微网双馈风电系统动力学建模、分岔分析及无功补偿策略的研究

The DFIG wind turbine system in micro-grid has suffered a lot from the oscillations, which are generated by the 3p oscillation in output torque and unbalanced loading condition when it is installed in the practical environment. The stability analysis currently focused on the ideal operational condition, which is quite limited and cannot accurately reflect the physical system. This proposal targets with the typical operational condition and studies the bifurcation behavior and stability analysis for such DFIG wind turbine system for micro-grid application. To overcome the limitation of current modelling, it pointed out the equivalent wind speed model and independent bases-based unbalanced loading analysis method. With these modeling methods developed, the actual physical system can be modeled properly. To reveal the reasons of oscillations, from the view of bifurcation, the complex behavior of DFIG and its mechanism are analyzed and explained under different operational modes and even when it is switched over. Further, to support voltage in micro-grid application, combined with the power quality, the adaptive reactive power algorithm is developed so that the overall optimized parameter space can be derived in order to maximize the stability margin. Finally, to solve the problem of interconnections between DFIG sources and dynamic loadings, the stability criteria of the connection of customer loading is proposed based on the impedance matching analysis between DFIG system and loading, which can solve the instability caused by the mutual interaction between loading and sources. This research can provide the valuable theoretical studies for the safe operation of grid-connected DFIG and improve the power quality.

微网双馈风电系统存在输出转矩脉动和非平衡负载接入所造成的振荡失稳问题。现有的微网稳定性分析主要针对理想运行工况，无法反映系统的真实运行环境。本申请针对微网双馈风电系统开展分岔行为与稳定性研究。为克服现有模型的局限性，开展输出转矩的等效风速模型以及基于最小正交基的三相非平衡负载建模分析方法的研究，建立真实运行工况下的系统物理模型；为揭示系统振荡失稳的物理机理，开展分岔理论研究，根据参数稳定区间分析各运行模式和模式切换时系统的分岔行为；在此基础上，为解决电压支撑问题，结合电能质量等物理参数，开展无功补偿策略的研究并全局优化参数稳定区间，从而保证系统的最大稳定裕度，提高电能质量；最后，为解决动态负载与源互联的分岔稳定性问题，根据常风速下双馈风机与负载的导纳域阻抗匹配关系，给出动态负载接入的稳定性条件。本课题的研究为微网双馈风电系统的安全运行提供有价值的基础理论研究，有助于提高供电质量和可靠性。

本项目旨在以微网双馈风电系统输出转矩脉动和非平衡并网条件所造成的振荡失稳问题为研究重点，探索不平衡并网条件下双馈风电系统的建模分析方法，实现对潜在不平衡并网条件下振荡失稳现象的稳定性分析；提出面向稳定性的参数设置与控制策略及非线性研究方法，改善不平衡并网条件下双馈风电系统对二次谐波的抑制能力以及电压支撑能力。为实现双馈风电系统在微网中的可靠、稳定运行工作提供技术支撑，为自主无功输出支撑电网电压，改善微网稳定性等方面提供研究基础。通过研究，本项目提出了基于full-dq变换的不平衡条件建模分析方法并对双馈风电系统与不平衡并网条件交互作用进行了分岔稳定性分析与控制改善，难点是现有建模分析方法对不平衡并网条件的局限性、双馈风电系统的强非线性以及低频振荡特性给分析与控制带来的困难。采用基于full-dq变换的建模分析方法为该难点的研究提供了一种新的理论基础，取得主要成果有：1. 针对不平衡并网条件，提出并建立了基于full-dq变换的三相不平衡负载建模分析方法，解决现有微网建模分析方法的制约和局限性，保证了不平衡电路映射至dq±正负同步坐标系下的时不变特性，具有重要的理论和实际意义；2. 针对不平衡工况，完成了双馈风电系统full-dq建模，并通过正序分量与负序谐波的调制实现了阻抗扫频技术，验证了双馈风电系统full-dq阻抗模型，给出了双馈风电系统的阻抗建模新思路；3. 在不平衡建模分析方法的基础上，完成了不平衡并网条件下不同工作模式双馈风电系统的分岔分析与稳定性的研究。理论上揭示了系统分岔失稳物理现象的机理为并网变流器饱和调制、无法输出无功电流所致，解决了微网双馈风电系统与多负载互联的稳定性问题；4. 完成了双馈风电系统的正负序快速提取技术以及无功补偿策略研究。从电能质量的角度出发，通过无功补偿策略实现系统参数稳定区间的全局优化。解决了微网双馈风电系统与多负载互联的电压支撑问题，从而最大化系统稳定裕度；5. 开展了微网并联逆变器分岔分析、不平衡并网条件下基于full-dq的控制策略研究，在不平衡并网条件下保证了功率均分与环流抑制；6. 基于事件驱动通讯机制的微网广域测量实时状态估计研究，有效缓解微网状态监控的数据吞吐量。根据研究结论，项目组发表了38篇学术论文，其中SCI论文18篇，授权2项专利、1项受理，登记了3项软件著作权，培养了6名博士研究生，14名硕士研究生。