风电-串补输电系统次同步谐振机理与抑制措施研究

摘要

在新能源领域，风能是一种绿色、可再生能源。我国风力发电快速发展，大规模风电汇集地区的装机容量已经和常规火电厂相当。由于很多大型风电场位于偏远地区，距离负荷地区较远，需要在上送线路采用串补补偿装置以提高线路输送能力。双馈风机（Double Fed Induction Generator，DFIG）已经成为我国很多风电场的主力机型，其运行控制方式及变流器结构常常引起次同步谐振（Subsynchronous Resonance，SSR）问题。 本文首先以我国北方某大型风电汇集地区电力系统为案例，分析大规模风电经串补输电线路送出引发的次同步谐振现象及现场录波数据，总结风电-串补输电系统次同步谐振的产生条件和特征，包括电气量波形、频率、系统阻尼、串补电容的影响、无功补偿装置、风机类型的响应和负荷影响等。 其次，根据研究需要，建立双馈风机详细的数学模型，包括轴系、感应发电机、转子侧变流器（Rotor Side Converoter，RSC）和网侧变流器（Grid side Converter，GSC）、内部控制等。同时，建立风速模型，采用最大功率跟踪控制。然后，基于案例地区实际电网在matlab/simurlink仿真平台建立等值的系统模型，接入风机等值模型。由于该地区风机众多，在满足一定条件下，采用单一大容量风机等效整个风电场。通过小干扰稳定分析法，结合风电-串补系统的状态方程，分析振荡模态下各状态量的参与因子，确定了风电次同步振荡的类型。进而，推导单机-串补系统简化电路和多机-串补系统简化电路，明确风电次同步现象的机理，即双馈风机控制参与的感应发电机效应。此外，基于等值模型仿真和特征值法，定性分析风速、并网发电机台数、转子侧变流器电流跟踪比例系数等参数及风机变流器其他控制参数对次同步谐振的影响。 最后，本文分析总结次同步谐振抑制方法，结合案例地区次同步谐振现象的特征与影响因素，提出一种集中式的抑制方案，即网侧次同步阻尼器，确定该阻尼器基本构造，选取合适的反馈信号，设计控制器的结构，通过典型的电磁暂态仿真系统进行验证其有效性。然后对该阻尼器进行了多种工况下各种扰动时的仿真测试。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 风电次同步振荡机理

1.2.2 风电次同步分析方法

1.3 本文主要研究工作

第2章 风电-串补输电系统次同步谐振现象分析

2.1 引言

2.2 典型地区风电及汇集系统

2.3 风电次同步谐振事件

2.4 风电汇集地区风电次同步谐振的发生条件

2.4.1 串补投入与谐振

2.4.2 风电出力与谐振

2.4.3 功率下降与谐振

2.5 风电次同步谐振的特征

2.5.1 谐振的频率特征

2.5.2 谐振的阻尼特性

2.5.3 串补运行方式的影响

2.5.4 不同类型风机的响应

2.5.5 无功补偿装置的响应

2.5.6 地区负荷的影响

2.6 本章小结

第3章 风电-串补输电系统次同步谐振机理

3.1 引言

3.2 风电及汇集系统等值模型

3.2.1 双馈风机模型

3.2.2 电网等值模型

3.3 风电-串补输电系统次同步机理探究

3.3.1 引发风电-串补系统次同步谐振因素分析

3.3.2 风电-串补输电系统次同步谐振机理

3.4 次同步谐振影响因素分析

3.4.1 风速对次同步谐振特性的影响

3.4.2 并网发电机台数对SSR特性的影响

3.4.3 转子侧变流器电流跟踪控制环增益对SSR特性的影响

3.4.4 变流器其他参数对SSR特性的影响

3.5 小结

第4章 风电-串补次同步谐振抑制措施研究

4.1 引言

4.2 次同步谐振抑制方法

4.2.1 火电抑制措施

4.2.2 风机阻尼控制

4.2.3 FACTS阻尼控制

4.2.4 其他抑制方法

4.3 风电次同步谐振控制策略研究

4.4 网侧次同步阻尼器

4.4.1 原理分析

4.4.2 反馈信号选择

4.4.3 控制器设计

4.4.4 接入点选择

4.4.5 SSR抑制效果验证

4.4.6 不同工况验证分析

4.5 小结

第5章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 后续研究与发展

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢