基于阻抗模型分析的双馈风电机组稳定控制方法研究

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。 2100433B

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。

《双馈风电机组建模/新能源科技译丛》共八章，第一章介绍了建模的概况及编制目的；第二章讲述了风电机组动态模拟的气动模型；第三章分析了风电机组主要机型组件建模必要的精细程度；第四章介绍了初级涡轮机控制建模必要的关键概念；第五章介绍了双馈发电机系统（DFG）风电机组和全功率变流器系统（FSC）风电机组的发电机和变流器模型；第六章阐述了风电厂无功功率电压控制系统设计；第七章是本书总结部分，同时介绍了针对推荐模型和无功功率/电压控制结构的应用前景。

“注意，“Fed”并不确指电能的交换方向（输出还是输入），所以，双馈既有双馈发电机，亦有双馈电动机。对于绕线转子的异步电机，除了定子必然和电源相联之外，转子也可以和电源相联，于是，当电机作为发电机时，称之为双馈异步发电机；反之作为电动机时，则称为双馈异步电动机，而只有一端和电源相联的普通电机则属于“单馈”。

还要指出，双馈发电或双馈电动均属于和外部电源的电能交换，因此，双馈（Double Fed）以及串级（Cascade Control）都应归属于外馈。

双馈风电机组由于自身结构特点，其低电压穿越问题较为严重。目前常用的解决方案是采用撬棒（Crowbar）电路，，但是该方案存在着机组失去可控性和吸收无功电流等缺陷，难以适应未来日益严格的风电并网标准。为此，本项目开展了双馈风电机组无Crowbar保护的低电压穿越控制技术的研究。主要研究内容包括：1）计及网络和运行工况的暂态模型和暂态行为；2）深度故障下无Crowbar低电压穿越的运行机理；3）深度故障下无Crowbar低电压穿越控制策略；4）适应于深度故障下暂态电流跟踪控制方法；5）无Crowbar低电压穿越运行极限；6）贯穿整个故障过程的多目标协同优化控制方案。 项目组针对上述研究目标，提出了一种基于时域模型的一般化分析方法，揭示了实现双馈风电机组无Crowbar低电压穿越的运行机理；提出了一种基于转子侧端口阻抗特性的低电压穿越控制策略分析方法，揭示了现有LVRT控制方法的本质异同和性能差异；提出了一种反向电流跟踪的低电压穿越控制方法，解决了现有LVRT方法均需定子/转子磁链观测的难题；提出了一种基于恒定电感模拟的低电压穿越控制方法，解决了如何协调控制转子电压和电流的难题；提出了一种基于动态电感模拟的低电压穿越控制方法，实现了最大程度地加快暂态过渡过程的结束；提出了一种基于电流指令前馈的暂态电流跟踪控制方法，解决了现有方法具有设计复杂和动态响应差的缺陷；提出了一种基于励磁控制的低电压穿越评估方法，解决了现有方法需依赖仿真和数值计算软件的难题；提出了一种贯穿整个低电压穿越过程多目标协同优化控制方法，在兼顾容量约束和并网标准的前提下实现了整个过程的优化控制。 结合本项目的研究，培养了博士生3名和硕士生7名，发表了SCI论文7篇（含IEEE期刊论文5篇）和EI论文8篇，申请了国家发明专利5项（含授权4项），获全国博士后创新人才支持计划1人次。并且研究结果对优化风电变流器的控制策略具有工程指导意义。