基于无锁相环直接功率控制的双馈风电并网运行控制技术研究

作     者：童豪 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：年珩

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：双馈感应发电机 无锁相环直接功率控制 电网电压故障 并网稳定性 柔性直流输电 

摘      要：在“碳达峰、“碳中和战略目标驱动下,新能源发电得到了快速的发展。基于双馈感应发电机（doubly fed induction generator,DFIG）的风电系统因其变流器容量小、功率灵活可调等优点,在电力系统中所占比例越来越大。由于我国风电并网点通常远离主网,需要远距离交流传输或者通过高压直流输送,一方面并网点电压容易发生各类暂态故障,其中对称故障将会导致双馈风电系统暂态过电流,并使输出功率和转矩中出现振荡,而不对称故障还会造成DFIG系统各电磁量中出现负序分量,给双馈风电系统安全运行带来了危害,降低了系统运行性能,另一方面风电接入的电网呈现低短路比的弱电网特征或者电力电子特征,而双馈风电系统因其控制和并网均采用电力电子变流器,给双馈风电系统引入了负阻特性,使其与电网之间的交互作用面临宽频带的振荡问题。因此,提升双馈风电系统在故障电网下的运行适应性以及并网的稳定性对于系统的安全稳定运行至关重要。基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统既能避免非理想电网电压下锁相环无法快速、精准跟踪电网电压同步信号,进而影响DFIG系统控制性能的问题,又能改善DFIG系统基频附近的相位特性,提升低频段DFIG系统并网的稳定性,降低了传统锁相环引起的DFIG系统低频振荡风险,对于非理想电网具有良好的适应性。以此为背景,本文针对基于无锁相环直接功率控制的双馈风电并网控制展开研究,完成了以下工作:1)针对电网电压对称暂态故障造成的转子暂态过电流以及电磁暂态分量振荡问题,研究了双馈风电机组无锁相环直接功率控制改进方法。提出了虚拟同步坐标系下基于转子电流前馈的虚拟阻抗方法减小转子过电流峰值,同时研究了基于转子电流直接谐振控制的暂态电流控制方法加快定子暂态磁链的衰减,提升了电网电压对称故障下基于无锁相环直接功率控制的DFIG系统低电压穿越能力。针对电网电压不对称暂态故障下电能质量下降问题,研究了双馈风电机组无锁相环直接功率控制不平衡电压灵活补偿方法。在无锁相环直接功率控制的基础上提出基于直接谐振和混合虚拟阻抗的电网不平衡电压补偿方法,可以连续、灵活地调节DFIG系统负序输出阻抗,进而实现对电网不平衡电压的灵活补偿。2)针对电网电压故障持续期间工作点变化发生的振荡失稳问题,研究了故障持续期间无锁相环直接功率控制双馈风电机组功率配置方案。建立了故障持续期间无锁相环直接功率控制的双馈风电机组小信号阻抗模型,分析了不同电压跌落深度和不同输出功率/电流对稳定性的影响规律,研究了基于无锁相环直接功率控制的双馈风电机组在故障持续期间能稳定运行的功率区间,实现故障持续期间无锁相环直接功率控制双馈风电机组小信号稳定的功率配置。3)针对基于无锁相环直接功率控制的双馈风电接入柔性直流输电系统的高频振荡问题,研究了风电柔直互联系统高频振荡抑制方法。建立了基于交流电压控制的柔直送端换流站交流端口高频输出阻抗模型以及无锁相环直接功率控制双馈风电高频简化阻抗模型,分析控制延时和频率耦合特性对高频阻抗的影响规律,并基于等效单输入单输出阻抗模型揭示风电柔直互联系统高频振荡发生机理,进一步提出了基于频率耦合消除的阻抗重塑方法实现高频振荡的抑制,提升风电接入柔直系统的高频稳定性。