具备主动频率支撑功能的风力发电机电时间尺度特征与稳定机理研究

This proposal focuses on key issues about the electromechanical time scale characteristics and stability mechanism of wind power generation with the function of grid frequency support. The proposal includes the study of the electromechanical time scale excitation response of wind power generation and the representation of the electromechanical coupling characteristics; and reveals the production mechanism and physical meaning of the new electromechanical modes in power systems when utilizing the grid frequency support control in wind power generation. It will conclude the characteristics and stability of the electromechanical modes. The impact factors, including controller’s parameters, operation points, and strength of grid will be also studied. The electromechanical time scale phenomena, mechanism and path of the interaction between different wind power generators will be studied. The impact factors on the differential modes and common modes will be illustrated. The results of the proposal will offer fundamental theory and reference for the security and stability operation of power systems with high penetration of wind power generation.

本项目围绕具备主动频率支撑功能的风力发电机电时间尺度特征与稳定机理等关键问题开展相关研究。包括研究风力发电机机电时间尺度激励-响应关系及其机电耦合特性表征；揭示主动支撑电网频率控制加入，新的机电尺度模式产生的物理机理与意义，并总结这些机电尺度模式的特征与稳定性，以及受控制器参数、工作点、电网强度等因素的影响规律；揭示风机间由于主动支撑电网频率控制加入后产生的机电尺度相互作用现象、机理与机电功率传播路径，阐明影响风电场机电尺度差模振荡模式与共模振荡模式的因素。本项目的成果将为含高渗透率并网风电的电力系统安全稳定运行提供基础理论参考。

随着风力发电装机规模逐年提升，同步发电机逐渐减少，电力系统的惯量和调频手段日益减少，这迫切需要风力发电具备主动频率支撑功能。然而，这将使风力发电机组的机械动态将与系统频率耦合，由此可能导致由风力发电引发的新的机电时间尺度的稳定问题。本项目从风力发电机组机电时间尺度建模、单风力发电机组稳定特性、多风力发电机组之间共模与差模稳定特性逐层递进展开研究，所取得主要创新如下：.1、提出了反映风电机组机电动态特性的动态变速箱建模方法.提出了动态变速箱概念，反映了风电机组转子转速与内电势频率之间的关系特征，并通过此关系特征定性解释和描述了其机电动态过程中与同步发电机响应的根本区别。.2、发现了风电机组单机新的失稳现象.发现并分析了一种由DFIG锁相环和端电压控制环节引起的新的低频振荡现象。这种振荡现象的最大特点是由非机电尺度控制环节引起的，证实了非机电时间尺度的环节也可能引发机电时间尺度的振荡现象。.3、给出了机电时间尺度多机差模振荡分析一般化结论.基于对风电机组抽象结构，推导出了机电尺度振荡模态与风电机组等效阻尼与惯量的关系。并推广了互阻尼存在时的情况，发现了互阻尼对系统模态的影响规律。.4、发现了风电机组引起系统超低频振荡的风险因素.利用系统共模频率分析模型，分析发现了由风电机组引起的系统超低频振荡的原因与机制。为系统治理超低频振荡提供了理论支撑。.5、揭示了一种新的系统同步机制及其可能引起的失稳现象.揭示了一种电压源-电流源同步机制，并发现了一种由此产生的负阻尼机制。这不仅为理解电力系统的同步提供了新的视角，也为部分振荡问题提供了简洁而统一的解释。.结合项目研究，已发表了SCI论文1篇，中文核心期刊论文1篇，EI国际会议2篇，申请国家发明专利3项。项目负责人成为中国电源学会“电力系统中的电力电子变换”技术路线图主要编写人员。