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华中科技大学刘巨,姚伟,文劲宇:锁相环和电网强度如何影响双馈风机小干扰稳定性

团队介绍

华中科技大学电气与电子工程学院SGO(思构)课题组(即“智能电网运行与控制”课题组)是程时杰院士1988年留学回国后创建的,经过近30年的发展,已成为在国内学术界和工业界具有较大影响力、并具有一定国际影响力的高水平课题组,已为国家培养了300多名博士后、博士和硕士等高级专门人才,以及10多名外国留学生。目前课题组学术带头人为中国科学院院士、IEEE Fellow程时杰教授,研究团队由一批充满活力、拥有海内外科研背景的中青年专家、博士后、博士硕士研究生组成。近年来课题组发展迅猛,现已有80余名各类研究人员,其中教授4名(含教育部“长江学者”特聘教授1名)、副教授1名、讲师1名、博士后6名。截止到2015年底,课题组先后获得国家科技进步一等奖1项,二等奖2项,国家级教学成果二等奖1项,省部级自然科学一等奖1项、科技进步一等奖2项,其他奖励多项。在国内外学术期刊和国际会议上发表论文500多篇,出版专著2部、译著1部,获得专利和软件版权20多项。目前课题组主要包括大电网大机组安全稳定控制、储能与新能源并网、直流输电和直流电网三个特色研究方向。

华中科技大学刘巨,姚伟,文劲宇:锁相环和电网强度如何影响双馈风机小干扰稳定性

刘巨(1988),男,博士。研究方向为大电网规划与优化、大电网大机组安全稳定与控制、储能与新能源并网。

姚伟(1983),男,博士,副教授,博士生导师。分别于2004和2010年在华中科技大学电力工程系获学士和博士学位。先后主持包括2项国家自然科学基金在内的各类纵横向科研项目10余项,主研参与国内电工学科首个青年973计划项目。已发表SCI/EI收录论文80余篇,其中SCI收录27篇,有2篇IEEE Transactions on Power Systems论文入选ESI高被引论文。主要研究方向为:大电网稳定性分析与控制、可再生能源并网系统的稳定性分析与控制、柔性直流输电系统及其控制等。

文劲宇(1970),男,博士,长江学者特聘教授。主要研究方向包括电力系统运行与控制、电能存储与电力安全,多端直流输电与直流电网,新能源并网与规划。

考虑PLL和接入电网强度影响的双馈风机小干扰稳定性分析与控制

刘巨,姚伟,文劲宇

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.160857

1项目背景

随着风电并网容量不断增加,电力系统中的风电渗透率将会不断提高,风电场并网点的短路比将会越来越小,交流电力系统对风电场的支撑作用将会越来越弱。特别在风力资源远离电网的情况下,当风电经过远距离长线路集中外送时,风电系统容易出现有功功率振荡。近年来,国内外发生了多起风电场功率振荡事故,导致了大量风电机组被迫脱网运行,严重威胁了风电电力系统的安全稳定运行。相对于频率在0.2~2.5Hz的常规机组机电振荡而言,风电场功率振荡的频率远高于该范围,其振荡频率在几赫兹到几十赫兹之间。常规同步发电机小扰动振荡机理难以完全解释。因此,有必要研究风电机组发生高频振荡的形成机理,设计阻尼控制器来抑制其功率振荡现象。

2论文所解决的问题及意义

考虑到双馈感应风力发电机组主要通过PLL定向来实现并网运行,风电并网点处的电网强弱会严重影响风电机组的稳定运行。因此,在分析风电系统功率振荡的过程中有必要建立详细的PLL模型。本文建立了含有PLL的风电电力系统动态模型;通过特征值分析研究了风机不同运行状态下其接入电网强度变化对风电电力系统中各个振荡模式的影响规律,找到风电机组并入弱电网发生振荡现象的主导振荡模态;接着针对该主导振荡模式,利用复转矩分析方法揭示了其形成机理;有效的解释了风电场经远距离长线路集中外送时的高频功率振荡现象形成原因。进一步地提出了一种基于相位补偿原理设计的风机阻尼控制器以增强PLL振荡模式的阻尼,能够有效抑制风电场高频功率振荡现象,有利于风电场的安全并网运行。

3论文重点内容

(1)建立了含有锁相环动态特性的双馈风电机组动态模型;采用特征值分析研究了风机不同运行状态下其接入电网强度变化对风电系统中各个振荡模式的影响规律。如图1所示,研究发现与锁相环相关的振荡模式在风电场出口短路比下降的情况下最先发生失稳,是系统中的主导振荡失稳模式,且该振荡模式约10Hz左右,与所观察到的电网功率振荡频率是一致的。

电网强度变化对系统特征值的影响规律

图1 电网强度变化对系统特征值的影响规律


(2)类似于同步发电机机电振荡模式的复转矩分析,将风电系统PLL振荡回路转换成如图2所示的满足复转矩分析的结构形式。然后通过Bode图研究了风电机组PLL相位与其q轴电压偏差之间的幅频和相频特性。发现风电并网点短路比主要影响PLL振荡回路的相频特性。随着风电并网点短路比降低,PLL振荡回路在其振荡频率下的相角稳定裕度逐渐下降。当风电并网点的短路比小于某一临界值时,PLL振荡回路将会由于阻尼不足而发生振荡。同时锁相环自身参数主要影响PLL回路的幅频特性。随着锁相环放大参数的增加,PLL振荡回路的振荡频率将会逐渐增加,导致系统的稳定裕度逐渐减小。当其放大系数超过某一临界值后,PLL振荡回路也会发生振荡失稳现象。

PLL回路复转矩分析示意图

图2 PLL回路复转矩分析示意图


(3)类似于常规同步发电机PSS,提出一种在风电机组无功控制环节增加控制回路的风电机组阻尼控制器。如图3所示,该控制器反馈PLL输出的风电场出口母线处相位变化情况,经过控制器传递函数来改变风电机组注入系统中的无功功率,产生一个附加的锁相环输入电压使得叠加后的锁相环电压落在复平面第一象限,可以有效提升含风电电力系统PLL振荡模式的阻尼水平。

风机阻尼控制器示意图

(a)风机阻尼控制器  (b)含阻尼控制器复转矩分析

图3风机阻尼控制器示意图

4结论

(1)随着风电场输出有功功率的增加和风电并网点强度(短路比)的降低,风电场越易发生功率振荡现象,并且该功率振荡现象主要由PLL回路的振荡模式决定。


(2)风电场并网点强度主要影响PLL振荡回路开环的相频特性,随着风电并网点强度的降低,PLL振荡回路在其振荡频率附近的相位减小,使得其阻尼特性降低。PLL的参数主要是影响了其幅频特性,PLL比例放大参数越大,该回路的放大倍数越大,导致PLL振荡模式的振荡频率增加,恶化了其阻尼特性。


(3)结合相位补偿原理所设计的风机阻尼控制器可以提高PLL回路在其振荡频率段内的相位,从而有效的提高PLL振荡模式的阻尼水平。


引文信息

刘巨,姚伟,文劲宇.考虑PLL和接入电网强度影响的双馈风机小干扰稳定性分析与控制[J].中国电机工程学报,2017,37(11):3162-3173.

Liu Ju,Yao Wei,Wen Jinyu.Small signal stability analysis and control of double-fed induction generator considering influence of PLL and power grid strength [J].Proceeding of the CSEE,2017,37(11):3162-3173(in Chinese).

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