新能源电力系统的次同步振荡与阻尼控制特性研究

摘要

能源赋存与负荷中心的逆向分布导致我国采用特高压交流和特高压直流输电技术以实现大容量、远距离输送电能。为增强输电能力，其中部分特高压交流输电线路加装串联补偿，可能激发电力系统次同步振荡(SSO)，严重时威胁大型火力发电机组和电网的安全稳定运行。随着新能源开发规模的不断增大，以风电为代表的新能源接入到以火电为主的传统电力系统给次同步振荡研究带来了新的挑战。本文结合我国电力系统的这些特点，开展了如下研究:
　　基于特征值分析法研究了采用串联电容补偿的交流系统和含SSDC的直流输电系统中的阻尼守恒现象，找到了阻尼守恒的原因，即如果某参数不出现在系统状态矩阵的对角线上，那么该参数不影响系统总阻尼。在串补交流系统中，即使串补度改变系统总阻尼仍守恒;在HVDC系统中，投入附加次同步阻尼控制器(SSDC)后，系统总阻尼增强了，SSDC增益改变时系统总阻尼仍然守恒。随着SSDC增益的增大，轴系模态阻尼增强的同时，某些模态的阻尼减弱了，说明轴系模态的阻尼是从其它模态“借”来的，因此，在控制器设计中，次同步振荡模态的增益过大可能使其他模态的阻尼过弱，甚至导致系统失稳。
　　以往的研究普遍认为速度反馈型电力系统稳定器(PSS)对SSO有负面影响，而功率反馈型PSS对SSO的影响很小，本文经过研究发现除了输入信号类型之外，PSS的相位补偿方式也是影响SSO的非常重要的因素，滞后补偿再反相的速度反馈型PSS既能利用理想的转速偏差作为反馈信号，又能避免对轴系扭振敏感，对SSO几乎没有影响。
　　作为发电机电气阻尼的重要组成部分，阻尼绕组对次同步阻尼的作用不可忽视。当发电机转子中存在次同步电流时（包括因次同步振荡产生的次同步电流和附加控制器注入的次同步电流），由于次同步频率范围较大，从几赫兹至几十赫兹，不同模态频率下集肤效应的强弱、磁饱和的程度不同，此外，温度、发电机阻尼系统的结构以及电机设计经典公式的误差等因素都会影响阻尼绕组的等效参数，进而影响次同步振荡特性。本文选用IEEE SSR第一标准模型，研究了阻尼绕组参数对次同步阻尼特性的影响规律，即随着阻尼绕组的电阻增大，该系统的SSO模态1至模态4的阻尼增强，模态5的阻尼基本不变;而阻尼绕组漏电抗对SSO模态的影响没有明显的规律性，但阻尼绕组漏电抗计不准会对评估次同步阻尼能力产生很大的影响。
　　在新能源发电系统中，传动轴系模型对风力发电机组次同步振荡的分析至关重要，本文中选用三质量块模型分析风力发电机的次同步振荡问题。首先建立了双馈感应发电机(DFIG)及其控制系统的数学模型以及电网换相型高压直流输电(LCC-HVDC)系统的数学模型，采用特征值和参与因子分析法以及时域仿真法深入研究了双馈发电机群经高压直流输电并网的次同步振荡问题，研究结果表明:次同步振荡模态对DFIG转子侧控制器(RSC)的参数（KpQs、Kprd和Tird）较敏感，若控制器参数设计不当，次同步振荡模态的阻尼可能为负，导致系统不稳定;随着风速的增大，次同步振荡模态阻尼先略微减小后逐渐增大，模态频率略微增大;当HVDC的运行状态改变时，如果不能保持整流母线电压不变，那么次同步振荡模态会受到影响，随着整流母线电压升高，整流器触发角α增大，次同步振荡阻尼减小，频率基本不变。
　　内蒙古地区蕴含丰富的煤炭资源和风能资源，本文在呼辽直流输电系统中接入双馈风电场，建立详细的电磁暂态仿真模型，研究了风电场并网对火电机组次同步阻尼特性的影响，结果表明，对于风火打捆经直流送出的输电系统，在风力发电机组自身能够保持稳定运行的情况下，风电接入可以增强火电机组的次同步阻尼，而且风电穿透率越大效果越显著;风电场接入位置距离火电机组越近，增强火电机组次同步阻尼的效果越明显;风电接入虽然能够减轻火电机组的次同步振荡，但并不能从根本上消除火电机组的次同步振荡问题。
　　本文采用基于电压源型逆变器的次同步振荡动态稳定器(SSO-DS)抑制方法，首先建立了三相两电平主电路结构及其控制系统的数学模型，分析了其抑制次同步振荡的机理以及主电路参数和控制参数对次同步阻尼特性的影响。当外部环境变化导致SSO-DS装置的连接电感和储能电容参数在±30％范围内变化时，次同步振荡阻尼比的变化范围不超过±10％;随着阻尼控制模块增益Ksub1绝对值的增大，次同步阻尼增强，但增益过大可能因“借阻尼”现象而导致其他模态的阻尼过弱，甚至导致系统失稳;对于阻尼控制模块中的相位补偿环节，偏离最佳补偿角度后，次同步阻尼减弱。然后针对呼贝电厂的次同步振荡问题设计了工程适用的级联H桥拓扑结构，通过实时数字——物理闭环仿真实验验证了控制策略、优化了控制参数并检验了控制器的有效性，现场运行记录表明频繁超标的次同步振荡得到了有效的抑制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 次同步振荡分析与抑制方法的研究现状

1．2．1 次同步振荡分析方法的研究现状

1．2．2 次同步振荡抑制方法的研究现状

1．3 新能源电力系统的次同步振荡问题

1．3．1 规模化风电远距离输送的次同步振荡研究现状

1．3．2 规模化风电经直流输电并网所面临的次同步振荡难题

1．4 课题研究内容

第2章 阻尼守恒与阻尼影响因素研究

2．1 引言

2．2 特征值分析法及变量定义

2．3 阻尼守恒分析

2．3．1 模型简介

2．3．2 串联电容补偿度与阻尼守恒

2．3．3 SSDC与阻尼守恒

2．4 PSS相位补偿方式对次同步阻尼的影响

2．4．1 模型简介

2．4．2 PSS原理及参数设计

2．4．3 PSS相位补偿方式与次同步阻尼特性

2．4．4 滞后补偿再反相的速度反馈型PSS的可行性

2．5 阻尼绕组参数对次同步阻尼的影响分析

2．5．1 模型简介

2．5．2 直轴阻尼绕组D的电阻和漏电抗对各模态阻尼比的影响

2．5．3 交轴阻尼绕组g的电阻和漏电抗对各模态阻尼比的影响

2．5．4 交轴阻尼绕组Q的电阻和漏电抗对各模态阻尼比的影响

2．5．5 误差分析

2．6 本章小结

第3章 风力发电机传动轴系模型结构和模型参数问题研究

3．1 引言

3．2 传动轴系模型结构与固有振荡频率分析

3．3 传动轴系模型参数与振荡频率和阻尼分析

3．3．1 惯性时间常数对振荡频率与阻尼的影响

3．3．2 弹性系数对振荡频率与阻尼的影响

3．3．3 阻尼系数对振荡频率与阻尼的影响

3．4 本章小结

第4章 双馈风电机群经LCC-HVDC并网的次同步振荡特性分析

4．1 引言

4．2 双馈风电机群与LCC-HVDC数学模型的建立

4．2．1 异步发电机模型

4．2．2 DFIG换流器模型

4．2．3 LCC-HVDC模型

4．3 振荡模态与影响因素分析

4．3．1 振荡模态与参与因子分析

4．3．2 DFIG网侧控制器参数对振荡模态的影响

4．3．3 DFIG转子侧控制器参数对振荡模态的影响

4．3．4 风速对振荡模态的影响

4．3．5 HVDC运行状态对振荡模态的影响

4．3．6 与DFIG经串补线路送出的对比

4．4 时域仿真验证

4．5 本章小结

第5章 风电场并网对火电机组次同步特性的影响

5．1 引言

5．2 电网模型

5．3 风电穿透率对火电机组次同步阻尼特性的影响

5．4 风电场接入位置对火电机组次同步阻尼特性的影响

5．5 时域仿真

5．6 本章小结

第6章 有源型次同步阻尼控制特性研究与应用

6．1 引言

6．2 呼盟系统及其次同步振荡问题概述

6．3 SSO-DS抑制SSO的基本原理

6．4 SSO-DS的特征值分析

6．4．1 SSO-DS的数学模型

6．4．2 次同步阻尼特性与影响因素分析

6．5 仿真验证

6．6 SSO-DS的应用与案例分析

6．6．1 级联式SSO-DS的拓扑结构设计

6．6．2 级联式SSO-DS的控制系统设计

6．6．3 数字——物理闭环仿真验证

6．6．4 现场实验验证与数据分析

6．7 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

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