由于我國(guó)風(fēng)電資源和電力負(fù)荷的逆向分布特性,低短路比已成為風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)的主要形態(tài)。低短路比對(duì)稱電網(wǎng)下,雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的交互作用易引發(fā)系統(tǒng)小干擾失穩(wěn)。不對(duì)稱電網(wǎng)下,電網(wǎng)正、負(fù)序阻抗及其序間耦合分量將與風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器產(chǎn)生更為復(fù)雜的交互作用,其帶來的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)亟需研究和評(píng)估。
目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于低短路比對(duì)稱電網(wǎng)下雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)交互穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)已經(jīng)有了較為豐富的研究成果。不對(duì)稱電網(wǎng)環(huán)境下的交互穩(wěn)定機(jī)理及控制對(duì)策也已經(jīng)引起廣泛關(guān)注,但尚缺乏系統(tǒng)的解決方案。
該技術(shù)領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題有如下幾點(diǎn):
1)從并網(wǎng)導(dǎo)則看,雙饋風(fēng)機(jī)應(yīng)響應(yīng)電網(wǎng)對(duì)正、負(fù)序無功電流的要求;從雙饋風(fēng)機(jī)看,無功電流的響應(yīng)會(huì)影響自身的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,如何對(duì)負(fù)序電流進(jìn)行約束,協(xié)調(diào)控制GSC、RSC,使其在維持自身運(yùn)行安全的前提下,滿足并網(wǎng)導(dǎo)則的要求,值得深入研究。
2)由于我國(guó)風(fēng)電資源和電力負(fù)荷的逆向分布特性,風(fēng)電機(jī)組大多接入弱電網(wǎng),雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)阻抗的交互作用會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的小干擾失穩(wěn)問題。為此,應(yīng)分析失穩(wěn)機(jī)理,量化失穩(wěn)因素對(duì)系統(tǒng)的影響,以期提高雙饋風(fēng)機(jī)與弱電網(wǎng)的交互穩(wěn)定。
3)雙饋風(fēng)機(jī)控制方法多樣,致使其建模方法和模型有所不同,也就表現(xiàn)出不同的阻抗特性。為此,對(duì)不同控制方法進(jìn)行精確建模,分析其接入電網(wǎng)的性能,從而找到適應(yīng)電網(wǎng)能力強(qiáng)的控制方法,提高并網(wǎng)可靠性。
4)面對(duì)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境,為實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的良好控制,需要獲取精確的相位和頻率信息。改進(jìn)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),提高鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓的能力,對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要影響。
不對(duì)稱電網(wǎng)下,含負(fù)序控制的雙饋風(fēng)機(jī)外特性不僅與功率環(huán)、鎖相環(huán)有關(guān),還與電流環(huán),特別是負(fù)序電流控制環(huán)路緊密相關(guān)。研究表明,對(duì)稱電網(wǎng)條件下,雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型已達(dá)12階[8],不對(duì)稱電網(wǎng)條件下計(jì)及負(fù)序電流控制后雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型或可達(dá)36階之高(考慮轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制以及必要的濾波環(huán)節(jié))。
特別是,負(fù)序電流可以采用多種控制方式,每種控制方式下電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性迥異。這進(jìn)一步增加了建模分析的難度。因此,低短路比不對(duì)稱電網(wǎng)下,如何精確刻畫雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的外特性是小干擾穩(wěn)定性分析的基本挑戰(zhàn)。
雙饋風(fēng)機(jī)-不對(duì)稱故障網(wǎng)絡(luò)是典型的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系統(tǒng),其包含正序風(fēng)機(jī)、正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序風(fēng)機(jī)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)及其序間耦合支路,如圖1所示。這些組成部分與系統(tǒng)整體穩(wěn)定性間的關(guān)系復(fù)雜,傳統(tǒng)針對(duì)單輸入單輸出(Single Input Single Output, SISO)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法已經(jīng)難以奏效。特別是,正負(fù)序耦合作用機(jī)制不清,量化評(píng)估手段匱乏。
圖1 雙饋風(fēng)機(jī)-故障網(wǎng)絡(luò)序間耦合示意圖
對(duì)稱電網(wǎng)條件下,雙饋風(fēng)機(jī)GSC、RSC控制完全解耦,通過分別建立二者的頻域阻抗模型即可獲得風(fēng)機(jī)的整體阻抗特性。然而,當(dāng)電網(wǎng)不對(duì)稱時(shí),為實(shí)現(xiàn)負(fù)序電流響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制等目標(biāo),雙饋風(fēng)機(jī)GSC、RSC之間控制高度耦合。此時(shí),GSC、RSC獨(dú)立建模的方式已經(jīng)難以奏效,需充分考慮兩變流器之間的強(qiáng)耦合特性。因此,如何對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)兩變流器實(shí)施協(xié)同控制和穩(wěn)定設(shè)計(jì),構(gòu)成了又一重要挑戰(zhàn)。
中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院等單位的研究人員指出:
1)不對(duì)稱故障期間,風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)自身及其之間均存在正、負(fù)序阻抗耦合。因此,需完整刻畫風(fēng)機(jī)耦合控制特性和故障網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性,以精確建立雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾頻域模型。
2)立足于所建立的模型,借助廣義奈奎斯特判據(jù)評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性,以探明影響雙饋風(fēng)機(jī)裝備穩(wěn)定性的關(guān)鍵制約因素。
3)為實(shí)現(xiàn)負(fù)序電流響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制的雙重目標(biāo),需充分考慮機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)兩變流器之間的強(qiáng)耦合特性,通過協(xié)同負(fù)序控制及一體化阻抗重塑策略,以增強(qiáng)不對(duì)稱弱電網(wǎng)工況下雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本文編自2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“低短路比電網(wǎng)下含負(fù)序控制雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性研究的幾個(gè)關(guān)鍵問題”,作者為徐海亮、吳瀚 等。