风电场机网扭振作用传递、等值及其阻尼控制研究

Damage of shafts, gear box, blades, etc., which is caused by the torsional vibration of grid-connected wind generator, is found in the wind turbine generator (WTG) practical engineering. Based on the advance research on the mechanism and interaction of the torsional vibration, a strategy is put forward to predict and suppress the torsion of the wind farm with multi-type machines. First, on the basis of the accurate model for various types of single WTG, a small disturbance equation of multi-machine wind farm system is established. Then the torsional vibration transmission characteristics are researched. Secondly, comparing these equivalent methods, models are built respectively, and further researches on the interactions of torsional vibration between wind farm and the grid are carried. Further more，character library of the torsional vibration is established in theories of rough set, random set and inference algorithm. The methods of measuring and predicting torsional oscillation are also studied. Finally, we propose an available strategy suppressing torsional vibration including wind turbine and wind farm equivalent model, through the combination of power electronic devices ( wind turbine converter , SVG or SMES) state space average model and wind turbine small perturbation model.

从风力发电实际工程中发现风电机组的机网扭振会对机轴、齿轮箱及桨叶等造成损伤，基于本课题组前期对主流机型风电机组单机扭振机理及相互作用的研究，提出对非同型风电场多机系统扭振的预测和抑制策略。首先，基于前期完成的对各种机型的单机精确建模，建立统一的非同机型风电场多机小扰动方程。在此基础上，研究机组间扭振的传递特性。其次，比较等值简化方法并建立等值机模型，研究非同机型多机风电场单等值机或多等值机模型扭振与电网的相互作用。再次，利用粗糙集的随机集描述及推理方法，建立风电机组单机扭振特征库，研究风电机组扭振作用测量与预测方法。最后，结合电力电子装置（风电机组变流器、SVG或SMES）的状态空间平均模型与风电机组小扰动模型，提出非同机型风电机组和风电场等值机模型的扭振抑制策略。

现代并网型风电场的规模在不断增大的同时，风电场异常运行的事件也在不断增多，其中，风电场有功功率在低于工频频率下的振荡的异常运行现象屡见报道，有时伴随有风电机组大规模脱网事故。这些振荡有时发生在风电场的内部，从一台或几台风电机组开始，逐渐扩展到其它风电机组；有时发生在风电场与电网的联络线上，表现为有功功率以一个频率大幅波动。因此，对这些风电场有功功率振荡应进行准确地评估。更多的相似问题虽未见报道，但是很多风电场的主动解列事件也被怀疑与此有关。.我们在MATLAB/Simulink中详细推导了当今主流风电机组的小信号模型；利用特征值分析和相关因子分析，对机网相互作用振荡模态进行辨识和分类。研究认为这些有功振荡现象主要有两种可能性，即低频振荡和次同步相互作用SSI。传统理论认为低频振荡由发电机快速励磁的负阻尼作用引起，一般频率在0.2 ~ 2.5Hz之间；对于风电的次同步相互作用SSI的研究近年才引起关注，一般认为SSI可分为SSTI（SSR/SSO）、SSCI两种。SSTI被称为次同步扭矩相互作用，认为这种作用与轴系的机械动态有关，最终将作用于轴系上表现为机械扭转力矩，可能导致风电机组轴系机械结构的损伤；这其中包括SSR/SSO两种不同的作用方式，次同步谐振SSR是由电网中的串联电容引起谐振，而次同步振荡SSO是一种含高速电子开关的控制系统稳定性问题，因为意料之外的不当的相位关系，形成正反馈所致，二者都会在轴系机械系统发生相互作用，频率与轴系的自由频率接近。SSCI被称为次同步控制相互作用，认为与电力电子的高速控制系统及串补电容相关，即与电气谐振频率相关，在较低串补度时就会发生。.我们研究了单机——无穷大系统的机网相互作用以及风力发电系统内部控制参数和运行初值的影响，从系统稳定性出发，研究各个控制参数和运行初值对机网相互作用所有振荡模态的影响，考虑各个振荡模态变化特性，选取最佳的控制参数和运行初值区域；然后将结果推广到多机风电场，研究了含多种机型的风电场风电机组间轴系扭振的传递特性；进一步的，针对风电场规模扩大详细模型仿真难度大的问题，研究风电场的等值建模方法，提出一种适用于风电场扭振分析的等值简化方法，该等值简化方法通过矩阵的相似变换，大幅度降低系统阶数，避免大规模风电场建模出现的“维数灾”问题。