风电接入电力系统小干扰概率稳定与解耦控制研究

作     者：李京霖 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于淼;胡书举

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：风电并网 电压稳定影响 小干扰概率稳定 解耦控制 阻尼优化 

摘      要：随着我国电能需求总量爆发式增长与目前研究热点“双碳目标双重推波助澜,能源转型已经成为一个非常受关注的研究课题,其中风电在新能源发电领域扮演着重要角色。风力发电产能受环境风速变化影响较大,且这种非具体的、间歇性变化导致风电产能不可控,难以准确预测机组产能。因此,大量风电机组接入电力系统对风电拓扑网络结构优化提出更大挑战,电网稳定和安全运行保障也会受到影响,甚至可能威胁到公共安全。此外,双馈感应风电机组(Doubly Fed Induction Generator,简称DFIG)也会出现弱阻尼或负阻尼恶劣现象,进而导致系统发生低频振荡,在大规模风电场中,可能导致发电机组集体脱网。再者,由于作用于风机上外力难以控制的特点,当DFIG向电力系统注入能量时,可能造成风电机组与原电力系统间交互影响。由此可见,研究风力发电稳定接入电网对电力系统小干扰稳定性和阻尼特性造成的影响是非常有意义的。首先,本文考虑风电拓扑网络结构输入/输出参数数量和风电系统研究方法可能会影响概率计算方法的繁琐性以及有效性。针对风电拓扑网络上风电输送距离对小干扰稳定性影响,从风电网络拓扑系统内部闭环控制角度出发,研究针对风电输送距离与公共连接点(Point of Common Coupling,简称PCC)电压问题,本文根据风电网络拓扑结构模型对风电系统高压侧和机端电压稳定影响做出分析,对低压侧和机端电压数学模型进行线性化,并将H控制率引入至该模型中,进而推导其稳定条件。通过对高风电穿透区域电网进行仿真算例,分析在具有高风电穿透电网区域或输电系统中可能发生电网稳定问题区域的电压稳定,验证电压控制下短期和长期供电安全的可靠性和对系统稳定性。其次,本文考虑到风电拓扑网络系统包含多台风电机,在研究基于对风电网络拓扑结构的稳定性影响分析之后,进而研究含风电电力系统小干扰概率稳定问题,针对弱阻尼或负阻尼引发的低频振荡现象。本文在使用概率分析方法时充分考虑电力系统中各种不确定因素,提出基于广域时序数据Lyapunov理论的变分贝叶斯推断(Variational Bayes Inference,简称VBI)分析概率稳定性方法。该方法针对电源管理单元(Power Management Unit,简称PMU)广域时序数据数目较多情形下存在计算效率低的缺陷,通过随机森林(Random Forest,简称RF)基尼指数分类指标对PMU广域时序数据进行分类,引入VBI框架提高计算效率,并获取状态近似后验概率密度函数,再结合直接Lyapunov理论给出概率稳定性判据。最后,以风电接入IEEE 10机39节点系统模型为例,采用本文提出方法进行仿真,仿真结果表明本文所提方法使得系统小干扰稳定概率达到81.2%,与传统基于马尔可夫链的蒙特卡洛方法稳定概率对比有明显提升,可为低频振荡研究提供理论支撑。最后,在分析多机小干扰概率稳定性基础上,本文深入对DFIG单机系统进行阻尼控制,以达到对风力发电接入电力系统引起低频振荡有效抑制。典型DFIG由于缺乏内部衰减扭矩,使得DFIG连接到电网后对整个系统低频振荡控制能力有限,当DFIG连接到电网时,系统衰减在一定程度上降低,当超预期可控阈值时,其稳定控制能力就会减弱。为提高系统衰减比,并增强抑制低频振荡能力,提出一种状态反馈解耦控制(State Feedback Decoupling Control,简称SFDC)方法,它能够抑制公共连接点电压振幅变化。根据给定DFIG传递函数模型和电力系统状态空间模型,引入能改变振荡因素耦合状态矩阵,实现对振荡因素独立调节,共同抑制其PCC电压稳定。最后,以风电接入四机两区降序模型为例,采用本文提出方法进行仿真,并与传统状态观测器方法进行比较。仿真结果表明,该方法具有准确性和有效性,可通过提高整个系统衰减比和降低节点电压振幅来有效抑制低频振荡。