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3.3 风电场发生高频振荡现象的机理分析与阻尼控制
国内外风电事故表明:风电弱联网系统容易在发生扰动时出现频率为几到几十赫兹的功率振荡现象。由于双馈风电机组与常规同步发电机组运行特性具有明显的差异,其振荡原因已经无法用传统同步发电机组小扰动振荡机理完全解释。考虑到双馈风电机组主要通过锁相环与电网之间实现同步运行,锁相环动态特性将会严重影响风电机组与电网之间的交互作用。本论文在建立计及锁相环动态特性的双馈风电机组分析模型的基础上,研究了风电机组在不同运行状态下并入不同强弱电网后的特征值分布情况,发现锁相环振荡是导致双馈风电机组在弱电网中发生小扰动失稳的主要原因之一。
针对锁相环振荡失稳这一问题,类似于同步发电机机电振荡模态复转矩分析,建立了风电机组锁相环回路的复转矩分析模型。分析了风电场接入点短路比以及锁相环参数对系统稳定性的影响规律。针对弱电网情况下锁相环回路阻尼水平不够的问题,类似于常规同步发电机组电力系统稳定器,提出了一种基于相位补偿的储能阻尼控制器,可以有效抑制大规模风电经远距离长线路并入电网时的高频功率振荡现象。
图 4 不同短路比情况下,PLL回路开环回路Bode图
图 5 风电机组PLL阻尼控制器
3.4 风电与常规机组间相互作用规律分析及阻尼控制
风电机组并网如何影响常规同步机组运行特性这一问题备受广大研究者密切关注。本论文针对小扰动特性,在建立含有风电和常规同步发电机组的双机无穷大系统Heffron-Philips模型的基础上,分析发现风电机组锁相环通过3个耦合支路来影响常规同步机组电磁转矩,探究了其对常规同步机组电磁转矩的作用机理和影响规律,发现风电机组可能恶化常规机组之间的阻尼特性。针对该问题,本论文基于暂态能量衰减的原理,设计了用于改善常规机组间阻尼特性的储能控制器。在系统的各种运行工况下均能有效阻尼常规同步机组间的功率振荡,其作用效果明显且具有良好的适应性。
图 6 含有风电并网的单机无穷大系统Heffron-Philips模型
图 7 风电并网影响同步机组转矩示意图
图 8 基于能量函数的储能阻尼控制器
4、论文主要创新点
1)确定了用于风电场虚拟惯量补偿的储能容量需求,提出了一种用于风电场虚拟惯量补偿以及快速频率响应的储能调频策略,有效改善了含风电电力系统的频率特性。
2)发现了风电场根据并网导则在低电压穿越期间向系统注入无功电流引起风电系统发生频率失稳并导致低电压穿越失败的形成机理,设计了基于储能的风电场稳定控制器,给出了储能装置选型以及容量配置的建议。
3)发现弱电网情况下锁相环振荡是大规模风电经远距离交流线路外送发生功率振荡的形成机理,基于相位补偿原理,利用储能快速功率响应特性设计了弱电网情况下风电场锁相环阻尼控制器。
4)揭示了双馈风电机组通过锁相环影响邻近同步发电机组电磁转矩的作用机理和规律。设计了一种基于暂态能量衰减的储能阻尼控制器,能够有效阻尼常规机组间的功率振荡。
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