统使用。
其工作原理是采用双馈(交流和直流)线路,通过电力电子器件(如IGBT、SGCT等)的开关动作,控制交流和直流电流的双向流动,实现能量的交直流转换。
高效性:双馈型风力发电变流器具有较高的能量转换效率,可实现风能的最大化利用。
灵活性:双馈型风力发电变流器可通过控制开关器件的占空比,调节输出电流的幅值、频率和相位,满足不同风速和负荷条件下的运行需求。
稳定性:双馈型风力发电变流器可有效平抑风速波动带来的影响,提高电力系统的稳定性。
维护性:双馈型风力发电变流器采用模块化设计,便于维护和检修,降低了运维成本。
矢量控制:通过控制交流侧电流的幅值和相位,实现有功功率和无功功率的解耦控制,提高电力系统的稳定性。
直接功率控制:采用瞬时功率采样,通过控制逆变侧电流的幅值和相位,直接控制有功功率和无功功率,具有快速的动态响应。
神经网络控制:利用神经网络技术,建立风力发电变流器数学模型,实现自适应控制和优化运行。
模糊控制:基于模糊逻辑理论,通过模糊控制器对变流器进行非线性控制,具有良好的鲁棒性和适应性。
双馈型风力发电变流器作为风力发电系统的关键设备之一,具有高效、灵活、稳定和维护简便等特点及优势。
其控制方式多种多样,包括矢量控制、直接功率控制、神经网络控制和模糊控制等,可根据实际应用场景选择合适的控制方式以实现最优运行。
随着风电技术的不断发展,双馈型风力发电变流器在未来将发挥更加重要的作用,为可再生能源的广泛应用和绿色能源转型提供强有力的支持。
随着环境保护和可持续发展的日益重视,风力发电作为一种清洁、可再生的能源,越来越受到人们的。
目录设计总说明................................................................................................................................................. I II DESIGN GENERAL DESCRIPTION . (VI)1 绪论 (1)1.1风力发电简介 (1)1.2风力发电的现状 (2)1.3风力发电系统简介 (5)1.3.1 恒速恒频发电系统 (6)1.3.2 变速恒频发电系统 (7)2 双馈式风力发电机组 (11)2.1双馈式风力发电机组原理 (11)2.2双馈式风力发电机组的特点 (16)3 双馈变流器的设计 (19)3.1双馈变流器的工作原理 (19)3.2双馈变流器的组成 (21)3.2.1 并网开关 (21)3.2.2 双PWM变换器 (24)3.2.3 预充电回路 (36)3.2.4 滤波电路 (38)3.2.5 低电压穿越电路 (44)3.3总结 (47)4 变流器功率单元驱动电路的设计 (48)4.1驱动电路概述 (48)4.2驱动电路的性能参数 (48)4.2.1 基本工作原理 (49)4.2.2 驱动电路的功能 (50)4.3驱动电路的设计 (52)4.3.1 驱动芯片的选取 (52)4.3.2 外围电路的设计 (56)4.4总结 (61)5 实验结果及分析 (62)5.1概述 (62)5.2满功率试验波形记录及分析 (64)6 总结及展望 (68)参考文献 (69)附录A 1.5MW双馈变流器主电路 (72)附录B 1.5MW双馈变流器驱动电路 (73)附录C 1.5MW双馈发电机额定参数 (74)附录D 1.5MW双馈变流器 (75)致谢 (76)风力发电双馈变流器主电路及驱动电路的研究设计设计总说明:随着工业的迅猛发展,能源消耗的日益增长,环境污染的日趋严重,迫使人们考虑新能源和可再生能源的开发和利用问题。
SVC对双馈风电场次同步振荡影响及抑制策略方力;潘学萍;鞠平【摘要】针对静止无功补偿器(static var compensator,SVC)对双馈风电场次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)影响的问题,设计了抑制振荡策略.首先从阻尼转矩出发,分析SVC对双馈风电场SSO的抑制机理并设计抑制风电场SSO 的附加阻尼器控制策略;其次基于PSCAD/EMTDC平台,仿真分析SVC控制方式、并网位置以及容量对双馈风电场SSO的影响;最后采用遗传算法对附加阻尼器控制参数进行优化.算例结果表明所设计的附加阻尼器控制,既能满足SVC在正常时维持电压水平的作用,还能在发生SSO时对其进行有效抑制.【期刊名称】《广东电力》【年(卷),期】2019(032)003【总页数】7页(P52-58)【关键词】双馈风电场;次同步振荡;静止无功补偿器;附加阻尼器控制【作者】方力;潘学萍;鞠平【作者单位】河海大学能源与电气学院,江苏南京211100;河海大学能源与电气学院,江苏南京211100;河海大学能源与电气学院,江苏南京211100【正文语种】中文【中图分类】TM744风能因独特优势在我国能源发展战略中占有重要地位[1]。
远距离输电中采用的串联补偿技术会提高系统传输能力,但同时也可能导致风电场次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)问题[2-3],造成风机脱网甚至损坏,电能质量恶化,危害较大。
目前对双馈风电场SSO问题的研究已有较多报道,如文献[4-5]建立双馈风电机组经串补并网系统模型,分析了转子侧变流器内环电流控制器参数对SSO的影响;文献[6-8]基于特征值分析法,研究了风速、串补度等因素对SSO的影响;文献[9]指出双馈风电机组发生SSO时的原因是负阻尼作用,但阻尼的变化规律如何未有深入的分析。
为稳定风电机组的出口电压水平,风电场中广泛采用静止无功补偿器(static var compensator, SVC)等并联无功补偿装置,然而这些装置的投入有可能给风电场运行带来其他方面的问题,如文献[10]研究了风电场SVC对大规模风电汇集地区电压异常振荡的影响;文献[11]研究了SVC的电压控制和阻尼器控制之间交互作用。
基于双馈风力发电机组轴电流抑制与释放的研究发布时间:2021-11-04T09:28:17.673Z 来源:《中国科技人才》2021年第21期作者:付志鹏张斌[导读] 双馈风力发电作为新兴能源在国内的战略能源结构中扮演着重要角色。
中车永济电机有限公司山西运城 044000摘要:当前,伴随着我国城市化建设的高速发展,推动了各个领域的发展都得到了突飞猛进的提高,基于此,在电力领域中,双馈型风力发电机组PWM变频调制过程中产生的共模电压与发电机内部杂散电容耦合形成的轴电流,如果不能有效抑制和释放,将会严重威胁机组的安全稳定运行。
针对这一技术难题,研究分析了双馈机组轴电流的成因及产生的危害,提出了采用共模扼流圈和多点接地的方案抑制并释放轴电流,并利用案例进行了实施效果验证。
研究得出,共模扼流圈和多点接地的方案可有效保护发电机轴承免受损坏。
在变频器与发电机之间传输电缆安装共模扼流圈,可有效降低IGBT开关过程中产生的du/dt高频EMI,衰减并抑制共模电流。
同时,利用发电机驱动端安装多点接地碳刷,以串联的方式接入到接地回路,对降低轴电压具有显著效果。
关键词:双馈风力;发电机组轴电流抑制;释放的研究引言双馈风力发电作为新兴能源在国内的战略能源结构中扮演着重要角色。
其中双馈风力发电量仅次于火电和水电,排在发电量的第三位。
随着双馈风力发电产业的迅速发展,国内大型双馈风力发电机组制造技术已经趋向成熟,其中双馈发电机的变速恒频控制方法是在转子电路实现的,双馈发电模式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率限制,而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响,变机电系统之间的刚性连接为柔性连接,双馈风力发电机是目前风力发电的主要机型。
1轴电流产生的机理及避免发电机轴电流的方法要阐明轴电流的产生机理,必须先弄清楚轴电压的形成,关于水轮发电机轴电压,形成原因如下。
收稿日期:2023-03-22作者简介:杨润广(1987 ),男,工程师,本科,就职于中国广核新能源控股有限公司㊂双馈风电机组对电力系统动态性能影响综述杨润广(中国广核新能源控股有限公司,北京 100000) 摘 要:文章介绍了双馈风电机组及其对对电力系统动态的影响,对双馈感应发电机风力涡轮机的辅助服务进行了分析,并对其未来发展趋势进行了预判㊂关键词:双馈感应发电机;动态性能;辅助服务中图分类号:T M 614 文献标识码:A 文章编号:1007 6921(2023)22 0136 07 目前,风力发电是最有前途的可再生能源,已广泛应用于全球电力系统中㊂在风力发电机组中,使用双馈感应发电机的变速风力发电机组因其安装成本低㊁变流器功率容量相对较小以及各种风速下能量传输能力高而受到市场关注㊂然而,双馈感应发电机风力涡轮机在电力系统中的大量渗透引起了不良影响,例如系统惯性的降低㊁双馈感应发电机变流器控制之间的相互作用㊁低同步耦合以及同步发电机的位移㊂因此,电力系统的动态性能,如频率稳定性㊁功率振荡㊁暂态稳定性㊁小信号稳定性和电压稳定性,可能会受到影响㊂1 双馈风力发电机组双馈感应发电机主要由背靠背电网侧转换器和转子侧转换器组成㊂定子绕组与电网连接,而转子绕组通过转子侧转换器和电网侧转换器连接到电网㊂转子与电网解耦的优点是变流器的功率容量是风力发电机组的30%㊂因此,转换器和谐波滤波器的成本显著降低㊂此外,更小的转换器尺寸不仅可以降低功率损耗,还可以提高效率㊂特别是,双馈风电机组的显著特点是有功和无功输出的可控性㊂双馈感应发电机风力涡轮机和控制系统的结构如图1所示,图1中的控制系统独立控制㊂该控制系统由速度控制器㊁电压控制器和俯仰角控制器组成㊂在这里,双馈风电机组的主要控制目标是改善电力系统振荡㊂转子侧转换器中的控制对振荡模式的阻尼效果比电网侧转换器中的控制要大得多㊂因此,转子侧转换器适用于功率振荡阻尼㊂转子侧转换器的正交轴电流可用于控制由速度控制器输出的有功功率,同时转子侧转换器的直轴电流可用于控制电压控制器输出的无功功率㊂由于双馈感应发电机具有无功输出控制的能力,不需要像定速风力发电机那样进行无功补偿㊂这种能力不仅支持稳态和电网故障期间的双馈感应发电机端电压,而且消除了无功补偿装置的安装成本㊂图1 双馈风力发电机组撬棒电路由反并联晶闸管和电阻器组成,连接到转子电路,如图1所示㊂撬棒电路的目的是限制转子电路中的高电流,并为其提供旁路㊂在故障期间和之后,转子电路的保护无须断开转换器与转子或电网的连接㊂因此,双馈感应发电机风力涡轮机的故障(低压)穿越能力得到改善㊂电阻应足够低,以减轻转换器端子上的过压㊂相反,它应该足够高,以便可以限制转子中的高电流㊂2 双馈风电机组对电力系统动态的影响2.1 频率稳定性频率稳定性是指电力系统在严重系统扰动导致发电和负载之间明显失衡后保持稳定频率的能力㊂㊃631㊃2023年11月内蒙古科技与经济N o v e m b e r 202322536I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y &E c o n o m yN o .22T o t a l N o .536它依赖于维持/恢复发电和负载之间平衡的能力㊂不稳定以持续的频率摆动的形式发生,导致发电机组和/或负载跳闸㊂由于一些原因,双馈感应发电机风力涡轮机在电力系统中的扩散加剧了系统频率的不稳定性㊂①当双馈风力发电机组与电力系统的集成增加时,较大的输出功率波动会导致严重的系统频率变化,使得安装在风电场的频率继电器断开风电场与电力系统的连接㊂这不仅加剧了频率和/或电压稳定性,还激发了功率振荡㊂②由于背靠背变流器对电网和双馈风电机组转子进行去耦,双馈风发电机组转子无法检测到电网频率变化㊂因此,双馈感应发电机风电场的大规模安装大大降低了明显的系统惯性㊂这不仅提高了系统频率变化的速率,还加剧了发电机损失下频率下降的最低点㊂这也意味着旋转储备补偿功率不平衡的时间间隔缩短㊂这种影响体现在小型电力系统㊁孤立微电网/弱电网和孤立的孤岛电网㊂2.2瞬态稳定性瞬态稳定性涉及电力系统在受到短路等严重干扰时保持同步的能力,这取决于系统的初始工作点和干扰的严重程度㊂由于同步扭矩不足,不稳定通常以非周期性角分离的形式出现㊂由于双馈风电机组转子的惯量与电网解耦,双馈风电机组的高安装取代了传统的同步发电机组,不仅系统有效惯性下降,而且同步转矩也变差㊂这些导致同步发电机在系统故障发生后的总角加速度或减速增加㊂这些情况直接危及系统的瞬态稳定性性能㊂在以前的工作中笔者研究了具有大型双馈感应发电机风电场的电网惯性降低对瞬态稳定性裕度降低水平的影响㊂将任何初始运行条件和所施加故障的时域非线性仿真用于计算瞬态稳定指数,以确定双馈感应发电机风电场的电力系统的暂态稳定裕度㊂研究结果表明,增加双馈风电机组的安装对瞬态稳定性既有有害影响,也有有利影响㊂通过时间仿真评估使用灵敏度分析的新瞬态稳定指数,结果表明,双馈感应发电机风电机组位置合适时增加了电力系统的暂态稳定性裕度;当双馈感应发电机风力涡轮机位于其他位置时,稳定性裕度会变差㊂然而,通过时间仿真进行暂态稳定分析仍存在故障间隔增加㊁缺乏稳定度数据㊁故障后轨迹难以证明等缺点㊂为了解决这些问题,笔者采用了能量函数法,使用基于势能边界面法的能量函数分析了减少惯量对系统暂态稳定性的影响㊂通过对临界能量和临界故障清除时间的直接计算,结果表明,双馈风电机组有效系统惯量的降低导致系统临界清除时间和暂态稳定裕度下降㊂此外,通过所提出的双馈感应发电机风力发电机组惯性支持贡献技术,可以估计其他机器在惯性还原下所需的附加惯性㊂使用瞬态能量裕度评估的研究结果表明,当电压暂降㊁故障清除时间和风电穿透率高于一定阈值时,双馈风电场对瞬态稳定性产生不利影响㊂另一方面,已经有研究应用双馈感应发电机风力涡轮机来增强电力系统的瞬态稳定性㊂双馈感应发电机变流器控制器可分为固定结构和自适应结构㊂对于双馈感应发电机的固定结构控制器,对转子侧转换器控制器进行了修改,以便使用双馈感应发电机终端总线的频率反馈来调制双馈感应发电机的输入扭矩参考㊂因此,双馈风电机组的输出有功功率在故障后条件下被修改,这改变了相邻同步发电机的电功率,并扩大了瞬态稳定性裕度㊂针对某双馈风电机组自适应控制器,通过基于近似动态规划的新型在线补充学习控制,可以在没有数学模型的情况下训练控制器,并确保稳定性,不仅可以缓解故障期间共耦合点的电压骤降,还可以消除故障后的有功功率振荡㊂也可采用在线自适应非线性控制器与高阶滑模微分器相结合的双馈风力涡轮机,以提高瞬态稳定性㊂该控制器的显著特点是其对严重干扰和参数变化的鲁棒性㊂2.3小信号稳定性小信号稳定性与电力系统在小干扰下保持同步的能力有关㊂它取决于系统的初始工作点㊂不稳定性可以有两种形式:①由于缺乏同步扭矩而导致的非振荡扰动导致转子角度增加;②由于缺乏足够的阻尼扭矩而导致幅度增加的转子振荡㊂小信号稳定性问题与频率约为1.0~2.0H z的局部工厂模式振荡和频率约为0.2~0.8H z的区域内模式振荡有关㊂由于双馈风电机组是异步电机,并通过变频器与电网解耦,因此它们不会启动新的振荡模式㊂但是,它们可以通过以下4种机制影响振荡模式的阻尼:①更换和/或减少同步发电机,从而影响振荡模式;②影响动力流的主要路径,从而影响同步力;③双馈风电机控制与相邻同步发电机阻尼转矩的相互作用;④更换具有电力系统稳定器(P S S)的同步发电机㊂基于上述4种机理,通过特征值分析㊁灵敏度㊁模态分析和非线性时间仿真,通过计算机电振荡模㊃731㊃杨润广㊃双馈风电机组对电力系统动态性能影响综述2023年第22期式对更换的同步发电机惯性的敏感性进行了研究㊂结果表明,双馈风电机组安装量的增加对机电振荡模式有不利影响和有利影响㊂在某些情况下,双馈感应发电机的动态相互作用大大降低了振荡模式的阻尼㊂显著降低振荡阻尼的两个主要参数是功率振荡频率和双馈风力发电机的工作条件㊂结果表明,双馈风力发电机的存在可以改变局部和区域间模式形状,并在自动电压调节和P S S的阻尼转矩不可用时显示出动态不稳定的特性㊂基于机电特征值对电力系统雅可比矩阵变化的敏感性,研究了双馈感应发电机风力涡轮机的动力学与附近同步发电机的机电模式的相互作用㊂结果表明,与风电场电流控制回路相关的两对双馈感应发电机风力涡轮机模式与机电模式相互作用,一对有不利影响,另一对有有益影响㊂这加剧了机电振荡模式的阻尼㊂分别研究了双馈风电机组对机电模式的两个影响因素,即潮流的变化和与同步发电机的动态相互作用㊂结果表明,可以调整双馈风电机组的控制器参数,以降低其对小信号稳定性的负面影响㊂此外,双馈感应发电机位置的变化对小信号稳定性有不同的影响㊂这就为双馈感应发电机的位置选择制定了一些标准,以避免对小信号稳定性的不利影响㊂另一方面,将双馈感应发电机风电场集成到串联补偿输电系统中容易遇到次同步谐振(S S R)㊂S S R包括与涡轮发电机耦合到串联电容器补偿输电系统时与涡轮发电机相关的电气和机械变量的振荡属性㊂发生在同步频率或次同步频率以下的振荡能量交换略微阻尼㊁无阻尼,甚至负阻尼并增长㊂在双馈风电机组的情况下,电力电子控制系统在次同步频率下对电网产生负电阻㊂这种现象被称为 次同步控制相互作用 ,并导致次同步振荡的负阻尼㊂这导致双馈感应发电机风电场在串联补偿输电系统中的渗透水平受到限制㊂在以往的工作中,通过模态分析和时域仿真对双馈风电机组串联补偿系统中的S S R进行分析是在具有单个双馈感应发电机和一条串联补偿线(即一个次同步模式)的系统中进行的,发现感应发电机效应而非扭转相互作用是双馈风力发电机组S S R 不稳定的主要原因㊂此外,在低风速㊁高串联补偿水平㊁转子电流控制器高增益㊁硬动态负载(即恒功率类型)负载和系统负载需求水平低时,次同步相互作用加剧㊂2.4电压稳定性电压稳定性是电力系统在干扰后将所有总线的稳定电压保持在可接受范围内的能力㊂凭借双馈风电机组的无功输出控制能力,可以获得电压稳定性的提高㊂双馈感应发电机风力涡轮机对输配电系统电压稳定性的贡献已在以前的工作中进行了研究,总结如下㊂①通过潮流计算(P V曲线和V Q曲线)和动态应急研究,研究了具有稳态和动态模型的双馈风力发电机组对电压稳定性的影响㊂结果表明,由于双馈风电机组在正常运行时可以吸收或提供无功功率,因此可以增强本地网络的稳态电压稳定性㊂此外,双馈风力发电机组的瞬态电压稳定性可以通过电压控制得到改善㊂②双馈感应发电机风力涡轮机比具有相同额定值的感应发电机的风力涡轮机具有更好的电压恢复性能㊂时间序列交流潮流用于分析双馈风力发电机组对稳态电压稳定性的影响㊂结果表明,使用双馈感应发电机风力涡轮机的适当电压控制策略可以提高系统中配电层和传输级总线的电压稳定性裕度㊂③通过P V曲线研究了双馈感应发电机风电场不同渗透水平和分散度对电压稳定性的影响㊂在低穿透水平下,电压崩溃裕量得到改善㊂另一方面,在高穿透水平下,电压稳定性会降低㊂此外,双馈感应发电机风电场多个位置的电压稳定性更好㊂④通过模态分析和时域仿真对双馈感应发电机风力涡轮机取代同步发电机进行了稳定性分析㊂当具有电压控制的双馈感应发电机风力涡轮机取代同步发电机时,静态电压稳定性裕度不会受到显著影响㊂另一方面,当双馈感应发电机以单位功率因数运行时,电压稳定性裕量会降低㊂⑤通过时域仿真分析了大规模双馈风电渗透对电力系统短期电压稳定性的影响㊂凭借双馈风力发电机组的无功功率和电压控制能力,可以提高电压稳定性㊂然而,由于脉宽调制(P WM)转换器的容量有限,双馈感应发电机的电压控制能力无法与同步发电机相媲美㊂当电压控制要求超出双馈感应发电机能力时,电压稳定性可能会下降㊂⑥通过时域仿真研究了不同双馈风电机组控制模式(即固定电压控制和功率因数控制)对长期电压稳定性的影响㊂考虑了过励磁限幅器和有载分接开关的动态模型,并结合静态和动态负载表示㊂在无功功率储备不足和电机负载表示不足的情况下,功率因数控制方式的电压稳定裕度较差㊂另一方面,电压控制模式提高了电压稳定性裕量㊂电压控制的鲁棒性高于功率因数控制的鲁棒性,以应对缓慢的负载增加以及过励磁限幅器和有载分接开关的相互作用㊂⑦通过Q V分析和时域仿真研㊃831㊃总第536期内蒙古科技与经济究了双馈感应发电机风力涡轮机对配电网静态和动态电压稳定性的影响㊂结果表明,具有电压控制模式的双馈感应发电机风力涡轮机提供与功率因数控制模式相比,电压稳定性裕量更好,减轻了系统中的电压上升效应㊂但是,电压控制模式会增加系统功率损耗㊂双馈感应发电机在系统故障后恢复到故障前状态方面具有更好的性能㊂然而,它受到电压过冲㊁下冲和电压波动的影响㊂这些问题会缩短配电设施的使用寿命并损坏设备㊂⑧分析了具有远程双馈感应发电机风电场的配电系统的稳态和瞬态电压稳定性㊂通过考虑P-V特性,远距离双馈感应发电机风电场可以在功率因数控制模式下增强弱配电系统的稳态电压,并具有无功功率支持㊂基于时域仿真,双馈风电场有助于提高三相故障㊁电机负载突然损失和电机启动下的瞬态电压稳定性㊂⑨通过时域仿真研究了配备双馈感应发电机和全额定换流器的风力涡轮机对长期电压稳定性的影响㊂当风力发电机组的渗透率增加时,双馈感应发电机和全额定换流器风电机组都可以产生更多的无功功率支持,以提高电压稳定性㊂当电网侧变流器控制无功功率时,双馈感应发电机比全额定换流器具有更大的无功功率㊂提出了考虑不同控制模式的双馈风电机组无功能力的P Q平面分析,用于电压稳定性研究㊂结果表明,与传统功率因数控制相比,基于无功能力的恒压控制显著提高了电压稳定性㊂在电压稳定边界内研究了双馈风电机组的不同无功控制模式㊂电压控制模式下的负载能力和电压稳定裕度大于功率因数控制模式下的负载能力和电压稳定裕度㊂⑩通过时域仿真研究了双馈风电机组运行极限(如转子电流限制㊁定子电流限制㊁原动机限制和无功功率限制)对长期电压稳定性的影响㊂结果表明,在恒定风速下,模拟过程中的固定极限是足够的㊂研究应考虑斜坡风速条件下的变量极限㊂另一方面,在斜坡下降风速条件下,如果将双馈风力发电机组极限视为固定,则电压稳定裕度将降低㊂3双馈感应发电机风力涡轮机的辅助服务随着双馈感应发电机风力涡轮机越来越多地集成到电网中,双馈感应发电机风力涡轮机有望成为有功和无功电力服务提供商㊂凭借当今复杂的风力预测方法以及功率平滑技术,双馈感应发电机风力涡轮机可以被电力公司视为可调度的电源㊂因此,双馈感应发电机风力涡轮机可以为电力系统提供频率控制㊁电压控制㊁功率振荡阻尼等辅助服务㊂此外,各种国家电网规范要求双馈感应发电机风力涡轮机提供辅助服务㊂3.1变频调速双馈感应发电机风电场的频率控制支持可分为两类:惯性控制和功率储备控制㊂前者暂时释放存储在双馈感应发电机转子中的动能,以降低扰动初始阶段的频率最低点,而后者则在风力涡轮机中注入保留的功率以持续提供不足的功率㊂虽然后者比前者具有更好的控制效果,但要参与一次频率控制,需要双馈感应发电机风力发电机组的卸载运行㊂换句话说,双馈风力涡轮机在最大功率点跟踪(M P P T)曲线下运行,这不可避免地导致风能的损失㊂双馈感应发电机风力涡轮机能够模拟惯性,并通过利用涡轮机叶片中存储的动能来支持一次频率控制㊂这使得双馈感应发电机能够注入快速电源,以减轻频率最低点和系统频率变化率㊂由于双馈风电机组转子与电网解耦,因此存储的动能不能直接用于模拟电网惯量㊂为了提取隐藏的惯性,许多研究人员在有源功率控制回路中提出了一个补充控制回路㊂有研究文献提出了包括两部分的附加惯性控制,即人工惯性响应控制环路和下垂控制环路(图2)㊂为了实现人工惯性响应,使用系统频率的导数(Δf)作为输入信号,以提供额外的功率输出㊂该控制环路称为 频率变化率 控制环路㊂在扰动的初始阶段,频率变化率环路具有较大的值,并释放存储的动能,从而降低频率最低点㊂随后,通过使用系统频率偏差作为输入信号来激活下垂控制环路,以产生更多的功率输出㊂因此,可以消除系统频率偏差㊂频率变化率控制回路在干扰的初始阶段占主导地位;随后,由于同步发电机的高参与度,控制效果变得不那么好㊂此外,频率变化率环路的贡献在频率反弹后由于反向符号变为负,而下垂环路成为主导并提供与系统频率偏差成比例的输出功率㊂图2双馈风力发电机组常规惯性控制为避免频率变化率环路的不利影响,将传统惯性控制中的频率变化率环路替换为最大频率变化率环路,以保留最大频率变化率并摆脱频率反弹后的㊃931㊃杨润广㊃双馈风电机组对电力系统动态性能影响综述2023年第22期负面影响㊂该方案不仅在频率反弹前后释放更多的动能,而且比传统的惯性控制更能提高频率最低点㊂此外,应该注意的是,两个控制环路的增益在惯性控制中是固定的,并且很难针对各种系统运行条件指定合适的值㊂此外,对于固定增益惯性控制,虽然较大的增益设置为支持系统频率控制提供了较好的控制效果,但对于动能较小的双馈风电机组来说,可能会产生过减速㊂为了解决上述问题,提出了一种基于双馈风度的动态下垂惯性控制,以提高双馈风型双馈组的频率最低点并保证双馈风型的稳定运行㊂下垂环路通过根据频率变化率动态改变其增益来使用㊂采用不同风况下的不同整形功能,在扰动的初始阶段注入大量储存的动能,防止低风条件下的过度减速㊂下垂增益根据双馈感应发电机转子转速进行调整㊂采用逐步惯性控制方案,通过在扰动预定时间内立即产生双馈感应发电机风力涡轮机的恒定有功功率参考信号来阻止频率最低点㊂然而,在此之后,双馈感应发电机输出功率的突然下降将不可避免地导致第二次频率下降㊂为了防止这种情况,改进的逐步惯性控制的功率基准是恒定功率基准和M P P T控制的基准之和㊂前者的确定使转子速度不会接近最小极限;后者设置为与转子速度的立方成正比㊂由于电源参考信号不断减小,因此可以防止第二次频率骤降㊂提出了一种基于扭矩限制的双馈风电机组惯性控制方案㊂当发生干扰时,控制方案立即将其输出增加到转矩极限,然后随着转子转速降低输出㊂为了恢复转子转速,同时产生小的秒频骤降,在转子转速收敛后,功率参考信号减少少量并保持,直到满足M P P T控制的参考㊂尽管所提出的控制提高了频率最低点和频率的最大变化率,但它在任何风条件下都会导致小的秒频率下降㊂在这些工作中,两个环路增益通过所提出的方案进行调整㊂在系统事件发生的情况下,设置高增益,以便释放更多的动能,以提高频率最低点㊂随后,增益随着动能的降低而减小,从而避免了惯性控制过程中风速降低时双馈感应发电机的过度减速㊂因此,可以确保双馈风力涡轮机在各种风力和系统条件下的稳定运行㊂3.2电压控制在低速运行下,双馈感应发电机风力发电机组的有功功率输出远低于其额定功率㊂双馈感应发电机风力涡轮机可以将无功功率注入电网,以增强稳态和瞬态下的电压曲线㊂前文已经介绍了双馈感应发电机风力涡轮机在稳态下的无功功率和电压控制的几种技术㊂双馈感应发电机风电场在技术和经济问题方面被视为无功辅助服务提供商㊂提出了一种将双馈风电场无功控制与配电网重构相结合的联合优化算法,以减少功率损耗并改善电压曲线㊂提出了双馈感应发电机风电机组局部无功管理算法,以调度无功功率生产㊂这种技术减少了安装在电网中的无功补偿装置的额外成本㊂有研究提出了电网故障期间的各种无功功率和电压控制方案,以提高双馈感应发电机风力涡轮机的故障穿越或低压穿越能力㊂故障穿越或低压穿越功能意味着风力涡轮机应承受其终端的电压骤降,并保持与电网的连接,以分别在故障期间和故障之后支持电压和频率㊂提出了一种先进的电压控制方案,用于动态操纵来自电压源转换器的无功功率,考虑其工作状态和无功功率限制㊂由于这些方案基于固定伏特-瓦特性,因此它们对确保无功功率和调节P C C电压的贡献有限㊂针对这一问题,笔者提出了基于自适应伏特-瓦特性的双馈风电机组自适应电压控制方案㊂但是,由于多余的无功电源,可能会导致故障清除后P C C和双馈感应发电机端子出现临时过电压㊂为了防止过电压,提出了一种双馈风力发电机组的自适应分层电压方案,该方案可以在故障时确保风力发电厂有更多的无功功率储备㊂这种控制使双馈感应发电机能够在故障清除后将其无功功率注入至极限,而不会在P C C和双馈感应发电机端子上过压㊂3.3功率振荡阻尼通过双馈感应发电机转换器的功率输出调制控制,双馈感应风力发电机能够抑制功率振荡㊂双馈风电机组的振荡阻尼方法将在下一部分进行阐述㊂双馈风力发电机可以通过在转子侧转换器的有功功率控制回路(速度控制器)和/或无功控制回路(电压控制器)中配备功率振荡阻尼器(P O D)来抑制功率振荡㊂通常,P O D结构与传统P S S相同,后者是具有本地输入信号的二阶超前/滞后补偿器,见图3㊂请注意,稳定增益K表示阻尼效应的量㊂时间常数T 的冲刷过滤器w充当高通滤波器,在稳态下阻止输入信号㊂时间常数T1㊁T2㊁T3和T4表示相位补偿器所需的超前或滞后相位角㊂来自P O D的稳定信号被添加到速度控制器和/或电压控制器中㊂因此,可以调制有功和/或无功功率输出以抑制功率振荡㊂在这里,根据有功和/或无功功率输出控制,将配备P O D㊃041㊃总第536期内蒙古科技与经济。