【摘 要】
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基于电力电子变流器的双馈风电并网系统具有多时间尺度特征,受扰后与同步机和串补输送线路产生多形态交互,易激发从机电暂态到电磁暂态多时间尺度的宽频振荡问题,可能导致大规模风机脱网,严重威胁电网安全稳定运行。如何构建有效的宽频振荡稳定分析方法及主动阻尼技术,提升双馈风电并网系统安全稳定运行能力,已成为亟待解决的关键问题。为此,本文从物理本质出发,以能量流刻画宽频振荡的动态发展过程,构建基于动态能量的宽频
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目:高比例风电-柔直电网动态强交互作用及振荡稳定性研究,项目编号:52130709； 国家自然科学基金面上项目:含虚拟惯量的大规模风电并网系统振荡机理及控制措施研究,项目编号：51777070； 国家重点研发计划课题:风力发电在次/超同步频率的动态特性优化控制技术研究,项目编号:2018YFB0904003；
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基于电力电子变流器的双馈风电并网系统具有多时间尺度特征,受扰后与同步机和串补输送线路产生多形态交互,易激发从机电暂态到电磁暂态多时间尺度的宽频振荡问题,可能导致大规模风机脱网,严重威胁电网安全稳定运行。如何构建有效的宽频振荡稳定分析方法及主动阻尼技术,提升双馈风电并网系统安全稳定运行能力,已成为亟待解决的关键问题。为此,本文从物理本质出发,以能量流刻画宽频振荡的动态发展过程,构建基于动态能量的宽频振荡分析方法,并聚焦不同时间尺度下机网耦合作用,描绘双馈风电机组控制环节和电网间的能量交互路径,揭示宽频振荡发生发展机理。在此基础上,以优化系统能量耗散为目标,分别构建了机组侧能量重塑-风场级能量协同的主动阻尼控制方案,实现了双馈风电并网系统宽频振荡的有效抑制。论文研究的主要内容和成果有:1)针对现有分析方法主要针对某一时间尺度振荡和某一静态断面进行稳定评估,难以适应多时间尺度宽频振荡动态分析的问题,构建了基于动态能量的宽频振荡分析方法,推导了双馈风电并网系统中势能和耗散能与振荡模态及特征值之间的量化关联关系,提出了基于耗散强度的宽频振荡在线稳定评估方案,明晰了宽频振荡下动态能量分析基本原理,为动态能量分析法奠定理论基础。2)针对机电振荡场景下双馈风电机组机网交互路径不明,系统低频振荡发生发展机理难以准确揭示的问题,推导了机电暂态下双馈风电机组通过锁相环和虚拟惯量与电网间的交互能量通道,并利用机网耦合耗散强度量化表征机网耦合作用,追踪了机网耦合耗散强度为负时的能量流通路径,阐明了机网耦合诱使低频振荡发散的作用机理。3)针对次/超同步振荡分量在控制环节间的传导及交互路径不清晰,振荡发生发展过程难以追踪、振荡机理不明的问题,刻画了电磁暂态下风电机组各控制环节中的动态能量传递支路,解析了各能量支路对系统势能和耗散能量的贡献程度,描绘了动态能量在控制环节-设备级-场网级中传导-累积-耗散过程,揭示了次/超同步振荡发生发展的物理本质。4)针对现有风电机组振荡抑制策略难以自适应不同振荡场景,无法兼顾全宽频段稳定性以及机组基频功能的问题,在风电机组控制环节中,构建了势能和耗散能量补偿支路,提出了多支路能量重塑技术,并兼顾低频稳定需求及风电机组基频响应需求,设计全宽频段补偿能量协调优化方案,实现了自适应振荡场景、有效兼容机组基频特性的宽频振荡主动阻尼控制。5)针对现有风场级控制策略以单机等值风场为基础,难以兼顾场内多机耦合作用,进行全局振荡抑制的问题,计及多机组间控制参数、运行状态等差异,推导了反映机间振荡模式和场网振荡模式稳定性的机间环流能量及机间感应能量函数,描绘了动态能量在风场内以及场网间交互路径,探究了机组参数及运行状态差异对两种振荡模式的影响规律,构建了兼顾多振荡模式稳定需求的多机参数协同优化策略,实现了风场级宽频振荡主动阻尼控制。
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