基于阻抗模型分析的双馈风电机组稳定控制方法研究

In order to improve the stability of grid connection operation of wind turbine, Impedance model analysis based on small signal stability is used to research the grid connection control strategy of DFIG(doubly fed induction generator). In this proposal, the influence by mechanical system is ignored. From the viewpoint of converter control, the interaction between control system and electromagnetic dynamic characteristic and grid is analyzed. The inherent relationship between system stability and DFIG control system is analyzed by the research of impedance characteristic. The content of this project include: modeling and impedance analysis of DFIG with transient response of flux and control system, unity modeling and impedance analysis of DFIG considered grid-side converter, stability analysis of DFIG in different grid connection condition, design method for control strategy of DFIG converter based on impedance stability criterion. The influence by PLL and grid connection condition is considered in this project. The interaction between control system and impedance characteristic is analyzed and the model simplify method is researched in multiple time scales. Novel idea about the design and operation of DFIG converter will be offered. The research will not only be applied to DFIG system, but also be used to other grid connection system. So the research on impedance analysis of DFIG system is of great theoretical meaning and practical value.

为提高风电机组并网运行的稳定性,本项目拟采用基于小信号稳定的阻抗模型分析方法研究双馈风电机组的并网稳定运行控制方法。研究过程忽略机组轴系机械系统影响，从双馈变流器的控制角度出发，研究变流器控制系统和双馈电机电磁暂态特性与电网的交互影响,分析变流器控制系统与整个并网系统稳定的内在联系。研究内容包括考虑双馈发电机磁链暂态和转子侧控制系统的阻抗建模，考虑网侧变流器的双馈风电机组统一阻抗模型及特性分析，多种并网条件下双馈风电机组稳定运行分析，基于阻抗特性稳定判据的双馈风电机组变流器控制系统设计方法。建模分析过程中将着重分析锁相环和并网条件对系统稳定的影响，研究在不同时间尺度下各环节对系统阻抗特性的影响及系统模型简化方法。本项目将为双馈变流器控制系统的设计及运行提供新的思路和方法，分析方法和研究成果也对其它并网设备的并网运行分析具有一定借鉴作用，因此具有重要的科学意义和实用价值。

随着风电单机装机容量的不断增大及风电在电力系统容量所占比例的不断提高，风电机组不同并网条件下的不稳定运行以及和其他并网设备的交互作用等问题逐渐显现，主要体现在各种宽频振荡的频繁发生，严重影响系统及风电机组的安全稳定运行。双馈型风电发电机是目前采用最广泛的机组类型，其既具有类似于传统同步发电机并网特性，又具有电力电子并网变换器的运行特点。本项目采用阻抗模型分析的方法来研究双馈风电机组的并网稳定问题。.本项目研究过程中，分别在同步旋转坐标系下和静止坐标系下建立了双馈风电机组的统一阻抗模型。模型中包含了双馈发电机内部电磁暂态以及转子电流环、锁相环、功率环等控制环节，同时包括了网侧变流器中电流环、锁相环和直流电压环等环节。在所建立模型基础上，采用广义奈奎斯特判据，重点分析了弱电网及串补情况下双馈风电机组与系统交互作用的稳定性，分析了控制系统各环节动态特性对系统稳定性的影响。针对双馈发电机弱电网运行情况，提出了考虑锁相环影响的虚拟感抗控制方法和电压扰动前馈方法，提高了系统稳定性。针对双馈风电机组串运行场景，采用静止坐标系下阻抗模型和RLC等效分析相结合的方法，分析了虚拟电阻和虚拟电感对次同步振荡阻尼的影响，提出了机网协调控制和基于无功协调控制的次同步振荡抑制策略，提高了机组次同步振荡频段的阻尼。针对三相并网变流器弱电网运行场景，提出了基于并网点电压前馈的控制方法，减小了锁相环和直流电压环与电网阻抗的耦和。针对传统矢量控制带来的频率耦合现象，根据阻抗模型提出了基于对称控制的频率耦合抑制方法，提高了并网变流器的稳定性。.本项目已按照预期计划完成了研究目标，基于阻抗模型提出的相关控制方法有效的提高了双馈风电机组并网运行的稳定性。相关研究内容已通过仿真或实验验证，发表在国内外权威期刊上。相关研究成果不仅适用于双馈风电机组并网稳定分析，也对其它并网设备的并网运行分析具有一定借鉴作用。