双馈风电场并网系统的次同步振荡特性及抑制策略研究

随着大容量风电场建设和并网运行,一方面采用串联补偿的高压输电方式下风电场在外送功率时可能存在次同步振荡的风险;另外一方面,当大容量风电场采用与火电厂打捆方式外送下,风电场的接入也将可能改变原有同步发电机系统的次同步振荡阻尼特性。针对上述大容量风电场并网引发的系统次同步振荡问题,论文以双馈风电机组为研究对象,深入研究并揭示双馈风电场并网系统的次同步振荡特性及其影响规律,并从挖掘双馈风电机组自身调控潜能出发,提出相应的抑制次同步振荡控制策略研究。为了研究双馈风电场经串补并网系统的次同步振荡特性,建立了双馈风电机组经串补并网系统小信号稳定分析模型,采用特征值分析法,研究了系统振荡模态,计算了系统的特征值和相关因子,确定了主导次同步振荡模态的系统状态变量,并研究了相关参数对系统次同步振荡影响的程度,特别是变流器控制参数以及锁相环节动态特性等影响次同步振荡的变化规律。针对现有阻尼控制策略很少考虑双馈风电机组变流器控制特性对次同步振荡的影响问题,论文基于阻抗分析法,从机侧变流器PI控制器的电路模型出发,建立了适合次同步振荡阻抗分析的双馈风电机组经串补并网全系统的等效电路模型,并通过在转子回路中引入一个虚拟电阻,提出一种基于虚拟电阻的双馈风电机组次同步振荡抑制策略,并与常规阻尼控制策略的抑制效果进行比较和验证。为了揭示风电场接入影响汽轮发电机组次同步振荡的规律,论文采用模态分析和灵敏度法,分析了风电场接入对系统次同步振荡模式的影响以及系统次同步振荡阻尼比对风电场参数的灵敏度,并分别获得了风电机组有功功率和无功功率输出变化对系统次同步振荡阻尼的影响规律。为挖掘风电场参与系统次同步振荡的抑制能力,通过引入有功功率-转速型和无功功率-转速型的传递函数,分析了有功和无功输出阻尼系统次同步振荡的机理,推导了其对系统次同步振荡阻尼性质和大小的表达式,从获得系统正阻尼的相角出发,利用遗传算法优化设计得到PID相位补偿环节的控制参数,提出了计及功率约束的双馈风电机组有功功率和无功功率附加阻尼控制策略。上述研究成果对确保风电场并网系统的稳定性以及提高风电送出和消纳水平具有重要的参考价值,为抑制含风电场的电力系统次同步振荡策略研究提供理论支撑和技术手段。