金國彬，楊明城，李國慶，辛業(yè)春，謝 飛，馬煜凱

考慮小干擾穩(wěn)定的海上風電經(jīng)不控整流直流送出系統(tǒng)控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

金國彬，楊明城，李國慶，辛業(yè)春，謝 飛，馬煜凱

(現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室(東北電力大學)，吉林 吉林 132012)

風機并網(wǎng)逆變器及送電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是大規(guī)模海上風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要保證。提出一種考慮小干擾穩(wěn)定的海上風電系統(tǒng)控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。首先，利用諧波線性化原理推導了直驅(qū)風機并網(wǎng)逆變器、送端采用不控整流器的高壓直流(diode-rectifier based HVDC, DR-HVDC)輸電系統(tǒng)的序阻抗模型。然后，分析了風場經(jīng)DR-HVDC并網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的特點，討論了穩(wěn)定判據(jù)的適用性。進而，從控制器的角度，確定直驅(qū)風機并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的控制帶寬和阻尼比的取值范圍。并在此基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的角度，綜合考慮互聯(lián)系統(tǒng)的右半平面零極點和控制參數(shù)等對阻抗比值的作用。最后，給出直驅(qū)風機并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計流程?；贛atlab/Simulink 建立海上風電經(jīng)DR-HVDC直流送出系統(tǒng)的時域仿真模型。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性和所提方法的有效性。

海上風電；不控整流器；阻抗穩(wěn)定；伯德圖；右半平面零極點；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

海上風力發(fā)電具有風資源豐富、風速穩(wěn)定、發(fā)電利用小時數(shù)高等特點，一直是大規(guī)模風電開發(fā)和利用的重點[1]。近來，基于不控二極管整流的海上風電直流送出方案，因具備體積小、成本低、運行控制簡單等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注[2]。然而，與高壓直流輸電系統(tǒng)相連的海上風電場形成了一個以換流器為主的網(wǎng)絡(luò)，沒有其他傳統(tǒng)發(fā)電單元對電網(wǎng)起到支撐作用；同時，也缺少阻性負載提供足夠的阻尼。在這種孤立的海上電網(wǎng)中，風電機組變流器與直流輸電變流器之間的相互作用對海上風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)[3-5]。

近年來，針對風電場直流送出系統(tǒng)寬頻帶振蕩問題，國內(nèi)外學者做了廣泛研究，阻抗分析法是主流研究方法之一[6-9]。文獻[10]采用阻抗分析方法建立了風電機組端口阻抗模型，依據(jù)傳統(tǒng)Nyquist判據(jù)解釋了系統(tǒng)振蕩的機理，然而該文獻未分析逆變器端口阻抗特性與內(nèi)部控制器之間的關(guān)系，難以揭示振蕩過程中機組內(nèi)部各狀態(tài)量的傳遞過程和耦合機理。文獻[11]在風電機組端口阻抗模型建模中考慮了電壓環(huán)，揭示鎖相環(huán)和電壓環(huán)控制參數(shù)會產(chǎn)生頻率耦合特性，但該文獻未進一步深入討論各控制器控制帶寬與其時間尺度的數(shù)學模型。文獻[12]提出了模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC )的阻抗模型，充分考慮了各控制器建模并研究了環(huán)流控制對離岸系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，但未討論各控制器控制帶寬等參數(shù)引起系統(tǒng)振蕩的機理。此外，上述文獻的不足之一為均未從互聯(lián)系統(tǒng)的角度對控制器參數(shù)進行設(shè)計。

現(xiàn)有的阻抗分析法往往對阻抗模型進行簡化處理，并假設(shè)子系統(tǒng)總是穩(wěn)定的[13-14]。然而，在一些情況下，子系統(tǒng)可能會將右半平面極點引入小信號增益中，在應(yīng)用奈奎斯特判據(jù)前必須對零極點分布及影響情況進行評估。

為此，本文以海上風電經(jīng)DR-HVDC直流送出系統(tǒng)實際工程為研究背景，開展風電場DR-HVDC互聯(lián)系統(tǒng)失穩(wěn)機理及穩(wěn)定控制的研究。利用諧波線性化原理推導直驅(qū)風機和DR-HVDC 的交流側(cè)小信號模型，采用阻抗分析方法揭示風電場經(jīng)DR-HVDC直流送出系統(tǒng)的次同步振蕩產(chǎn)生機理；從系統(tǒng)的角度，充分考慮系統(tǒng)的右半平面零極點并提出一種提高互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制參數(shù)優(yōu)化方法；最后通過仿真驗證了該方法的有效性。

1 系統(tǒng)拓撲

典型的基于不控整流的海上風電直流送出系統(tǒng)如圖1所示。主要包括：基于全功率型的直驅(qū)風電場、基于不控整流橋的功率送端整流站、基于MMC的岸上逆變站及陸上交流電網(wǎng)[20]。

當采用該拓撲時，基于不控整流橋的換流站不具有對所聯(lián)交流電網(wǎng)(即海上風電場)的控制能力?？紤]到風力發(fā)電機組變換器靈活的控制，可利用海上風電場中直驅(qū)風機自身的全功率變換器實現(xiàn)海上風場交流電壓的控制。由于傳統(tǒng)風機并網(wǎng)控制拓撲具有簡易性、控制環(huán)節(jié)易于理解等特點，可以通過固定功率角控制代替鎖相環(huán)控制。文中的風機網(wǎng)側(cè)控制結(jié)構(gòu)將采用上述控制方式。

圖1 海上風電經(jīng)DR-HVDC直流送出系統(tǒng)拓撲

2 系統(tǒng)序阻抗建模

2.1 風機并網(wǎng)逆變器序阻抗建模

圖2 直驅(qū)風電機組逆變器控制框圖及主電路

通常，逆變器端口的輸出阻抗定義為電壓小信號和電流小信號的比值，滿足如式(1)關(guān)系[13]。

定義導納矩陣：

直流電壓諧波會參與逆變器的調(diào)制過程，進而在逆變器出口產(chǎn)生輸出電壓諧波，此時逆變器輸出電壓可以表示為

綜上，并網(wǎng)逆變器諧波傳輸關(guān)系如圖3所示。

圖3 直驅(qū)風機并網(wǎng)逆變器諧波傳遞關(guān)系圖

由式(3)—式(7)可以得到直驅(qū)風機序?qū)Ъ{表達式為

考慮直流母線電壓環(huán)、電流環(huán)均采用PI控制，開環(huán)傳遞函數(shù)分別為

2.2 DR-HVDC序阻抗建模

圖4 DR-HVDC直流側(cè)等效電路

結(jié)合上述分析，采用諧波線性化的方法對12脈動整流橋進行建模，并對阻抗模型積分指數(shù)進行截斷[27]，可以得到文中不控整流單元的正序阻抗模型為

3 考慮小干擾穩(wěn)定的控制參數(shù)設(shè)計

3.1 穩(wěn)定判據(jù)適用性分析

根據(jù)阻抗穩(wěn)定性判據(jù)[8]，在風電場和DR-HVDC各自分別穩(wěn)定的條件下，即右半平面不包含零點或極點，該互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于基于阻抗比的最小環(huán)增益，即

圖5 小信號阻抗模型的零極點分布圖

圖6 臨界點周圍圈數(shù)對應(yīng)關(guān)系

通過上述分析，Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)可以改寫為

3.2 參數(shù)設(shè)計

實際應(yīng)用中，變流器的控制器參數(shù)設(shè)計一般是從單個裝置角度考慮的，此時所設(shè)計的控制器參數(shù)能夠滿足單個裝置的動、靜態(tài)性能；同時，還需保證參數(shù)配置合理。這是進行裝置形成互聯(lián)系統(tǒng)、各相關(guān)控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。

從圖2可以看到，互聯(lián)系統(tǒng)中需設(shè)計的控制器包括電壓環(huán)和電流環(huán)，DR-HVDC的電路參數(shù)需合理配置。其中DR-HVDC的直流側(cè)參數(shù)設(shè)計可參考文獻[16]進行設(shè)計；為使風電機組送出的有功功率得到充分利用，系統(tǒng)所需的無功功率由交流濾波器組及無功補償器進行平衡[17]。

參照圖2，電壓環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式(21)、式(22)為典型二階系統(tǒng)，可以求得控制器PI參數(shù)為

式(21)—式(24)為PI控制器設(shè)計提供理論依據(jù)，本文將針對電壓環(huán)和電流環(huán)分別進行設(shè)計。

3.2.1電流環(huán)PI控制器設(shè)計

在對電流環(huán)設(shè)計時，通常不考慮系統(tǒng)受直流電壓波動的影響。此時逆變器序阻抗模型[21]可以寫為

圖7 電流環(huán)控制器阻尼比、控制帶寬對阻抗比幅頻特性的影響

圖8 互聯(lián)系統(tǒng)的相位裕度與Kip的關(guān)系曲線

3.2.2電壓環(huán)PI控制器設(shè)計

圖9 電壓環(huán)控制器阻尼比、控制帶寬對阻抗比幅頻特性的影響

圖10 互聯(lián)系統(tǒng)的相位裕度與Kvp的關(guān)系曲線

3.3 系統(tǒng)互聯(lián)后控制器參數(shù)的優(yōu)化

由于從單個裝置角度設(shè)計的控制器參數(shù)僅能保證各裝置單獨運行時的動、靜態(tài)性能，而無法保證系統(tǒng)互聯(lián)后的穩(wěn)定性。因此，需要在其基礎(chǔ)上從系統(tǒng)的角度對控制器參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，從而保證互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(1) 確定直驅(qū)風機經(jīng)DR-HVDC送出系統(tǒng)的主電路參數(shù)、傳送功率波動范圍以及DR-HVDC系統(tǒng)交流側(cè)無源濾波器與無功補償裝置參數(shù)。

4 算例仿真

4.1 系統(tǒng)描述

為驗證本文所提出的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的正確性，在Matlab/Simulink中搭建電磁仿真模型。仿真建模過程忽略風場內(nèi)部的相互作用，采用聚合模型，將500臺容量為2 MW的并聯(lián)直驅(qū)風電機組等效為單臺1000 MW的風機，經(jīng)升壓后通過匯總變壓器并入不控整流平臺。通過直流海纜傳送至電網(wǎng)?，F(xiàn)假設(shè)風機距離匯總變壓器距離較短，其輸電線電纜阻抗小于匯總變壓器漏抗，可忽略不計；匯總變壓器距離不控整流平臺的電纜參數(shù)也可忽略[18-19]。附表A1給出系統(tǒng)參數(shù)以及直驅(qū)風機并網(wǎng)逆變器的控制參數(shù)。由于電壓環(huán)控制器阻尼比對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，本案例僅給出電壓環(huán)PI控制參數(shù)優(yōu)化過程。

4.2 控制器參數(shù)優(yōu)化前

圖11 優(yōu)化前互聯(lián)系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖12 優(yōu)化前互聯(lián)系統(tǒng)各部分伯德圖

圖13 優(yōu)化前小環(huán)路增益右半平面零極點分布圖

4.3 控制器參數(shù)優(yōu)化后

圖14 優(yōu)化后互聯(lián)系統(tǒng)仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過序阻抗建模、子系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)計以及互聯(lián)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性分析，提出考慮小干擾穩(wěn)定的海上風電經(jīng)不控整流直流送出系統(tǒng)控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，為風電場經(jīng)DR-HVDC直流送出系統(tǒng)工程控制器的設(shè)計及調(diào)試提供直接理論依據(jù)和技術(shù)支持。結(jié)論如下：

(1) 利用諧波線性化原理推導直驅(qū)風機并網(wǎng)逆變器和DR-HVDC系統(tǒng)的交流側(cè)序阻抗模型準確、有效，適用于互聯(lián)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性分析。

(2) 采用的互聯(lián)系統(tǒng)阻抗判據(jù)能夠直接適用于互聯(lián)變流器系統(tǒng)小環(huán)路增益存在極點的情況，可以充分利用伯德圖和零極點分布圖的優(yōu)點，相較于傳統(tǒng)的奈奎斯特判據(jù)更具有通用性和簡易性，能夠更為便利地校驗控制參數(shù)的選取是否合理。

(3) 直驅(qū)風機并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)涉及電流環(huán)、電壓環(huán)等環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)配合，其中，電壓環(huán)PI控制器的阻尼比對互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用；較小的阻尼比會引起裝置端口阻抗出現(xiàn)負阻尼特性，增加系統(tǒng)振蕩的風險。

圖15 優(yōu)化后互聯(lián)系統(tǒng)各部分伯德圖

圖16 優(yōu)化后小環(huán)路增益右半平面零極點分布圖

(4) 經(jīng)仿真算例驗證：所提出的直驅(qū)風場經(jīng)DR- HVDC互聯(lián)系統(tǒng)的控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計流程合理、有效，能充分保證互聯(lián)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。

對于已建成的海上風電經(jīng)不控整流直流送出系統(tǒng)，依照本文提出的控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，可有效保證互聯(lián)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。

附錄A

表A1 海上風電經(jīng)DR-HVDC直流送出系統(tǒng)參數(shù)

Table A1 Parameters of DR-HVDC of DC transmission system for offshore wind farm

互聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值 DR-HVDC[19]額定容量；直流電壓1000 MW; 640 kV 移相變壓器66 kV/261.8 kV/ 261.8 kV; 604×2 MVA; 0.18 p.u. 平波電抗器0.06 H 直流海纜0.5968 H; 2.5 Ω; 26.0 μF 單調(diào)諧濾波器11次諧波0.045 Ω; 0.0013 H; 64.31 μF 13次諧波0.038 Ω; 0.000 93 H; 64.31 μF 高通濾波器23次諧波6.41 Ω;0.000 136 8 H;64.31 μF 無功補償容量88 Mvar 直驅(qū)風機額定容量2 MVA 直流側(cè)電壓1200 V 電壓控制器(優(yōu)化前); 電流控制器; 直流電容129.6 mF LC濾波器0.3 mH; 0.3 mF

[1] 王錫凡, 衛(wèi)曉輝, 寧聯(lián)輝, 等. 海上風電并網(wǎng)與輸送方案比較[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(31): 5459-5466.

WANG Xifan, WEI Xiaohui, NING Lianhui, et al. Integration techniques and transmission schemes for off-shore wind farms[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(31): 5459-5466.

[2] 付艷, 周曉風, 戴國安, 等. 海上風電直流耗能裝置和保護配合策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(15): 178-186.

FU Yan, ZHOU Xiaofeng, DAI Guoan, et al. Research on coordination strategy for an offshore wind power DC chopper device and protection[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(15): 178-186.

[3] 陳劍, 王海風. 模型-數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的直驅(qū)風機VSC等效建模方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(2): 10-17.

CHEN Jian, WANG Haifeng. A model-data hybrid driven method of VSC equivalent modeling of a permanent magnetic synchronous generator[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(2): 10-17.

[4] 陳寶平, 林濤, 陳汝斯, 等. 直驅(qū)風電場經(jīng)VSC- HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)的多頻段振蕩特性分析[J]. 電工技術(shù)學報, 2018, 33(增刊1): 176-184.

CHEN Baoping, LIN Tao, CHEN Rusi, et al. Characteristics of multi-band oscillation for direct drive wind farm interfaced with VSC-HVDC system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(S1): 176-184．

[5] 劉煒, 郭春義, 楊碩, 等. 混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)的交互作用機理研究(一): 等值單饋入直流輸電模型[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(18): 5911-5921.

LIU Wei, GUO Chunyi, YANG Shuo, et al. Research on Interaction mechanism of hybrid dual-infeed HVDC system (part I): equivalent single-infeed HVDC model[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(18): 5911-5921.

[6] 張?zhí)煲? 王海風. 風電并入弱交流系統(tǒng)引發(fā)次同步振蕩的研究方法綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(16): 177-187.

ZHANG Tianyi, WANG Haifeng. Research methods for subsynchronous oscillation induced by wind power under weak AC system: a review[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(16): 177-187.

[7] 鄭黎明, 賈科, 畢天姝, 等. 海上風電接入柔直系統(tǒng)交流側(cè)故障特征及對保護的影響分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(20): 20-32.

DENG Liming, JIA Ke, BI Tianshu, et al. AC-side fault analysis of a VSC-HVDC transmission system connected to offshore wind farms and the impact on protection[J]. Power System Technology, 2021, 49(20): 20-32.

[8] 李光輝, 王偉勝, 郭劍波, 等. 風電場經(jīng)MMC-HVDC送出系統(tǒng)寬頻帶振蕩機理與分析方法[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(18): 5281-5297, 5575.

LI Guanghui, WANG Weisheng, GUO Jianbo, et al. Broadband oscillation mechanism and analysis for wind farm integration through MMC-HVDC system[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(18): 5281-5297, 5575.

[9] 年珩, 徐韻揚, 陳亮, 等. 并網(wǎng)逆變器頻率耦合特性建模及系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(5): 1421-1432.

NIAN Heng, XU Yunyang, CHEN Liang, et al. Frequency coupling characteristic modeling of grid-connected inverter and system stability analysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(5): 1421-1432.

[10] CESPEDES M, SUN J. Impedance modeling and analysis of grid-connected voltage-source converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(3): 1254-1261.

[11] ALAWASA K M, MOHAMED Y A I, XU W. Modeling, analysis, and suppression of the impact of full-scale wind-power converters on subsynchronous damping, IEEE Systems Journal, 2013, 7(4): 700-712.

[12] Lü J, CAI X, MOLINAS M. Frequency domain stability analysis of MMC-based HVDC for wind farm integration[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2016, 4(1): 141-151.

[13] 李光輝, 王偉勝, 劉純, 等. 直驅(qū)風電場接入弱電網(wǎng)寬頻帶振蕩機理與抑制方法(一): 寬頻帶阻抗特性與振蕩機理分析[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(22): 6547-6562.

LI Guanghui, WANG Weisheng, LIU Chun, et al. Mechanism analysis and suppression method of wideband oscillation of PMSG wind farms connected to weak grid (part I): analysis of wideband impedance characteristics and oscillation mechanism[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(22): 6547-6562.

[14] 李光輝, 王偉勝, 劉純, 等. 直驅(qū)風電場接入弱電網(wǎng)寬頻帶振蕩機理與抑制方法(二): 基于阻抗重塑的寬頻帶振蕩抑制方法[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(23): 6908-6920, 7104

LI Guanghui, WANG Weisheng, LIU Chun, et al. Mechanism analysis and suppression method of wideband oscillation of PMSG wind farms connected to weak grid (part II): suppression method of wideband oscillation based on impedance reshaping[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(23): 6908-6920, 7104.

[15] 張哲任, 唐英杰, 徐政. 采用中頻不控整流直流系統(tǒng)的遠海風電送出方案[J]. 中國電力, 2020, 53(7): 80-91.

ZHANG Zheren, TANG Yingjie, XU Zheng. Medium frequency diode rectifier unit based HVDC transmission for offshore wind farm integration[J]. Electric Power, 2020, 53(7): 80-91.

[16] 黃明煌, 王秀麗, 劉沈全, 等. 分頻輸電應(yīng)用于深遠海風電并網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2019, 43(5): 167-174.

HUANG Minghuang, WANG Xiuli, LIU Shenquan, et al. Technical and economic analysis on fractional frequency transmission system for integration of long-distance offshore wind farm[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(5): 167-174．

[17] 唐英杰, 張哲任, 徐政. 基于二極管不控整流單元的遠海風電低頻交流送出方案[J]. 中國電力, 2020, 53(7): 44-54, 168.

TANG Yingjie, ZHANG Zheren, XU Zheng. Diode rectifier unit based LFAC transmission for offshore wind farm integration[J]. Electric Power, 2020, 53(7): 44-54, 168.

[19] BIDADFAR A, SABORíO-ROMANO O, CUTULULIS N A, et al. Control of offshore wind turbines connected to diode-rectifier-based HVDC Systems[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2021, 12(1): 514-523.

[20] TANGY, ZHANG Z, XU Z. DRU based low frequency AC transmission scheme for offshore wind farm integration[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2021, 12(3): 1512-1524.

[21] CESPEDES M, SUN J. Impedance modeling and analysis of grid-connected voltage-source converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(3): 1254-1261.

[22] LIAO Y, WANG X. Impedance-based stability analysis for interconnected converter systems with open-loop RHP poles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(4): 4388-4397.

[23] LIUB, LI Z, ZHANG X, et al. Impedance-based analysis of control interactions in weak-grid-tied PMSG wind turbines[J]. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, 2021, 11(1): 90-98.

[24] LENG M, ZHOU G, LI H, et al. Impedance-based stability evaluation for multibus DC microgrid without constraints on subsystems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2022, 37(1): 932-943.

[25] ZHONG Q, ZHANG X. Impedance-sum stability criterion for power electronic systems with two converters/ sources[J]. IEEE Access, 2019, 7: 21254-21265.

[26] LUMBRERAS D, BARRIOS E L, URTASUN A, et al. On the stability of advanced power electronic converters: the generalized bode criterion[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(9): 9247-9262.

[27] LIU H C, SUN J. Analytical mapping of harmonics and impedance through phase-controlled converters[C] // 2012 IEEE 13th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), June 10-13, 2012, Kyoto, Japan: 1-8.

Optimization design of controller parameters for an offshore wind power DC output system by diode rectifier considering small signal stability

JIN Guobin, YANG Mingcheng, LI Guoqing, XIN Yechun, XIE Fei, MA Yukai

(Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology, Ministry of Education, (Northeast Electric Power University), Jilin 132012, China)

The stability of a wind turbine grid connected inverter and power transmission system is an important component of the stable operation of a large-scale offshore wind power generation system. A method of optimization design of controller parameters for offshore wind power system considering small signal stability is proposed. First, based on the harmonic linearization principle, a sequence impedance model of a direct-drive wind turbine (PMSG) grid-connected inverter and a high voltage direct current (HVDC) transmission system with diode rectifier (DR) is derived. Then, the characteristics of a DR-HVDC interconnected system are analyzed and the applicability of a stability criterion is discussed. The control bandwidth and damping ratio range of the grid-connected inverter control system are determined from the perspective of the controller. From the system point of view, we consider the effect of the right half plane zero-pole and control parameters on the impedance ratio of the interconnected system above. Finally, the parameter optimization design process of the control system for the grid-connected inverter of the PMSG is given. Based on Matlab/Simulink, the time domain simulation model of offshore wind power through the DR-HVDC DC transmission system is established. The simulation results verify the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed method.

offshore wind power; diode rectifier; impedance stability; Bode plot; RHP pole-zero; parameter optimization

10.19783/j.cnki.pspc.220004

國家重點研發(fā)計劃項目資助(2021YFB2400900)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2021YFB2400900).

2022-01-01；

2022-02-14

金國彬(1977—)，男，博士，副教授，研究方向為新能源發(fā)電及其并網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)、電能質(zhì)量治理；E-mail: jgbjgb2005@163.com

楊明城(1995—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為直驅(qū)風機并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。E-mail: 1121725221@ qq.com

(編輯 魏小麗)