风电场与电网暂态交互作用及场网暂态协调控制技术的研究

From tens of milliseconds scale to hundreds of milliseconds scale, there is an unhealthy transient interaction between wind farm and power grid. When wind farm lacks of transient reactive quick adjustment, it will result in severe fall and ascend in bus voltage of grid during fault period and trigger the interlocking off-grid in low voltage and high voltage. If there is an unhealthy active interaction between field networks, it will lead to worsening of transient stability and damping characteristics of transmission system of thermal power plant integrated with wind farm power and overproof transient frequency fluctuation. Based on the transient interaction between the wind farm and power grid, this program reveals the mechanism of field-network interaction and proposes the theory and method of field-network transient coordination. This programme researches the following contents: (1) dynamical behavior characteristics and patterns of wind turbines and wind farm; (2) mechanism of wind farm and power grid transient interaction and control strategy of field-network transient coordination; (3) control system of wind farm and power grid transient coordination ( theoretical experimental device). The field-network transient coordination control strategy proposed by this program is the combination of wind turbine self-control and centralized control of turbine group. It aims to dig the transient reactive output of wind turbine group to stabilize the public bus voltage. Furthermore, it can modulate the transient active output of wind turbine group in order to make wind farm generate a stable effect on synchronous generators of power system.

在数十毫秒至数百毫秒的时间尺度下，大型风电场与电网之间存在不良的暂态交互作用。风电场缺乏暂态无功的快速调节可造成故障期间并网母线电压严重跌落或骤升，引发连锁的低电压或高电压风机脱网；场网之间暂态有功的不良互动可引起"风火打捆"输电系统的暂态稳定性和阻尼特性变差，还可引起暂态频率波动超标。本项目围绕风电场与电网的暂态交互作用展开研究，拟揭示场网交互作用机理，并提出场网暂态协调的理论与方法。内容包括：①研究风电机组和风电场机群整体动力学行为特点及规律；②研究风电场与电网暂态交互作用的机理及场网暂态协调控制策略；③研制"风电场与电网暂态协调控制系统"（原理性试验装置）。项目提出的场网暂态协调控制策略是风机自治控制和机群集中控制的结合，旨在挖掘风电机群暂态无功输出使公共母线电压稳定，调制风电机群暂态有功输出使风电场对电力系统中的同步发电机产生主动致稳效果。

在大规模风电并网和远距离交直流传输背景下，提出了若干关键理论与技术问题，主要研究内容如下：.（1） 研究了双馈风电机组的暂态行为，从机电解耦性的角度揭示了双馈风电机组的功角快变特征，为研究双馈电机对电力系统暂态稳定性影响提供了新的思路；.（2） 研究了风电场阻尼电力系统振荡的机理及时滞影响，提出了附加有功控制策略并分析了通信时滞对附加控制效果的影响。推导了风电场提供正阻尼的解析条件，基于该条件，设计了附加有功控制策略，将风电场公共母线的频率增量作为附加控制器的输入，附加控制器的输出经通信网络作用于各风电机组，以改善风电场整体动态行为，达到对电力系统产生正阻尼的作用。然后，考虑了通信时滞对控制效果的影响，提出并证明了求解风电场提供零阻尼的临界时滞以及计算系统发生Ｈｏｐｆ分岔的临界时滞的２个命题，以作为附加有功控制的约束条件。.（3）研究了特高压直流与双馈风电场的配合问题，针对“风火打捆”系统的暂态稳定性，提出了一种附加控制策略，并设计出控制装置样机，可提高“风火打捆”系统的暂态稳定性。基于所提附加控制策略的试验样机通过了实时数字仿真器(Real Time Digital Simulator, RTDS)的闭环验证。. 以上研究通过实时仿真试验验证了问题的解决思路和方案，对于提高风电渗透比例和电网安全具有重要的理论意义和实用价值。