弱电网故障期间双馈风力发电系统动态稳定性分析及控制策略研究

摘要

受风能资源与用电负荷逆向分布的影响，我国风电存在着大规模开发远距离输送的特点，导致其所并电网强度减弱，短路故障频发。并且，随着风电场容量的提高，其与电网之间的动态耦合作用也不断增强，使得弱电网短路故障期间风力发电系统存在着振荡失稳的风险。与传统电力系统的暂态失稳不同，弱电网短路故障期间风电系统的振荡失稳问题涉及到了多时间尺度控制的相互作用，其行为规律非常复杂，振荡频率呈现出宽频的特征，属于动态稳定问题的范畴。这种新型的振荡问题严重威胁了风电系统的安稳运行，也制约了风电的消纳。然而，目前对于弱电网短路故障期间风电系统振荡问题的研究尚处于起步阶段，导致其振荡机理不清、振荡形态不明，且缺乏优化的控制策略。此外，短路故障期间，尤其是不对称短路故障期间风电系统的频率耦合问题也非常突出，目前并没有形成有效的分析手段，使得对故障期间系统的频率耦合机理缺乏全面的认识。　　因此，为提高弱电网故障期间风电系统的动态稳定运行性能，本文以双馈风力发电系统为研究对象，对弱电网对称及不对称短路故障期间双馈风力发电系统的振荡失稳机理、振荡影响因素及优化的控制策略进行了研究；根据复频域阻抗模型，对对称及不对称短路故障期间系统的频率耦合机理进行了探索；考虑传输线路阻抗、电压不平衡度等因素，对弱电网小值不平衡故障期间双馈风机的协同控制策略进行了优化。论文的主要研究内容如下：　　①建立了弱电网对称短路故障期间计及锁相环及线路阻抗的双馈风力发电系统小信号模型，阐述了低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)期间双馈风机不同控制环路之间及其与电网阻抗之间的动态耦合作用，揭示了弱电网对称短路故障期间系统的振荡失稳机理；基于小信号模型，对弱电网短路故障期间的风电系统进行了全面模态分析，确定了系统最弱阻尼的振荡模态，并得到由控制器相互作用引发的宽频振荡特征；此外，通过特征根轨迹探究了系统不同参数对其动态稳定性的影响规律，结合弱电网短路故障期间的电压矢量关系，提出了计及振荡抑制性能约束的最优有功/无功电流配比方案和锁相环带宽优化方案；通过时域仿真和实验验证了理论分析的正确性和所提控制方案的有效性。　　②为了探索短路故障期间双馈风力发电系统的频率耦合问题，本文将对称短路故障作为不对称短路故障的一种特例，从复频域的角度建立了描述短路故障期间系统频率耦合特性的阻抗模型；综合考虑源-网的相互作用，基于复频域的阻抗模型厘清了LVRT期间双馈风力发电系统的频率耦合机理，并详细描述了短路故障期间系统的频率传递演化规律，形成了一种通用的频率耦合分析方法，为清晰认识对称短路故障及不对称短路故障期间双馈风力发电系统的频率耦合现象奠定了理论基础；通过时域仿真和实验验证了理论分析的正确性。　　③推导了适用于分析弱电网不对称短路故障期间双馈风力发电系统振荡失稳问题的等效复阻抗模型；根据复阻抗模型的输入输出特性，详细描述了弱电网不对称短路故障期间系统正负序阻抗及序间阻抗的动态相互作用，揭示了其振荡失稳机理；并基于特征根不变的原则，对复阻抗模型进行了归算，得到了符合广义奈奎斯特判据需求的等效复传递矩阵；采用广义奈奎斯特判据综合评估了电压不平衡度、转子转速、锁相环及正负序电流环控制参数等对弱电网不对称短路故障期间的系统动态稳定性的影响，并据此提出了故障过程中控制器带宽的优化选择方法；通过时域仿真和实验验证了理论分析的正确性。　　④研究了电网小值不平衡故障下双馈风机的负序电流输出能力；在此基础上，结合机-网侧变流器各控制目标的负序电流需求，推导了双馈风机不同控制目标的可控运行区域；此外，考虑传输线路阻抗及电压不平衡度等因素的影响，根据可控运行区域提出了弱电网小值不平衡故障下机-网侧变流器的优化协同控制方案。有效降低了双馈风机对公共连接点电压不平衡度的影响，显著增强了双馈风机对弱电网小值不平衡故障的适应性；通过时域仿真和实验对所提协同控制方案进行了验证。

目录

目 录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 国内外风电发展现状

1.2.2 低电压穿越过程中的技术指标及要求

1.3 双馈风机的典型 LVRT控制策略

1.3.1 对称故障下双馈风机的穿越控制策略

1.3.2 不对称故障下双馈风机的穿越控制策略

1.4 国内外风电稳定性研究现状

1.4.1 风电大规模接入对系统稳定性的影响研究

1.4.2 电网故障下并网风力发电系统稳定性研究

1.5本文的主要研究内容

2 弱电网对称短路故障期间双馈风力发电系统动态稳定性分析及改进控制策略

2.1 引言

2.2.1 双馈风机的结构

2.2.2 双馈风机的数学模型

2.3 弱电网对称短路故障期间双馈风力发电系统的小信号状态空间模型

2.3.1 双馈风机小信号模型

2.3.2 锁相环小信号模型

2.3.3 转子电流环小信号模型

2.3.4 电网小信号模型

2.4 弱电网对称短路故障期间双馈风力发电系统的稳定性分析

2.4.1 电网电压跌落程度的影响

2.4.2 故障位置的影响

2.4.3 转子电流环参数的影响

2.4.4 锁相环带宽的影响

2.4.5 转子转速的影响

2.5 弱电网故障期间改进的低电压穿越控制方案及仿真验证

2.5.1 最优有功/无功电流配比方案

2.5.2 锁相环带宽优化方案

2.5.3 仿真验证

2.6 实验系统构成及实验验证

2.6.1 实验系统构成

2.6.2 实验验证

2.7 本章小结

3 电网短路故障期间双馈风力发电系统的频率耦合特性分析

3.1 引言

3.2 不对称故障下双馈风机及网侧变流器的数学模型

3.2.1 不对称故障下双馈风机数学模型

3.2.2 不对称故障下网侧变流器数学模型

3.3 不对称故障期间双馈风机的复频域导纳模型及频率耦合特性分析

3.3.1 锁相环模型

3.3.2 双馈风机及网侧变流器模型

3.3.3 转子电流控制模型

3.3.4 网侧变流器控制模型

3.3.5 双馈风机的导纳模型

3.3.6 不对称故障期间双馈风机的频率耦合特性分析

3.4 不对称短路故障期间电网的耦合现象

3.4.1 单相接地短路故障电网的耦合现象

3.4.2 两相接地短路故障电网的耦合现象

3.4.3 两相相间短路故障电网的耦合现象

3.5 双馈风力发电系统的频率耦合特性

3.5.1 不对称故障期间电网的复频域阻抗模型及频率耦合特性分析

3.5.2 短路故障期间系统的频率耦合特性分析

3.6 仿真及实验验证

3.6.1 仿真验证

3.6.2 实验验证

3.7 本章小结

4 弱电网不对称故障期间双馈风力发电系统的动态稳定性分析及优化控制策略

4.1 引言

4.2 弱电网不对称短路故障期间双馈风力发电系统的总阻抗模型

4.3 弱电网不对称故障期间双馈风力发电系统稳定性分析

4.3.1 锁相环带宽对系统稳定性的影响

4.3.2 不对称短路故障程度对系统稳定性的影响

4.3.3 转子转速对系统稳定性的影响

4.3.4 转子电流环带宽对系统稳定性的影响

4.3.5 实验验证

4.4 弱电网小值不平衡故障期间双馈风力发电系统的优化多目标协同控制策略

4.4.1 双馈风机的负序电流输出能力

4.4.2 双馈风机的控制运行区域

4.4.3 弱电网不平衡故障期间的多目标协同控制策略

4.4.4 仿真验证

4.4.5 实验验证

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1主要结论与创新点

5.2工作展望

参考文献

附录

A. 状态空间方程的系数矩阵

B. 攻读博士学位期间录用或发表的论文

C. 攻读博士学位期间申请的发明专利

D. 攻读博士学位期间参与的科研项目

E. 学位论文数据集

致 谢