锁相环作用下含风电并网电力系统振荡稳定性研究

摘要

大规模风电等新能源高渗透率接入电网，将对电力系统的安全稳定运行带来新的挑战。风机主要经由基于矢量解耦控制的电压源型换流器并网，而锁相环是实现风机与电网同步连接的关键环节。通常情况下风机对电网呈现弱惯性特征，导致电力系统整体惯性相对降低，虚拟惯性控制在赋予风机惯性响应功能的同时，为风机和系统功率互动提供通道，将对电力系统低频振荡产生不可忽略的影响，且锁相环为虚拟惯性控制提供频率测量信号。在特定条件下，风机和系统间的动态交互作用可能引发电力系统振荡稳定性问题，其中由锁相环动态引起的交互作用主要包括锁相环和风机换流器控制系统间，以及锁相环和同步机轴系间的交互，若交互作用较强则可能导致风机自身或系统振荡失稳。为此，本文主要围绕锁相环针对含风电并网电力系统振荡稳定性问题展开深入研究，主要研究内容和成果包括:
　　(1)通过考虑锁相环动态研究了风机附加虚拟惯性控制对电力系统低频振荡特性的影响。构建了闭环互联系统模型，两个开环子系统分别为含锁相环、虚拟惯性控制动态部分以及系统其余部分，基于该模型分析了风机和系统在不同交互程度下虚拟惯性控制对电力系统低频振荡的影响。当开环锁相环模式和机电振荡模式在复平面分布位置较远时，风机和系统间交互作用较弱，虚拟惯性控制影响特性与风机接入地点等因素有关;提出了一种通过开、闭环机电振荡模式间关系评估虚拟惯性控制影响特性的方法，为虚拟惯性控制安装地点的选择提供参考依据。当开环锁相环模式和机电振荡模式相距较近，风机和系统间交互作用较强，虚拟惯性控制将进一步加强这种交互作用，可能引发近似强模式谐振现象。在模式谐振条件下对子系统模型进行降阶简化，应用根轨迹方法由开环振荡模式分布位置关系、虚拟惯性控制增益、极点出射角因素分析考虑锁相环动态后虚拟惯性控制对电力系统低频振荡的影响。
　　(2)研究了锁相环作用下风机换流器控制系统内各控制环节间，以及风电场内多风机间交互作用对电力系统小干扰稳定性的影响。通过构建单输入单输出闭环互联系统模型，其中锁相环动态部分为其反馈通道，从开环模式谐振角度研究了换流器控制系统间动态交互作用对系统稳定性的影响。当开环锁相环模式和对象子系统中一开环振荡模式在复平面分布位置接近时将引发开环模式谐振，此时控制环节间呈现强交互作用，使对应的闭环振荡模式朝相反方向移动，其中一谐振模式朝复平面虚轴方向移动，导致系统阻尼水平的降低。提出一种估计开环模式谐振条件下闭环振荡模式在复平面分布位置的方法，进而评估系统阻尼水平。分析了电网连接强度、系统运行点、无功控制结构及参数对开环模式谐振的影响，研究表明随着电网连接强度减弱或风机出力增大，子系统间交互作用得到进一步加强，甚至可能引发系统振荡失稳，且定电压控制相比定无功功率控制方式更有利于系统稳定运行。
　　(3)围绕锁相环研究了风机和同步机间动态交互作用对电力系统次同步振荡特性的影响。构建了以含锁相环动态部分为反馈子系统的双输入单输出闭环互联系统模型，应用开环模式谐振理论研究了风机接入对电力系统次同步振荡特性的影响。研究了锁相环和同步机轴系间的开环模式谐振，以及考虑锁相环间交互作用时风电场和同步机间的连锁开环模式谐振现象，并分析了系统运行点和连接阻抗对开环模式谐振的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 风电接入影响系统低频振荡研究现状

1．2．1 研究方法

1．2．2 虚拟惯性控制影响系统低频振荡机理

1．3 风电并网换流器动态影响系统小干扰稳定性研究现状

1．3．1 研究方法

1．3．2 并网换流器系统稳定性机理

1．4 风电接入引发系统次同步振荡研究现状

1．5 电力系统模式谐振机理研究现状

1．6 论文的主要工作

2．1 引言

2．2 锁相环模型

2．3 风机模型

2．3．1 直驱风机模型

2．3．2 双馈风机模型

2．4 电力系统模型

2．5 风机传递函数模型

2．5．1 直驱风机传递函数模型

2．5．2 双馈风机传递函数模型

2．6 本章小结

第3章 考虑锁相环动态的虚拟惯性控制对系统低频振荡特性影响

3．1 引言

3．2 考虑虚拟惯性控制的闭环互联系统模型

3．3 虚拟惯性控制影响评估

3．3．1 弱交互作用下虚拟惯性控制对系统稳定性影响

3．3．2 强交互作用下虚拟惯性控制对系统稳定性影响

3．3．3 根轨迹方法

3．4 仿真分析

3．4．1 单机系统算例

3．4．2 新英格兰系统算例

3．4．3 纽约-新英格兰互联系统算例

3．5 本章小结

第4章 锁相环作用下风电场小干扰稳定性机理分析

4．1 引言

4．2 闭环互联系统模型构建

4．3 开环模式谐振机理

4．4 开环模式谐振影响特性

4．4．1 开环模式谐振对风机外特性影响

4．4．2 子系统间交互作用影响因素分析

4．5 风机换流器控制系统内动态交互

4．5．1 直驱风机中锁相环和外内环控制间动态交互

4．5．2 双馈风机中锁相环禾nPl,内环控制间动态交互

4．5．3 外环控制间动态交互

4．6 风电场内多风机间动态交互

4．6．1 锁相环2和锁相环1间动态交互

4．6．2 多锁相环间动态交互

4．6．3 锁相环和直流电压控制间动态交互

4．6．4 无功控制结构和参数影响

4．7 实验验证

4．8 本章小结

第5章 锁相环和同步机轴系间交互作用对系统次同步振荡特性影响

5．1 引言

5．2 闭环互联系统模型构建

5．3 子系统间交互作用分析

5．4 开环模式谐振影响评估

5．5 算例1

5．5．1 锁相环与同步机轴系间开环模式谐振

5．5．2 风机出力和连接阻抗影响

5．5．3考虑锁相环间的开环模式谐振影响

5．6 算例2

5．6．1 锁相环与同步机轴系间开环模式谐振

5．6．2 锁相环控制参数设计

5．6．3 连接阻抗影响

5．6．4 复杂结构锁相环影响

5．7 本章小结

6．1 研究结论

6．2 未来研究展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介