风电场/群次同步振荡的电力电子模型化研究

Grid-connected with large-scale wind power and a large number of power electronic devices have made great changes in the grid characteristics and led to sub-synchronous oscillation problems in wind power. It cause the generator off the grid or the damage of the facilities. The analysis of theory and method with sub-synchronous oscillation in wind farm has become the basic and the applied issues.In this study, the method of modeling power electronic devices and wind farm / groups will be initially studied for sub-synchronous oscillation. Then, this project analysis with harmonic impedance characteristic of the power electronic devices and power grid performance of the wind turbine convert. Finally, this project proposed a wind farm planning method for suppressing sub-synchronous oscillation. The research will use theoretical analysis, simulation and experiment methods. Model simplification and its equivalent methods of wind farm groups are studied with actual wind farm test data for Sub-synchronous oscillation. The key technology is: (1) proposing a simplified and reduction method that is used for the electromagnetic transient model of power electronic devices of wind turbines for sub-synchronous oscillation; (2) giving the equivalent modeling method in wind farm / groups for sub-synchronous oscillation ; (3) studying the harmonic mechanism of transmission in power electronic device which caused the sub-synchronous oscillation; (4) discussing the planning and design methods of wind farm considering sub-synchronous oscillation. The research achievements have great significance on the characteristic of power electronic devices, sub-synchronous oscillation analysis and can ensure the stability of the power system after the large scale wind power integration.

大规模风电和大量电力电子装置并入电网，使电网特性发生重大变化，已带来风电场次同步振荡问题，导致风机脱网或设备损坏，风电场次同步振荡分析的理论与方法已成为基础性和应用性研究课题。为此，首先研究包含电力电子装置的风电场/群次同步振荡模型化简方法，然后分析电力电子装置谐波阻抗特性、变频设备的涉网特性，最后提出抑制次同步振荡的风电场规划方法。课题研究采用理论分析、仿真以及实验相结合的方法，利用实际风电场测试数据研究风电场/群次同步振荡的模型化简和等值方法。其技术关键是（1）提出次同步振荡分析中风电机组电力电子装置电磁暂态模型化简方法和降阶方法；（2）给出风电场/群次同步振荡等值建模方法；（3）研究电力电子装置引起次同步振荡的谐波传播机理；（4）探讨考虑次同步振荡的风电场规划设计方法。该研究将对大规模风电并网后电力电子装置特性、电力系统次同步振荡现象的分析和电力系统稳定运行具有重要的参考。

大规模风电和大量电力电子装置并入电网，使电网特性发生重大变化，已带来风电场次同步振荡问题，导致风机脱网或设备损坏，风电场次同步振荡分析的理论与方法已成为基础性和应用性研究课题。本项目针对风电场/群次同步振荡的电力电子模型、机理分析、抑制方法等进行了研究。项目的主要工作如下：首先，建立了永磁直驱风机和双馈风机的小信号阻抗模型，模型同时考虑了转子侧变换器、网侧变换器、直流电容母线环节和锁相环的影响，推导出阻抗公式，并通过频率扫描方法验证了阻抗公式，在弱电网条件下分析控制器参数变化对并网稳定性的影响。基于特征值分析进行双馈风机简化建模与模态分析，通过系统的特征值以及对应的参与因子可识别出机电模态，轴系模态和次/超同步模态。其次，进行了双馈风电场次同步振荡的聚合模型研究，分析了机组额定功率分群的聚合方法和保留机械系统的聚合方法，结果表明，两种聚合模型在降低风电场模型的复杂度、提高仿真高效性的同时，均能准确反映次同步振荡的频率，但在振荡幅值上保留机械系统的聚合方法比按机组额定功率分群的聚合方法精度更高；采用复转矩系数分析法，研究了风火打捆系统中双馈风机单机聚合模型，从火电机组的振荡频率，聚合前后系统电气阻尼系数来看误差较小，单机聚合模型不影响系统阻尼特性分析，同时提高仿真效率。再次，理论分析了次同步振荡时的次谐波传播特性和基于节点重要度指标的节点的选取。以39节点模型为例，基于傅里叶分析法和Prony分析研究了谐波次数以及传播范围。结果表明次谐波含量随着传播距离的增加会减少，次同步振荡也会随着传播距离的增加而逐渐减弱。研究表明通过合理规划直驱风机连接的位置与直驱风机台数可以减弱次同步振荡，提高电力系统稳定性。最后，利用复转矩系数法研究含串联电容线路的风电场经VSC-HVDC系统并网的次同步振荡机理，研究表明，在抵御系统次同步振荡能力方面，直流输电送端采用定交流电压控制方式要强于定无功功率控制方式；直流线路越长，为系统提供正阻尼越大，直流电压波动越小。同时,研究了STATCOM附加次同步阻尼控制器抑制风电机组次同步振荡的设计和考虑温度和湿度的风机功率信号反馈算法。并利用实验室的对拖实验平台，对风机次同步振荡理论分析进行验证。该研究将对大规模风电并网后电力电子装置特性、电力系统次同步振荡现象的分析和电力系统稳定运行具有重要的参考。