风电弱电网次同步振荡吸收装置的研究_洪威.pdf

第 卷第期年月电力电子技术，风电弱 电网次同步振荡吸收装置的研究洪威、彭国敬，陶正华（常州大学，江苏常州；？南瑞集团有限公司，江苏南京）摘要：随着风电机组单机 容量的不断增大以及并网规模的不断扩大，大量经验表明风电具有随机性、波动性和间歇性，这些特性会导致所电网功 率快速变化。由于风电机组所接入的 电 网绝大多数为弱电 网，电网的特性较弱，电网 的波动与风电机组间由于机电耦合 作用可能会导致风电机组产生振荡。为此研宄了一种可以吸收风电机组次同步振荡（）的装置，该装置由绝缘栅双极型晶体管（）型电力电子变流器和超级电容 构成，通过采用 相应的控制策略对风电机组的分量进行 吸收 补偿，采用两种 吸收治理控 制策略，通过 仿 真研宄比较两种方案的可行性和有 效性。最 终通过实验验证了该方案的有 效性。关键词：弱 电网；风电机组；次同步振荡中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（？，）：，？，？，（），（），：；引言随着风力发电机组规模不断 扩大，风电单机的装机容量不断 提高，风电机组中由于存在大量的感性器件也随之 接入电 网中，导致电网阻抗特性也随之发生变化，且大规模的风电场均会采用串联补偿技术来往电网输送电能，由于风电机组大多是接入弱电网中，会导 致电 网和风电机组间出现，该振荡会直接威胁到电力系 统和风电机组的稳定性，严重时会导致风电机组大规模脱网及损坏。年以来，冀北地区陆续出现，发生在双馈风电机组与串补间，目前依 然靠切串补 停止振荡。年以来，新 疆地区多次出现，并且定稿日期：作者简介：洪威（），男，工程师，研究方向为电力电子技术在 新能源中的应用。导致花园电厂台万火电机组轴系扭振保 护动作跳闸。随着越来越多 的风电机组接入电网，电网整体的阻抗特性 发 生了改变，电 网阻抗的改变会导致风电机组中控制拓扑的关键参 数可能不再适用，影响了整个风电机组的性 能，严重时可能导致系统不稳定。的电网系统中可增 加 相关阻尼装置进行抑制般阻尼装置中需要增加相位环节，但对于风电系 统中的的相位补偿环节设计较 为困难。风电机组产生般 分为种：第种是由于风电机组所采用的控制策 略与线路中所串补器件相互影响而引起的；第种是风电机组的机械轴与线路中串补器件发生电气机械耦合 作用所导致的；第种 是风电机组所釆用 的控制或所串补器件所采用的控制策略 与风电机组的机械相互作用所 导致的。风电弱电网次同步振荡吸收装置的研究机理分析由于 风电机组在长距离输送电能时，机组与大电网间 的线路阻抗较大，这样导致风电机组的并网 点等效成一个弱电网。为 便于模型分析，此处风电场所采用 的风电机组均 为双馈型风电机组，且每台机组的电气 参 数与控制参 数相同，由于双馈型风电机组的 网侧 变流器与电网直接连接，故分析网侧 变 流器的数学传 递函数即可，该传递函数 结构框图如图所 示。？欠，人，次 图传递函数 结构框图 图中，尽，足为网侧变流器滤波回路的阻抗参数，私为风电机组与 大电网间的阻抗参数，网侧变 流器滤 波回路中的电感电阻見，电容内阻扎可以忽略，那么可得整流器的电流的系统开环传递函数为：（）（）（）（）当，时，风电机组在入网线路阻抗逐渐增 加，绘制曲线图，如图所示。？无穷大电 网图 吸收 治理装置拓 扑 吸 收治理装置工作原理是采集风电机组入网侧电流，通过变换后，得 到 两 相垂直相交的直流电流，将该直流电流通过带宽频率 设定好的滤波器滤波 后，得到振荡的电流交流分量，该部分分量即为分量。提取到分量后，有两种吸收治理方法：方 法是将该 分量经过取反补偿系数后 补偿到电流内环的前馈补偿中去，该方法的优点是补 偿量经过电流内环的闭环控制，稳定性较 好，缺点是吸收 补偿 效果受到内环控制 参数的影响，可能 会因为内环输出限幅导致吸 收治理效果 不好；方法是将所提取 到的分量经过移 相并乘以补 偿系数 后直接补偿到电流内环的输出值上，该方法的优点是由于是直接 补偿在电流内环输出值上，类似开环补偿，补偿更直接，避免了 由于电流内环参数选取不合适而导致治理效果不明显，缺点是由于需要经过角度移 相，如 果 移相角选取不合适，可能会导致治理效果不明显，反而会导致更 为严重。图系 统曲线 方法中吸收治理装置的控制策略框图如图所示。图中，采集风电机组出口处的端电流经过变 换后得到两相旋转的直流量，经过二阶带通滤 波器后得到了所需的分量，将该分量经过补偿系数心（一般可设为）后，得到 次同步 分量的抵消补 偿量，将该抵消补偿量补偿到电流内环输入上，同时将该补偿 量经过解耦控制后补 偿到电流内环的输出上。通过图可见，当风电机组所接入电 网 的阻抗 越来越大，所接入的电 网特 性 越 来越呈现弱电网特性时，会导致风电机组系统的广义曲线从不包围（，）点变 为包围该点，根据判断，说明随着所接入的 电网阻抗越来 越大，风电机组从稳定变为不 稳定。吸 收治理裝置的设计整流器采用风电机组的网侧 变流器的同源技术，采用相同的拓扑设计，为了能够吸 收 治理风电机组瞬时超大的有功、无功变化，整流器的直流 侧采用超级电容的形 式，拓 扑图如图所示。方法中 吸收治理装置的控制策略框图如图所示。图中，风电机组的分量的提取方式 与 方法相同，此处不再赘述，不同的是，实验验证经过上述 仿 真 分析 吸收治理方案对的治理效 果，此处搭建了实验平台进行实验验证。由仿真波形可见，效果比较明显，通过实验波形对比了两种方法对次同步吸 收治理的有效性，实验波形如图所示。；（无吸收 治理装置时电流（）无 吸收治理装 置时电流：叫丨纪念勝鞣？次（）采用方法丨时 电流丨！丨！丨丨丨丨！丨彐农縢（）采用方法时电流：次（）采用方法时电流（）采用方 法时电流）图风电机组电流及其 通过对比图，可以很明显看出在没有吸收治理装置时，风电机组输出电流的较大，达到，其中各个 次同步分量含量达到以上，最高的次同步分量占比达到。方法和方 法均能对电流的次同步 分量达到吸收治理效果，通过对比，方法较优于方法。图给出了不同情况下风电机组电流及其对应总谐波 畸变 率（），其中，图，为无吸收治理装置时的风电机组电流及其？，图，为采用方法时的风电机组电流及其），图，为采用方法时的风电机组电流及其）。（格）图实验波形此处将提取到的分量经过开环传递函数后，得 到补偿的风电机组端口电压补 偿分量，经过后，直接作用在电流内环的输出上。图方法控制策略框图模型搭建 与仿真分析下面就两种方法对次同步吸收治理效果进行仿 真 分 析，在中搭建了仿真模型，参数如下：额定功 率 为；额定直流电压为；额定电压为；开关 频 率为；线路阻抗为（）；转子电阻为；转子漏感为；定子电阻为；定子漏感 为；互感为。由仿 真波形 可见，不 论加入何种治理方法，对风电机组的分量都达到了有效吸收治理，如图，所。图风电机组轴电流和电压 由图可见，投入吸收治理装置 后，风电机组轴电流分量都得 到了有效 抑 制，其中，通过 方法和方法对比可见，在 相同 的电流内环控制参 数下，采用方 法的吸收 抑 制效果略优于方法，吸收治理效果提升了。而由图可见，风电机组的电流经过 吸收 治理后风电机组的端口电压也得到了有效治理，随 着风电机组的 电压、电流得到有效治理，波动幅值降低后，风电机组输出的有功功 率平稳输出，且由于无 功电流得到有效治理，降 低了风电机组与电网间的无功功率交换，降低了电网的无功负担，故提升了电 网的稳定性。第卷第期电 力 电子技术，年月（毖）这：）风电弱电网次同步振荡吸收装置的研究（格）（格）（）改进并联输出电压（）改进并联输出电流图引入电压补偿后的实验波形 可知，对并联运行电压补偿后，消除并联运行电压差 值，相比传统控制策 略，环流由降为，降低约为。综上可得，所 提策 略降低并联环流，提高无 功 功率分配精度。专，（格）传统并联输出 电压，（格）（）传统并联输出电流图传统并联输出电压和电流 图为引入电压补偿后并 联的相电压和电流。在此针 对并联因线路 参数不平衡引起的环流，提出了一种基于无功 偏差带电压补偿的环流抑 制 策略，在电压控制环节引入补偿电压，降低了并 联输出电压的差值，提高了无功功率 分配精度，抑制了并 联环流，同时保持了负荷电压的稳定，通过 实验结果证实了所 提 策略的有效性。参考文献别朝红，林超凡，李 更丰，等能源转型下弹性电力 系统的发展 与 展望中 国电机工程学 报，（）：郑天文，陈来军，陈 天一，等虚拟同步发电机技 术及展 望电力系统自动化，（）：，？，（）：温春 雪，黄耀智，胡长斌，等虚拟同步发电机接口变换器并联运行虚拟阻抗自适应控制电工技 术学报，（）：王国栋，李海洋基于阻抗匹配的构网型逆变器无功精确控制电力电子技术，（）：难在图中，为实验电压波形，为米用方法时的实验电流波形，为采用方法时的实验电流波形。结论通过 采用型电力电子变 流器和超级电容组成的次同步吸收治理装置，提出了两种治理方 案，通过仿 真分析对比了吸收 治理方案对风电机组的治理的有效性，经过分析对比，方法的治理效果优于方法。通过 仿 真 分析可知，该治理方案适用于风电机组中，且有 较好的治理效果。通 过实验验证了该仿 真，说明该吸收 治理方案 具有一定的使用和适用价值。参考 文献张帆，徐政采用抑制发电机次同步谐振的仿 真研究高电压技术，（）：电力系统稳定与 控制北京：中国电 力出版社，钟胜超高压输电线路加装串补装置有关的系统问题以及解决方案电网技术，（）：（上接第 页）王亮，谢小 荣，姜齐荣，等大规模双馈风电场次同步振荡的分析与研宂电力系统自动 化，（）：，？，（）：肖湘宁，罗超，缪坤玉新 能源电力系统 次同步振荡问题研究综述电工技 术学报，（）：，？：李明杰，于钊，许涛，等新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其 对 策研宂电网技术，（）：朱玲，许翔，侯玉强，等基 于宽频带转 子附加 阻尼的双馈型风机次同步振荡抑制 策略电 力系统保护 与控制，（）：董 晓亮，谢小 荣双馈风机定子 侧 变流器 附加阻 尼抑制次同步振荡方法研究高电压技术，（）：结论）一：（笨）