双馈风电机组并网的次同步控制相互作用问题研究

当今的风力发电系统中双馈感应发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)的应用十分广泛。随着风电场规模的扩大,为了实现远距离输电的稳定和经济运行,大规模风电送出时经常采用串联电容补偿线路(简称串补线路),以增加线路传输功率、提高系统稳定性。按照相互作用的对象不同,风电机组的次同步振荡(Subsynchronous Oscillation,SSO)问题有3种类型,分别是次同步谐振(Sub-synchronous Resonance,SSR),指的是风电机组轴系与固定串补之间的相互作用;装置引起的次同步振荡(Sub-synchronous Torsional Interaction,SSTI),主要是指风电机组控制器或者相邻的FACTS装置控制器与风电机组轴系之间的作用;次同步控制相互作用(Sub-synchronous Control Interaction,SSCI),这类是指由风电机组控制器与固定串补之间的相互作用引发的次同步振荡。SSCI是随着风力发电技术的快速发展而出现的一种新的次同步振荡现象,2009年在美国第一次发生并造成风电机组的损坏。首先,运用小信号分析法分析SSCI,针对DFIG经固定串补输出的单机无穷大系统,建立了三质量块数学模型、感应电机五阶数学模型、变频器数学模型,以及电网输电线路的数学模型。采用特征值分析法分析系统的振荡模式,引入相关因子定量表示系统状态变量在所有振荡模式中的相关性大小。最后得出发生SSCI的诱因是固定串补与转子侧变频器的相互作用。其次,在PSCAD仿真平台中建立了详细的受控源等效变频器DFIG并网模型,并对等效模型的正确性进行仿真验证。结合时域仿真实现的复转矩系数法——测试信号法,分析转子侧变流器的控制参数、输电线路串补度以及线路电阻对SSCI的影响。研究结果表明:转子侧变流控制器内环比例增益的增大、转子侧变流控制器积分时间常数的减小、串补度的增加以及线路电阻的减小都会助增SSCI,转子侧变流控制器外环比例增益和积分时间常数对SSCI影响不大。然后,利用PSCAD仿真平台中建立的详细的受控源等效变频器DFIG并网模型,采用时域仿真法分析上述参数对SSCI的影响。研究结果与复转矩系数法所得结论一致。最后,参考对传统火电机组次同步振荡的抑制措施,鉴于DFIG本身的控制方式,通过改进DFIG转子侧变频器的控制策略,在功率的控制外环中附加阻尼控制环节,设计附加功率控制的次同步阻尼控制器(sub-synchronous damping controller,SSDC)来抑制SSCI,通过对功率的动态调节作用,增强DFIG所提供的电气阻尼,进而达到抑制SSCI的目的。并运用时域仿真验证了SSDC的抑制效果。