风机机电暂态特性的建模分析及提高系统暂态功角稳定性的控制优化

摘要

近年来，我国和世界其它国家的风电装机容量持续高速增长。与传统同步机暂态特性显著不同的风机大规模接入电力系统带来了包括系统暂态功角稳定在内的诸多稳定挑战，特别是在我国甘肃等地区，由于风资源与负荷的逆向分布，风电大多需要经长联络线外送到远方的负荷中心，导致外送通道的长联络线长期重载运行，系统暂态功角稳定的挑战较为严峻。与传统同步机的机电暂态特性特别是有功特性主要由相关机电结构主导、受相关暂态控制的影响较小不同，风机机电暂态特性包括有功特性主要由相关暂态控制主导、受相关机电结构的影响较小，因此，与同步机暂态行为特别是暂态有功行为的优化空间较为有限不同，风机暂态行为特别是暂态有功行为可以在更大的范围、以更灵活的方式得到优化，进而提高含风电电力系统的暂态功角稳定。然而，目前风机暂态控制优化的相关研究一方面主要关注风机暂态无功行为的优化，在参考同步机暂态无功优化控制如强励等的相关理论分析结果和优化经验的基础上，提出了不同形式的风机暂态无功强增优化控制，而对风机暂态有功行为的优化关注较少；另一方面，少数的风机暂态有功优化研究也缺乏较全面深入的理论分析，优化控制的设计大多缺乏充足的理论支撑。 论文为了应对目前与传统同步机暂态特性显著不同的风机大规模接入电力系统带来的系统暂态功角稳定挑战，将开展风机机电暂态特性建模分析和控制优化的相关研究工作，在对含风电电力系统暂态功角稳定的三个参与主体即风机、同步机和电力网络理论分析的基础上，针对系统暂态功角稳定挑战较为严峻的风电远距离外送场景，运用论文相关理论分析结果，优化风机暂态行为特别是有功行为的相关暂态控制，提高系统的暂态功角稳定性。论文主要研究内容总结如下： （1）分析了锁相环对风机机电暂态特性的影响机理，建立了考虑锁相环影响的风机机电暂态时域模型。论文分析指出，锁相环主要通过影响风机dq旋转坐标系与外部电网定向电压矢量之间的相位关系来影响风机的机电暂态特性，忽略锁相环可能导致风机模型的有功和无功电流响应在机电时间尺度上发生较大的偏差；论文进而建立了考虑锁相环影响的风机机电暂态时域模型； （2）建立了基于幅相运动方程的风机机电暂态物理模型，分析了风机机电暂态特性的基本物理特征并指出了不足与优化方向。论文基于电力系统幅相运动方程建模方法，建立了现有典型风机的机电暂态物理模型；论文通过对该物理模型的分析，得出了现有风机在系统暂态期间主要响应系统电压幅值动态、几乎不响应系统电压相位动态的基本物理特征，进而指出了现有风机不积极响应系统电压相位动态对系统暂态功角稳定的不利影响，并提出了强化对系统电压相位动态响应的优化方向； （3）提出了单同步机无穷大系统同步机摇摆过程的新优化机理。论文基于提出的同步机每个摇摆周期四个阶段的分段方法，开展了同步机摇摆过程的定量和定性分析，进而提出了同步机摇摆过程的新优化机理，即单同步机无穷大系统同步机摇摆过程相关的稳定问题，包括功角单调失稳及振荡失稳，均可以通过适当地降低同步机在每个摇摆周期第1和第3阶段转子加速度的模值、最大化地增加第2和第4阶段转子加速度的模值得到改善； （4）分析了简单含风电电力系统暂态过程中网络特性的影响规律。论文针对两同步机单风机链式连接的简单系统，一方面量化分析了电网强度、电网结构、故障位置和系统潮流等网络特性变化是如何影响风机对同步机的作用强度/影响能力，归纳了相关影响规律；另一方面量化分析了不同位置处网络电频率的暂态特性，指出与稳态期间任意位置处的网络电频率均能有效表征系统同步机的转速状态不同，暂态期间只有靠近同步机位置处的网络电频率才能有效表征（邻近）同步机的转速状态； （5）设计了提高风电远距离外送场景系统暂态功角稳定性的风机有功电流暂态优化控制。论文综合运用前文对风机、同步机和电力网络的理论分析结果，针对系统暂态功角稳定挑战较为严峻的风电远距离外送场景，设计了具体的风机有功电流暂态优化控制，并作了较充分的仿真验证。

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