双馈风电并网电力系统小干扰振荡稳定性研究

近年来国内外多次发生由风电场并网引发的电力系统振荡失稳事故,在这些事故中典型的系统结构如风电场-串联补偿输电系统、风电场-弱交流电网系统、风电场-柔性直流输电系统等,振荡失稳源于风电场与上述电力系统中其他动态元件之间的不利动态交互作用,呈现出发散速度快、大范围时变的振荡特性。在大规模风电汇集区域中风电机组数量众多,风电机群与电力系统间的耦合复杂,目前针对风电并网系统振荡失稳机理仍未形成共识,基于此,本文围绕大规模双馈风电机群并网电力系统小干扰振荡稳定性问题开展了一系列工作,其中重点关注次同步振荡问题,主要研究内容和成果包括:(1)研究了双馈风电场-串联补偿输电系统的次同步振荡问题与传统次同步谐振问题在机理上的共性规律。首先从开环模式耦合与闭环模式互斥的角度对传统次同步谐振中的轴系扭振问题进行了新的机理解释,即同步发电机的开环扭振模式与串联补偿输电线路主导的开环RLC振荡模式相近时,会导致闭环扭振模式和闭环RLC振荡模式发生互斥,使得其中一个闭环振荡模式的阻尼下降。进一步将该思想推广到双馈风电场-串联补偿输电系统次同步振荡机理的研究中,以双馈风电场和串联补偿输电线路作为两个互联的开环子系统构建了闭环互联模型,分析了串联补偿输电线路主导的RLC振荡模式与双馈风电机组换流器控制主导的次同步振荡模式满足开环模式耦合、引发闭环模式互斥的可能性,从而揭示了双馈风电场-串联补偿输电系统次同步振荡的机理。进一步地,研究了开环模式耦合与感应发电机效应两种机理的关联,指出两种机理可以互为补充,使得双馈风电场-串联补偿输电系统次同步振荡的机理解释更加完善。最后基于阻抗分析法和开环模式分析法对比分析了双馈风电场和串联补偿输电线路两个子系统间的阻抗交互作用和模式交互作用对系统次同步振荡稳定性的影响。(2)针对风电并网系统次同步振荡频率漂移问题,从风速变化影响开环模式耦合条件的角度解释了其内在机理。理论推导了受风速影响的风电机组的开环次同步振荡模式及其对应的留数,指出风速变化可能带来两方面影响,其一,导致满足开环模式耦合的模式对发生了变化,由此出现了不同频率范围内的闭环模式互斥现象,其二,影响了开环模式耦合条件下闭环模式互斥的程度,这样,风速的变化导致了风电并网系统主导振荡模式的阻尼和频率发生了改变。理论分析结果在两机等值双馈风电场并网系统和双馈/直驱混合风电场并网系统算例中得到了验证。(3)针对多风电场-多机电力系统的次同步振荡问题,将多风电场和多机电力系统作为两个互联的开环子系统,建立了多变量系统的闭环互联模型,基于多变量系统的开环模式耦合理论,并结合多风电场子系统模型的结构特点,提出了等价降阶的开环模式分析方法,分析了并网风电机组台数、风电机组输出功率、风电场位置对次同步振荡稳定性的影响机理,并从优化换流器控制参数以消除开环模式耦合条件的角度提出了次同步振荡的抑制方法。(4)研究了多台双馈风电机组之间的动态交互作用对系统小干扰稳定性的影响机理,将同构系统一致性控制理论中的稳定性分析方法应用到风电并网系统中,实现了动态交互的解耦分析,指出多台双馈风电机组互联系统的小干扰振荡稳定性的影响因素可以分为两个方面:1)单个双馈风电机组自身的动态特性,决定了双馈风电机组之间的动态交互作用对小干扰振荡稳定性影响的性质;2)互联电力网络的拓扑结构,影响了双馈风电机组之间动态交互作用对小干扰振荡稳定性影响的程度。