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計(jì)及網(wǎng)絡(luò)諧振結(jié)構(gòu)的雙饋風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩問(wèn)題分析及抑制

2022-08-09 07:30邢法財(cái)
電力自動(dòng)化設(shè)備 2022年8期
關(guān)鍵詞:雙饋換流器旁路

邢法財(cái),武 誠(chéng),蔣 哲,張 冰,楊 冬,周 寧

(1. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東濟(jì)南 250000;2. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力調(diào)度控制中心,山東濟(jì)南 250000)

0 引言

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIWG)(簡(jiǎn)稱為“雙饋風(fēng)機(jī)”)[1]的重量較輕、尺寸較小、成本較低,且其能夠適應(yīng)較為廣泛的風(fēng)能狀況,是目前風(fēng)電場(chǎng)普遍采用的風(fēng)機(jī)類型。但當(dāng)雙饋風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償線路送出時(shí),系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)一些振蕩問(wèn)題[2?3]。為此,本文致力于從電力網(wǎng)絡(luò)諧振的角度深入探究雙饋風(fēng)電場(chǎng)的振蕩機(jī)理,并提出相應(yīng)的抑制措施。

雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出時(shí)發(fā)生的振蕩現(xiàn)象,其振蕩頻率多在次/超同步頻段,學(xué)術(shù)界一般將其歸屬為次同步振蕩的研究范疇[4?6]。但鑒于風(fēng)機(jī)軸系的自然扭振頻率較低,故風(fēng)電場(chǎng)的振蕩不屬于扭振相互作用、暫態(tài)扭矩放大等[7]傳統(tǒng)的涉及發(fā)電機(jī)軸系的次同步振蕩形式?,F(xiàn)有文獻(xiàn)大多從感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)或次同步控制相互作用等角度對(duì)其進(jìn)行分析,多采用單機(jī)串補(bǔ)無(wú)窮大系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]采用頻率掃描法和時(shí)域仿真法分析發(fā)現(xiàn),受串補(bǔ)度、風(fēng)速、控制器參數(shù)等影響,感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)和次同步控制相互作用這2 種形式的次同步振蕩均有可能發(fā)生在雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)中;文獻(xiàn)[9]基于雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)的等效電路,指出風(fēng)電場(chǎng)振蕩的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)是一種雙饋風(fēng)機(jī)控制器參與的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng);文獻(xiàn)[10]基于詳細(xì)的雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)振蕩的次同步控制相互作用是由串補(bǔ)和風(fēng)機(jī)換流器相互作用所引起的,受串補(bǔ)度和控制器參數(shù)共同影響;文獻(xiàn)[11]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)確定了風(fēng)電場(chǎng)的振蕩不涉及風(fēng)機(jī)軸系,其屬于電氣諧振,且串補(bǔ)度和運(yùn)行轉(zhuǎn)速分別是影響穩(wěn)定性和振蕩頻率的關(guān)鍵因素;文獻(xiàn)[12]基于狀態(tài)空間模型對(duì)比了單機(jī)等值模型與多機(jī)模型對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)次同步振蕩分析的影響。由于雙饋風(fēng)機(jī)含有背靠背換流器,一些專家學(xué)者從電力電子裝置穩(wěn)定性的角度出發(fā)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)引起的振蕩問(wèn)題進(jìn)行分析,如文獻(xiàn)[13?14]基于雙饋風(fēng)機(jī)阻抗模型的奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù),分析發(fā)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)和換流器控制器相互作用是引起雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出時(shí)發(fā)生振蕩現(xiàn)象的主要原因。

由現(xiàn)有研究可知,雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出時(shí)的振蕩問(wèn)題屬于電氣諧振的研究范疇,所以該問(wèn)題也可以從電力網(wǎng)絡(luò)諧振的角度出發(fā)進(jìn)行分析。相較于已有的研究,從電力網(wǎng)絡(luò)諧振角度進(jìn)行分析可以充分考慮電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),能夠涵蓋更多的電力系統(tǒng)元件,對(duì)于寬頻段諧振模式的分析更為全面。s域節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣法[15?16]建立在傳統(tǒng)阻抗建模的基礎(chǔ)上,是一種可以充分計(jì)及電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)諧振分析方法,本文采用該方法從電力網(wǎng)絡(luò)諧振角度分析了運(yùn)行工況對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)振蕩問(wèn)題的影響,并提出了基于旁路阻尼濾波器的振蕩抑制措施。

首先,本文對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹,并對(duì)其交流側(cè)受擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)特性進(jìn)行了分析,建立其端口阻抗模型。在此基礎(chǔ)上,基于s域節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣法,分析了不同串補(bǔ)度和運(yùn)行轉(zhuǎn)速下雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)諧振結(jié)構(gòu),以確定運(yùn)行工況對(duì)風(fēng)電場(chǎng)振蕩問(wèn)題的影響。最后,針對(duì)最不穩(wěn)定的諧振模式,提出了基于旁路阻尼濾波器(BDF)的諧振抑制措施,并通過(guò)電磁暫態(tài)仿真對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 雙饋風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

目前部分文獻(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行阻抗建模[13?14],但均對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化處理,建模所考慮的環(huán)節(jié)尚不完善。為此,本文從雙饋風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)入手,采用傳遞函數(shù)分析其擾動(dòng)響應(yīng)特性,建立其端口阻抗模型,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

雙饋風(fēng)機(jī)的“雙饋”源自于其發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均可向電網(wǎng)饋入功率,定子直接與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子通過(guò)背靠背換流器與電網(wǎng)相連,其基本結(jié)構(gòu)[1]見(jiàn)附錄A 圖A1。雙饋風(fēng)機(jī)的背靠背換流器可分為轉(zhuǎn)子側(cè)換流器(RSC)和電網(wǎng)側(cè)換流器(GSC)兩部分,二者均為兩電平電壓源型換流器。轉(zhuǎn)子側(cè)換流器一般用于控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,以捕獲更多的風(fēng)能;而電網(wǎng)側(cè)換流器一般用于控制換流器的直流側(cè)電壓和輸出無(wú)功功率,以支撐換流器的穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償,它們的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)附錄A 圖A2,控制系統(tǒng)中的變量參數(shù)定義見(jiàn)附錄A表A1。

雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器和電網(wǎng)側(cè)換流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與常規(guī)兩電平電壓源型換流器[17?18]相類似,均為內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)為功率控制環(huán),響應(yīng)速度較慢,在分析中高頻段([5,1000]Hz)的擾動(dòng)響應(yīng)特性時(shí),一般可忽略其影響;內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán),跟蹤外環(huán)輸出的電流參考,以實(shí)現(xiàn)外環(huán)的控制要求,對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的寬頻段擾動(dòng)響應(yīng)特性影響較大,在阻抗建模過(guò)程中需詳細(xì)考慮。另外,鎖相環(huán)也是影響雙饋風(fēng)機(jī)寬頻段擾動(dòng)響應(yīng)特性的重要環(huán)節(jié),需詳細(xì)考慮。電網(wǎng)側(cè)換流器通過(guò)鎖相環(huán)與電網(wǎng)保持同步,即坐標(biāo)變換采用鎖相環(huán)的輸出相位;而轉(zhuǎn)子側(cè)換流器坐標(biāo)變換所采用的相位為鎖相環(huán)輸出相位與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相位的差值,現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)此少有闡述。

2 雙饋風(fēng)機(jī)的端口阻抗模型

基于雙饋風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu),設(shè)背靠背換流器的直流側(cè)電壓恒定,采用傳遞函數(shù)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的交流側(cè)擾動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析,建立其端口阻抗模型。

2.1 阻抗建模

首先,本文對(duì)擾動(dòng)分量在雙饋風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況進(jìn)行了定量計(jì)算,推導(dǎo)出擾動(dòng)分量在背靠背換流器內(nèi)部的傳遞函數(shù),詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄B 式(B1)—(B27),最終推導(dǎo)結(jié)果見(jiàn)式(1)—(3)。

進(jìn)而,本文分析了背靠背換流器的外部電路:電網(wǎng)側(cè)換流器外部為平波電抗器,可用電阻和電感的串聯(lián)電路進(jìn)行模擬;轉(zhuǎn)子側(cè)換流器外部為異步發(fā)電機(jī),其等效電路見(jiàn)附錄C 圖C1。結(jié)合擾動(dòng)分量在背靠背換流器內(nèi)部的傳遞函數(shù)以及背靠背換流器的外部電路,可建立雙饋風(fēng)機(jī)的端口阻抗模型,如式(4)、(5)所示。

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立端口阻抗模型的準(zhǔn)確性,本文搭建了雙饋風(fēng)機(jī)的電磁暫態(tài)仿真測(cè)試環(huán)境。在仿真過(guò)程中,通過(guò)測(cè)試信號(hào)法獲得雙饋風(fēng)機(jī)的端口阻抗頻率特性,即在雙饋風(fēng)機(jī)交流側(cè)電壓中疊加不同頻率的擾動(dòng)信號(hào),測(cè)量其交流側(cè)電流中相對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)分量,以計(jì)算端口阻抗頻率特性。需要說(shuō)明的是,擾動(dòng)信號(hào)的施加不能對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)產(chǎn)生影響。

在[1,100]Hz 的頻率范圍內(nèi),雙饋風(fēng)機(jī)端口阻抗頻率特性的仿真結(jié)果與解析結(jié)果如圖1 所示。圖1 表明,雙饋風(fēng)機(jī)電網(wǎng)側(cè)換流器端口阻抗以及發(fā)電機(jī)定子側(cè)端口阻抗的仿真結(jié)果均與解析結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了端口阻抗模型的準(zhǔn)確性。另外,由圖1(b)可知,在[10,60]Hz的頻率范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)定子側(cè)端口阻抗實(shí)部為負(fù)值,即存在一定的負(fù)電阻效應(yīng)。由負(fù)電阻效應(yīng)理論可知,若系統(tǒng)的諧振點(diǎn)恰好位于負(fù)電阻效應(yīng)頻段,且正電阻不足以抵消負(fù)電阻時(shí),則系統(tǒng)便會(huì)存在諧振風(fēng)險(xiǎn)。因此,雙饋風(fēng)機(jī)的異步發(fā)電機(jī)及其轉(zhuǎn)子側(cè)換流器是引起雙饋風(fēng)電場(chǎng)振蕩問(wèn)題的重要原因。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)端口阻抗的頻率特性Fig.1 Frequency characteristics of port-impedance of DFIWG

3 雙饋風(fēng)電場(chǎng)的次同步振蕩問(wèn)題研究

IEEE 9節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)是電力系統(tǒng)領(lǐng)域常用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試算例,本文將其改造為雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出的測(cè)試系統(tǒng),以便從電力網(wǎng)絡(luò)諧振的角度研究雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)串補(bǔ)送出時(shí)的振蕩問(wèn)題。

測(cè)試系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示,雙饋風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)參數(shù)如附錄C 表C1 所示。s域節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的建立依賴于電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),首先將電力網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行編號(hào),建立節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的維度;然后依次遍歷所有節(jié)點(diǎn),根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的對(duì)角元及非對(duì)角元填入節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納及互導(dǎo)納。

圖2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)Fig.2 DFIWG-based series-compensated transmission system

需要說(shuō)明的是,在雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)端口阻抗的基礎(chǔ)上,雙饋風(fēng)電場(chǎng)的阻抗主要通過(guò)雙饋風(fēng)機(jī)阻抗的并聯(lián)獲得,即雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)阻抗除以雙饋風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。雙饋風(fēng)電場(chǎng)阻抗作為其并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納填入節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的對(duì)角元。s域節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形式如式(6)所示。

3.1 網(wǎng)絡(luò)諧振結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)該測(cè)試系統(tǒng),本文采用s域節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣法[15?16]對(duì)其在不同線路串補(bǔ)度和轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。所關(guān)注頻段為次/超同步頻段,分析結(jié)果如表1 所示。表中:Kc為并網(wǎng)線路串補(bǔ)度;σres為衰減因子;fres為諧振頻率。

表1 測(cè)試系統(tǒng)的諧振結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of resonance structure about test system

從表1 可以看出,在不同線路串補(bǔ)度和轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速下,測(cè)試系統(tǒng)在次/超同步頻段內(nèi)均僅存在1 種諧振模式,其諧振頻率在[14,25]Hz 的頻率范圍內(nèi)變化,而其衰減因子在線路串補(bǔ)度為50%、轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為0.8 p.u.以及線路串補(bǔ)度為70%、轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為0.8 p.u.和0.9 p.u.的運(yùn)行條件下為負(fù)值,即為不穩(wěn)定諧振模式,這表明測(cè)試系統(tǒng)在這些運(yùn)行條件下會(huì)存在一定的諧振風(fēng)險(xiǎn),需要加以抑制。

另外,通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):在同一線路串補(bǔ)度下,雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速越小,則系統(tǒng)諧振模式的衰減因子越小,即諧振模式越不穩(wěn)定;而在同一轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速下,系統(tǒng)諧振模式的衰減因子也會(huì)隨線路串補(bǔ)度的變化而發(fā)生較大變化,但變化規(guī)律不明顯。總體而言,線路串補(bǔ)度越高,系統(tǒng)發(fā)生諧振的風(fēng)險(xiǎn)越大。

3.2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述諧振結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文在PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真軟件中搭建了測(cè)試系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)不同運(yùn)行條件下測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。圖中區(qū)間1—4 分別對(duì)應(yīng)ωm的值為1.2、1.1、0.9、0.8 p.u.。進(jìn)一步地,本文對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)輸送功率中的振蕩分量進(jìn)行了分析,其頻譜如圖4 所示。圖中工況1—3 分別對(duì)應(yīng)Kc=50%、ωm=0.8 p.u.,Kc=70%、ωm=0.9 p.u.,Kc=70%、ωm=0.8 p.u.。

圖3 雙饋風(fēng)電場(chǎng)輸送功率的仿真波形Fig.3 Simulative waveforms of output power of DFIWG-based wind farm

圖4 雙饋風(fēng)電場(chǎng)輸送功率的頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum of output power of DFIWG-based wind farm

圖3和圖4表明,當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)處于線路串補(bǔ)度為50%、轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為0.8 p.u.以及線路串補(bǔ)度為70%、轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為0.8 p.u.和0.9 p.u.的運(yùn)行條件下時(shí),系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象,且振蕩頻率與表1中的分析結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了諧振結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。值得注意的是,圖4 中所標(biāo)注的頻率38 Hz(22 Hz)表示雙饋風(fēng)電場(chǎng)輸送功率中振蕩分量的頻率為38 Hz,其工頻互補(bǔ)頻率為22 Hz,即對(duì)應(yīng)表1中諧振頻率為21.4 Hz。諧振模式的諧振頻率描述的是電壓、電流量中振蕩分量的頻率,與功率量中振蕩分量的頻率呈工頻互補(bǔ)關(guān)系,即兩者之和為工頻頻率,算例中系統(tǒng)工頻為60 Hz。

4 基于旁路阻尼濾波器的諧振抑制措施

為保證雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,上述運(yùn)行條件下所存在的不穩(wěn)定諧振模式必須加以抑制,本文通過(guò)對(duì)不穩(wěn)定諧振模式的影響區(qū)域進(jìn)行定位,提出了一種基于旁路阻尼濾波器[19?20]的諧振抑制措施。

4.1 不穩(wěn)定諧振模式的影響區(qū)域分析

對(duì)表1 中最不穩(wěn)定的諧振模式(σres≈-18.22 s-1,fres=24.0 Hz)(簡(jiǎn)稱“24.0 Hz 諧振模式”),本文分析其節(jié)點(diǎn)電壓振型向量和參與因子矩陣,分析結(jié)果如圖5和表2所示,表中幅值為標(biāo)幺值。

圖5 24.0 Hz諧振模式下的節(jié)點(diǎn)電壓振型向量圖Fig.5 Diagram of nodal voltage oscillation type vector under 24.0 Hz resonance mode

表2 24.0 Hz諧振模式下的參與因子矩陣元素Table 2 Elements of participation factor matrix under 24.0 Hz resonance mode

圖5 表明,24.0 Hz 諧振模式下的節(jié)點(diǎn)電壓振型向量中存在2 組振型相位相反的節(jié)點(diǎn)群,故該諧振模式為電網(wǎng)斷面諧振模式,表現(xiàn)為2 組節(jié)點(diǎn)群之間的諧振,即節(jié)點(diǎn)10—12對(duì)節(jié)點(diǎn)7—9的諧振。另外,從表2 也可以看出,節(jié)點(diǎn)8、10—12 等為該諧振模式的主要參與節(jié)點(diǎn),故該諧振模式主要由雙饋風(fēng)電場(chǎng)及其并網(wǎng)線路、串補(bǔ)電容所引起,其主要影響區(qū)域?yàn)殡p饋風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)區(qū)域,如圖2中虛線框所示。

4.2 加裝旁路阻尼濾波器的抑制策略

鑒于24.0 Hz 諧振模式為次同步頻段的諧振模式,且其涉及雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路的串補(bǔ)電容,所以本文采用旁路阻尼濾波器對(duì)其進(jìn)行抑制。

旁路阻尼濾波器與串補(bǔ)電容相并聯(lián),其安裝位置及其結(jié)構(gòu)如圖2 中虛線框所示。系統(tǒng)工頻下,旁路阻尼濾波器的電感和電容發(fā)生并聯(lián)諧振,該支路表現(xiàn)為斷路狀態(tài),對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)無(wú)影響;而在次同步頻率下,旁路阻尼濾波器整體呈現(xiàn)阻感特性,可以為擾動(dòng)電流提供一條流通路徑;進(jìn)而,可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)耗散擾動(dòng)能量,對(duì)諧振模式加以抑制。

鑒于系統(tǒng)工頻下旁路阻尼濾波器的電容必須與電感發(fā)生并聯(lián)諧振,所以其只剩下電阻和電感2 個(gè)參數(shù)可以自由設(shè)計(jì)[20]。首先對(duì)濾波器電感進(jìn)行設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)思路為使旁路阻尼濾波器和串補(bǔ)電容在諧振頻率附近發(fā)生并聯(lián)諧振以阻隔次同步電流流通,其計(jì)算公式如式(7)所示。然后可以通過(guò)選定值校驗(yàn)的方式確定濾波器電阻。

式中:XBDF為旁路阻尼濾波器的電抗;Xc為串補(bǔ)電容的電抗;Xline為并網(wǎng)線路的電抗;f*res為諧振頻率的標(biāo)幺值。

針對(duì)24.0 Hz 諧振模式,根據(jù)式(7)計(jì)算可得旁路阻尼濾波器電抗XBDF=0.514 5 p.u.,而旁路阻尼濾波器電阻RBDF則可以選定為0.05 p.u.、0.10 p.u.和0.20 p.u.,本文對(duì)安裝旁路阻尼濾波器后系統(tǒng)的諧振結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了分析,以校驗(yàn)濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的有效性,分析結(jié)果如表3 所示。由表可知:當(dāng)安裝旁路阻尼濾波器后,測(cè)試系統(tǒng)在RBDF為0.10 p.u.和0.20 p.u.的情況下雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行于不同轉(zhuǎn)速時(shí)基本沒(méi)有諧振風(fēng)險(xiǎn);但在RBDF為0.05 p.u.的情況下雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行于1.1 p.u.和1.2 p.u.的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)存在諧振風(fēng)險(xiǎn)。因此,經(jīng)過(guò)校驗(yàn)RBDF可以選定為0.10 p.u.和0.20 p.u.。

表3 安裝旁路阻尼濾波器后測(cè)試系統(tǒng)的諧振結(jié)構(gòu)Table 3 Resonance structure of test system with BDF installed

另外,通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在同一轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速下,旁路阻尼濾波器電阻的選定值越大,則系統(tǒng)諧振模式的衰減因子越大,即諧振模式的穩(wěn)定性越強(qiáng),這表明濾波器電阻確實(shí)可以起到耗散擾動(dòng)能量的效果。關(guān)于旁路阻尼濾波器電阻的取值,技術(shù)上來(lái)看其數(shù)值越大,則正電阻的補(bǔ)償效果會(huì)越好,諧振風(fēng)險(xiǎn)越小,但如果電阻取值過(guò)大,對(duì)旁路阻尼濾波器和串補(bǔ)電容所形成的并聯(lián)諧振頻率點(diǎn)計(jì)算會(huì)存在影響。另外,鑒于旁路阻尼濾波器制造工藝,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下旁路阻尼濾波器也會(huì)存在一定的功率消耗,其工程應(yīng)用取值需統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)方面來(lái)考慮。

4.3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證旁路阻尼濾波器的諧振抑制效果,本文基于測(cè)試系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)安裝旁路阻尼濾波器后系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。圖中區(qū)間1—4 分別對(duì)應(yīng)ωm取值為1.2、1.1、0.9、0.8 p.u.。圖6 表明,安裝旁路阻尼濾波器后,測(cè)試系統(tǒng)僅在旁路阻尼濾波器電阻為0.05 p.u.且雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行于1.10 p.u.和1.20 p.u.的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,而在其他運(yùn)行條件均可以穩(wěn)定運(yùn)行,驗(yàn)證了基于旁路阻尼濾波器諧振抑制措施的有效性。

圖6 安裝旁路阻尼濾波器后雙饋風(fēng)電場(chǎng)輸送功率的仿真波形Fig.6 Simulative waveforms of output power of DFIWG-based wind farm with BDF

需要說(shuō)明的是,上述旁路阻尼濾波器主要針對(duì)單個(gè)不穩(wěn)定的諧振模式設(shè)計(jì),并不能保證適用于抑制其他振蕩模態(tài),存在一定的局限性。但對(duì)于雙饋風(fēng)電場(chǎng)的次同步振蕩問(wèn)題,其主要由雙饋風(fēng)機(jī)的負(fù)電阻效應(yīng)所引起,本文所選取的不穩(wěn)定諧振模式為算例分析結(jié)果中最不穩(wěn)定的諧振模式,即此時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)的負(fù)電阻效應(yīng)最為顯著,為此所設(shè)計(jì)的旁路阻尼濾波器對(duì)其他負(fù)電阻效應(yīng)較弱情況下的諧振模式也具有一定的抑制效果。

5 結(jié)論

本文通過(guò)建立雙饋風(fēng)機(jī)的端口阻抗模型,并基于s域節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣法分析不同串補(bǔ)度和運(yùn)行轉(zhuǎn)速下雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)諧振結(jié)構(gòu),提出了基于旁路阻尼濾波器的諧振抑制措施,最后,得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)諧振結(jié)構(gòu)分析表明,在未安裝旁路阻尼濾波器時(shí),雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)確實(shí)存在一定的諧振風(fēng)險(xiǎn)。在同一線路串補(bǔ)度下,雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速越小,系統(tǒng)諧振模式的衰減因子越小,系統(tǒng)的諧振風(fēng)險(xiǎn)越大;而在同一運(yùn)行轉(zhuǎn)速下,線路的串補(bǔ)度越高,系統(tǒng)的諧振風(fēng)險(xiǎn)越大。

2)通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)諧振結(jié)構(gòu)分析表明,在安裝旁路阻尼濾波器后,雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)送出系統(tǒng)的諧振風(fēng)險(xiǎn)可以得到有效抑制;另外,旁路阻尼濾波器電阻的選定值越大,系統(tǒng)諧振模式的衰減因子越大,系統(tǒng)的諧振風(fēng)險(xiǎn)越小。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.epae.cn)。

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