双馈风电机组并网振荡分析与抑制策略研究

作     者：方冉 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张学广

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：双馈风电机组 阻抗分析法 并网稳定性 弱电网 次同步谐振 

摘      要：双馈风电机组是目前使用最广泛的风力发电机组类型之一,其并网稳定性问题备受关注。由于双馈风电场一般建设在远离负荷中心的地区,双馈风电机组并网振荡大多发生在两种并网条件下,一种是与电网阻抗不能忽略的弱电网连接,这时电网阻抗和双馈风电机组等效阻抗的交互作用可能会导致并网振荡。另一种是与接有串联补偿电容的串补电网连接,这种情况下并网系统存在着发生次同步谐振的风险。本文以阻抗模型为工具,对这两种并网条件下的双馈风电机组并网振荡问题进行分析,并设计改进控制器提高双馈风电机组的并网稳定性。为了分析弱电网条件下的并网振荡问题,本文首先在dq坐标系下建立了双馈风电机组小信号统一阻抗模型。与已有模型不同的是,本文所建立的模型中同时考虑了双馈风电机组的转子侧和网侧控制器内外环以及锁相环的影响,并通过直流母线环节的功率耦合作用将转子侧和网侧联系起来。基于推导的统一阻抗模型,利用广义奈奎斯特稳定判据分析了控制器参数以及电网强度等因素对弱电网下双馈风电机组并网稳定性的影响。同时根据阻抗模型,分别推导出并网点电压到机侧和网侧控制器输出电压给定之间的小信号传递关系,据此分别在机侧和网侧控制器中引入并网点电压扰动量前馈,提高机组在弱电网下的并网稳定性。由于dq坐标系下的阻抗模型物理意义不明确,难以用于串补电网条件下的次同步谐振分析。本文通过将dq坐标系下的统一阻抗模型变换为复矢量形式并进行频率变换,得到两相静止坐标系下双馈风电机组的正负序阻抗模型,模型的耦合程度得到降低,并且具备明确的物理意义。基于该模型,采用等效RLC串联谐振电路,分析了控制器参数以及电网参数对并网系统次同步谐振频率和等效阻尼的影响。由于分析得出次同步频段的系统等效阻尼是随频率降低的,本文通过同时在转子侧控制器中引入附加阻尼和虚拟感抗,在提高系统次同步频段阻尼的同时降低系统固有次同步谐振频率,使该控制器相对于单纯的附加阻尼控制器能够更有效地抑制次同步谐振的发生。通过在Simulink中搭建详细仿真模型,对双馈风电机组等效阻抗进行扫频测量验证了本文所推导模型的正确性,并通过仿真验证了本文在弱电网和串补电网条件下稳定性分析的正确性和改进控制器的有效性。在实验室双馈实验平台上进行实验验证了弱电网下稳定性分析的正确性和改进控制器的有效性。