电网故障持续期间双馈风力发电机并网系统小信号建模与分析研究

并网导则要求风电场在故障持续期间响应无功电流支撑电网电压以协助电网恢复。风机并网系统在故障持续期间的稳定性既是可靠响应无功电流的内在要求,也是故障穿越后续阶段逐步恢复有功出力的基础,因而十分重要。并网系统的稳定性与电网条件密切相关,然而现有风机装备故障穿越控制策略的设计和研究一般基于并网点为强电网的条件,未充分考虑大规模集中式开发、远距离输送等风电开发模式下长输电线路具有显著阻抗这一实际因素。随着风电渗透率进一步提高,现有风机并网系统在故障持续期间的失稳风险未能得到充分评估,且已有研究未考虑一般性的不对称故障工况。故障持续期间可长达数百毫秒乃至数秒,并网风机系统电磁暂态量已近于完全衰减,可采用小信号方法研究其稳定性。相比同步发电机,基于电力电子技术的风机装备可提供更快的电流控制动态,该特性须在稳定性建模和分析中得到重视。本文基于深度对称/不对称故障场景,围绕高阻型弱电网条件研究计及电流动态双馈风力发电机并网系统在电网故障持续期间发生小信号中低频(约10-100 rad/s)失稳问题的机理,重点探索转子侧变换器控制参数的影响,努力为工程实践中故障穿越控制系统设计和进一步研究提供参考。具体内容包括:(1)基于一般化建模思路分别建立了故障持续期间双馈风力发电机装备和不对称故障网络计及电流动态的小信号模型。从外特性出发定义了双馈发电机装备计及电流动态的内电势和内电抗,在此基础上建立了双馈发电机装备的频域小信号模型;建立了不对称故障工况下故障网络计及电流动态的频域小信号模型;建立了不对称故障网络和双馈发电机装备计及电流动态的状态方程时域模型;基于并网系统频域模型指出了弱电网故障持续期间并网系统可能的小信号稳定问题的两个主要类型和相应研究思路。(2)基于弱电网对称故障场景,分析了深度故障持续期间双馈发电机并网系统受正序网络阻抗引入的正序锁相环-转子电流环相互作用影响在中低频段因阻尼不足发生第一类振荡失稳问题的机理。首先阐述了正序阻抗在并网系统内引入的正序锁相环-转子电流环相互作用;鉴于模态分析结果表明并网系统的弱阻尼模态是锁相环主导的,为量化该相互作用对锁相环的影响,基于复转矩系数法概念将该相互作用对锁相环相位运动的影响用阻尼系数和恢复系数量化;分析了各关键因素如何影响阻尼系数和恢复系数从而影响并网系统稳定性,揭示了弱电网深度对称故障期间并网系统因正序锁相环-转子电流环相互作用减弱了正序锁相模态的阻尼而发生第一类失稳问题的机理。(3)基于弱电网不对称故障场景,在确保正序子系统自身和负序子系统自身均充分稳定的前提下,分析了深度不故障期间双馈发电机装备受序间耦合网络阻抗引入的序间相互作用影响在中低频段因阻尼不足发生第二类失稳问题的机理。首先研究了发电机装备和故障网络的输入输出特性,明确了影响序间相互作用的关键因素;然后基于模态分析方法,得到了序间相互作用影响正、负序子系统的不同规律,并完成了序间耦合支路往负序的等效归算;接下来研究了双馈发电机装备和故障网络基本单元的输入输出特性与并网系统稳定性间的内在联系,并基于复转矩系数法概念定义了弱阻尼的正、负序耦合系统的阻尼系数和恢复系数,将序间相互作用对负序子系统稳定性的影响用阻尼系数和恢复系数的变化量予以量化。在此基础上,分析了不对称故障工况下影响序间相互作用的关键因素,揭示了弱电网深度不对称故障持续期间因序间相互作用减弱了负序锁相模态的阻尼而发生第二类失稳问题的机理。