大型风电机组弱联运行基础理论及关键技术研究

Wind farm usually consists of groups of the distributed power-electronics based power plants with small capacity. In contrast with the conventional centralized synchronous-generator based power plant, the wind power plant has the different power characteristics, operation principle and control strategy. In China, the wind power plants usually operate in the weakly-linked grid due to the network structure, distribution features of wind resources and loads. In such situation, complicated power interactions can occur among the wind power plants and grids at multiple time scales. As a result, some stability or reliability issues can be found in the real wind farms, which is never observed in the conventional power system. Typical phenomenon include the harmonic amplification or local voltage instability in steady state and the chain reaction of the wind power plants in transient state. This project focuses on the fundamental theory and key technologies of the weakly-linked wind energy conversion system in terms of modeling, power interaction mechanism, multiple time-scales stability and collaborative power control methods. It is hopeful that the research can improve the modeling, analysis and stability theory of the weakly-linked wind power plants and provide solutions to the operation issues in the real wind farm.

风电场通常由分布式、电力电子化、单机小容量发电机群组成，其外特性、运行规律和控制方法均不同于由集中式、同步化、单机大容量机组组成的传统发电系统。此外，由于组网方式、风力资源及负荷分布等特性，我国风电机组还具有“弱联运行”的特点。弱联条件下，风电机群及机网之间存在多时间尺度的复杂功率交互，导致实际风电场在运行过程中出现大量传统电力系统未曾发生的可靠性或稳定性问题，如，稳态时风电场内的谐波放大、局部电压的波动甚至失稳，暂态时风电机群的故障连锁反应等，影响了风电机组和电力系统的可靠稳定运行。围绕上述问题，本项目将从建模方法、弱联机群及机网功率交互机理、多时间尺度稳定性、功率协同控制方法等方面，对风电机组弱联运行的基础理论和关键技术展开研究。以期从理论角度，探索和完善弱联运行风电机群的建模、分析和稳定性理论；从应用角度，为解决我国弱联运行风电场的实际问题、提高风电机组的运行可靠性提供方案。

风电场通常由分布式、电力电子化、单机小容量发电机群组成，其外特性、运行规律和控制方法均不同于由集中式、同步化、单机大容量机组组成的传统发电系统。此外，由于组网方式、风力资源及负荷分布等特性，我国风电机组还具有“弱联运行”的特点。弱联条件下，风电机群及机网之间存在多时间尺度的复杂功率交互，导致实际风电场在运行过程中出现大量传统电力系统未曾发生的可靠性或稳定性问题，如，稳态时风电场内的谐波放大、局部电压的波动甚至失稳，暂态时风电机群的故障连锁反应等，影响了风电机组和电力系统的可靠稳定运行。围绕上述问题，本项目揭示了弱联运行条件下，风电机群和机网的多时间尺度功率交互机理、弱联机群及电网的小信号和暂态失稳规律、风功率波动对弱联网络电压频率波动和稳定性的影响；提出了电网正常条件下多风电机组分布协同功率控制方法，有效抑制了机群及电网电压频率波动，提高了弱联系统的电压频率稳定性，同时研究了分布式柔性输电设备对弱联系统电压频率稳定的作用及控制方法；揭示了电网故障条件下风电机组和机群的同步失稳机理，提出了电网故障条件下多风电机组分布协同暂态功率控制方法，有效实现了弱联系统的故障穿越和频率控制；并且研究了分布式柔性输电设备对弱联系统故障穿越的作用及控制方法。从理论角度，项目研究和完善了弱联运行风电机群的建模、分析和稳定性理论；从应用角度，相关研究成果为解决我国弱联运行风电场的实际问题、提高风电机组的运行可靠性提供参考。