DFIG并網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性分析與改進(jìn)控制策略研究.pdf

1、隨著風(fēng)能資源的大力開發(fā)與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展,風(fēng)電所占電力系統(tǒng)比重日益增加,風(fēng)電并網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了大量的分析與研究,并采用了一系列優(yōu)化控制方案來改善風(fēng)電機(jī)組及電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。本文以應(yīng)用前景廣闊的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-fedInductionGenerator,DFIG)為研究機(jī)型,以Matlab/Simulink軟件為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以IEEE經(jīng)典系

2、統(tǒng)為仿真算例,以減小DFIG接入對(duì)系統(tǒng)的不利影響,保障風(fēng)電機(jī)組和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為研究目的,進(jìn)行了相關(guān)的理論分析并提出了相應(yīng)的改進(jìn)控制策略。
　　建立了DFIG系統(tǒng)在給定基準(zhǔn)值系統(tǒng)下的風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)模型、兩質(zhì)量塊軸系模型、槳距角控制系統(tǒng)模型、雙饋感應(yīng)電機(jī)模型以及雙變頻器控制系統(tǒng)模型的標(biāo)幺化微分代數(shù)方程組,并通過泰勒級(jí)數(shù)展開得到用于小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析的線性化狀態(tài)方程。研究了單機(jī)無窮大系統(tǒng)(OneMachineInfiniteBus,

3、OMIB)中DFIG全風(fēng)況運(yùn)行下的小擾動(dòng)穩(wěn)定性及其阻尼特性,得到一些有意義的結(jié)論:系統(tǒng)在額定風(fēng)速以下受到擾動(dòng)時(shí),DFIG軸系會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻尼較弱的振蕩模態(tài),系統(tǒng)在額定風(fēng)速以上受到擾動(dòng)時(shí),DFIG槳距角控制系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻尼較弱的振蕩模態(tài);這兩種振蕩模態(tài)都與機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相關(guān),振蕩頻率很低,而與定轉(zhuǎn)子磁鏈變化相關(guān)的振蕩模態(tài)頻率較高,且具有良好的阻尼特性;控制DFIG作為PV或PQ節(jié)點(diǎn)接入電網(wǎng)時(shí),引入的振蕩模態(tài)和阻尼特性幾乎相同。
　　

4、以小擾動(dòng)穩(wěn)定性研究為基礎(chǔ),分析了閉環(huán)系統(tǒng)下DFIG電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)軸系阻尼的作用。考慮到DFIG機(jī)械部分與電氣部分的耦合作用,電網(wǎng)故障下DFIG軸系不可避免會(huì)受到一定的沖擊。為減弱外部擾動(dòng)下的軸系振蕩強(qiáng)度,延長(zhǎng)機(jī)械部件的使用壽命并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,本文設(shè)計(jì)了基于轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定控制模塊(Powersystemstabilizer,PSS),通過對(duì)DFIG輸出的電磁功率進(jìn)行快速控制,使其注入與轉(zhuǎn)速同方向變化的阻尼功率來削弱軸系振蕩

5、。文中給出了PSS設(shè)計(jì)參數(shù)的詳細(xì)求解方法,通過特征值分析和時(shí)域仿真驗(yàn)證,DFIG軸系阻尼能得到有效改善。
　　風(fēng)電出力不能像傳統(tǒng)的火電、水電那樣保持恒定,考慮到風(fēng)能的強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性,風(fēng)速信號(hào)中可能存在著不同頻率的持續(xù)周期性小擾動(dòng)。這種持續(xù)周期性小擾動(dòng)會(huì)使風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫功率振蕩,當(dāng)擾動(dòng)頻率接近系統(tǒng)固有頻率時(shí),系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生振蕩幅度更大的功率諧振。為了研究風(fēng)速擾動(dòng)與風(fēng)電機(jī)組強(qiáng)迫功率振蕩的內(nèi)在聯(lián)系,論文在OMIB系統(tǒng)下提出了一種DFIG強(qiáng)迫

6、功率振蕩的頻域分析法。以系統(tǒng)線性化微分代數(shù)方程為基礎(chǔ),構(gòu)建了風(fēng)速和DFIG輸出功率間的目標(biāo)傳遞函數(shù),由傳遞函數(shù)所得的幅頻特性曲線能直觀的表現(xiàn)出DFIG輸出功率振蕩幅值和風(fēng)速擾動(dòng)幅值比與擾動(dòng)頻率之間的關(guān)系。系統(tǒng)特征值中的振蕩模態(tài)反映出可能存在的諧振頻率,振蕩模態(tài)的阻尼比體現(xiàn)出該頻率點(diǎn)的諧振強(qiáng)度。在Simulink中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果驗(yàn)證了該分析方法的正確性和適用性,也為如何采取有利措施以減弱系統(tǒng)強(qiáng)迫功率振蕩提供了一種思路。
　　同樣

7、,風(fēng)速的持續(xù)周期性小擾動(dòng)也可能引起電力系統(tǒng)中其他同步發(fā)電機(jī)的強(qiáng)迫功率振蕩。在含DFIG的電力系統(tǒng)中,通過不同坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,論文給出了DFIG、同步發(fā)電機(jī)以及負(fù)荷的機(jī)網(wǎng)接口方程處理方法,最終得到完整的系統(tǒng)特征方程,建立了以風(fēng)速擾動(dòng)為輸入量,各發(fā)電機(jī)功率變化為輸出量的目標(biāo)傳遞函數(shù),擴(kuò)展了強(qiáng)迫功率振蕩分析法的應(yīng)用范圍。以IEEE三機(jī)九節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)為仿真算例,得到了同步發(fā)電機(jī)組可能發(fā)生大幅度功率諧振的擾動(dòng)頻率點(diǎn)和諧振強(qiáng)度以及產(chǎn)生這種諧振的

8、誘因,給出了安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、優(yōu)化DFIG槳距控制系統(tǒng)參數(shù)等有利措施以減弱系統(tǒng)的強(qiáng)迫功率振蕩。
　　對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng),當(dāng)風(fēng)速在短時(shí)間范圍內(nèi)波動(dòng)較大時(shí),風(fēng)電出力的快速變化會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。結(jié)合DFIG的轉(zhuǎn)速控制與變槳距控制,文中提出了一種基于約束因子限幅控制的有功功率平滑控制策略,能一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG輸出功率的削峰填谷,使注入到電網(wǎng)的風(fēng)電功率更加平滑,有利于減少系統(tǒng)中與風(fēng)電配套使用的備用容量。在IEEE三機(jī)九節(jié)點(diǎn)