正阻尼直驱风电系统限幅持续饱和引起的振荡分析_薛静玮.pdf
《正阻尼直驱风电系统限幅持续饱和引起的振荡分析_薛静玮.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《正阻尼直驱风电系统限幅持续饱和引起的振荡分析_薛静玮.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.35 No.2Feb.2023正阻尼直驱风电系统限幅持续饱和引起的振荡分析薛静玮1,林毅1,叶荣1,林威1,乔登科2,薛安成2(1.国网福建省电力有限公司经济技术研究院,福州 350012;2.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学),北京 102206)摘要:新能源风电接入所引起的振荡研究,现较少考虑稳定系统在大扰动后限幅等非线性环节对系统动态的影响。本文基于时域模型,结合降阶系统,分析大扰动后直驱风电机组 PMSG(permanent ma
2、gnet synchronous generator)限幅持续饱和引起的切换型振荡机理。首先给出大扰动后并网 PMSG 因 d 轴电流参考值限幅持续饱和引起的切换型振荡现象;其次从数学降阶系统解的存在性角度分析了振荡原因;然后从限幅饱和后直流电压环失效所获得的物理降阶系统的角度,发现物理降阶系统阻尼为负可解释原系统切换型振荡;最后讨论了原系统和物理降阶系统的振荡关联性。结果表明,d 轴电流参考值限幅环节持续饱和会显著影响系统的动态行为。关键词:直驱风机;限幅环节;切换型振荡;降阶系统中图分类号:TM712文献标志码:A文章编号:1003-8930(2023)02-0045-08DOI:10.1
3、9635/ki.csu-epsa.001051Analysis of Oscillation Caused by Continuous Saturation of Limit for Positive DampingPMSG SystemXUE Jingwei1,LIN Yi1,YE Rong1,LIN Wei1,QIAO Dengke2,XUE Ancheng2(1.Economic and Technological Institute,State Grid Fujian Electric Power Co.,Ltd,Fuzhou 350012,China;2.State Key Labo
4、ratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North ChinaElectric Power University),Beijing 102206,China)Abstract:In researches on the oscillation caused by the access of wind power which is one of the new energies,the influence of nonlinear links such as the limit of a s
5、table system after large disturbance on the system dynamics is seldomtaken into account.Based on a time-domain model and combined with a reduced-order system,the mechanism of switching oscillation caused by the continuous saturation of limit for a permanent magnet synchronous generator(PMSG)afterlar
6、ge disturbance is analyzed in this paper.First,the switching oscillation phenomenon of the grid-connected PMSGcaused by the continuous saturation of d-axis current reference limit after large disturbance is given.Second,the reasonfor oscillation is analyzed from the perspective of the solution exist
7、ence of the mathematical reduced-order system.Third,from the perspective of a physical reduced-order system obtained from the failure of DC voltage loop after the limit saturation,it is found that the negative damping of the physical reduced-order system can explain the switching oscillation of the
8、original system.Finally,the oscillation correlation between the original system and the physical reduced-order system is discussed.Results show that the continuous saturation of d-axis current reference limit can obviously affect the system s dynamic behavior.Keywords:permanent magnet synchronous ge
9、nerator(PMSG);limit;switching oscillation;reduced-order system风电机组是新型电力系统、实现“双碳”目标的重要电源1。然而,高比例风电接入会改变电力系统动态行为及稳定性2-3,风电机组相较于传统同步机惯量小、控制结构复杂、非线性特性明显,其接入会使系统稳定机理更加复杂4。其中风电机组并网所引发的次/超同步振荡现象受到了学术界的广泛关注5。含风电的电力系统振荡现象按其数学表征可分为负阻尼振荡、光滑的强迫振荡、切换型振荡以及其他复杂振荡等6。基于负阻尼振荡和光滑的强迫振荡的次/超同步分析法应用较为广泛7-13,在分析平衡点附近小范围振荡特
10、性方面具有较大优势,但忽略了限幅等非线性环节,使其无法反映系统大收稿日期:2022-04-24;修回日期:2022-07-14网络出版时间:2022-07-28 08:56:46基金项目:国网福建省电力有限公司科技项目(52130N20000J)通信作者:薛安成(1979),男,博士,教授,研究方向为模型和数据驱动的新能源电力系统稳定性和安全防御、二次设备评估。Email:薛静玮等:正阻尼直驱风电系统限幅持续饱和引起的振荡分析电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报46第 2 期范围的动力学特性;复杂振荡则往往因大扰动以及多个非线性环节交互作用而产生14,其产生机理复杂且研究较为困难;而对非
11、线性环节参与/引发的切换型振荡研究正在逐步开展,其具有计及非线性环节对系统动态行为的影响、可分析系统在较大范围内的动力学特性等特点,已引起了学术界的关注,并取得了一定的成果15-22。目前,关于风电机组非线性环节参与的切换型振荡的研究有2类:一是基于频域模型的切换型振荡近似分析,二是基于时域模型的特性和机理分析。在基于频域模型的切换型振荡近似分析方面,基于描述函数法的非线性振荡分析方法应用较为广泛。文献15提出了基于大信号阻抗的并网电压源变流器VSC(voltage source converter)谐振与抑制方法,利用描述函数法推导了包含脉宽调制PWM(pulse width modulat
12、ion)饱和效应的系统响应特性。文献16-17利用描述函数法,建立了考虑内部限幅环节的永磁同步发电机PMSG(permanent magnet synchronous generator)非线性传递函数模型。文献18基于描述函数法的研究表明单相DC-DC变换器中的迟滞、死区等非线性环节因显著改变变换器的频率响应而导致系统出现高频段的振荡。在基于时域模型的特性和机理分析方面,现有研究一是考虑非线性环节会导致系统因失去平衡点而失去稳定进而导致振荡,如文献19通过仿真分析表明风电机组控制策略切换可能会使系统因失去平衡点而失去稳定;二是具有稳定平衡点的系统因限幅饱和所引发的切换型振荡,文献20基于时域
13、仿真法分析正阻尼PMSG系统在大扰动后由限幅引发的次同步振荡的影响因素和非光滑分岔特性;文献21基于时域仿真法分析正阻尼双馈系统在大扰动后由限幅引发的次同步振荡的影响因素和非光滑分岔特性;进一步,文献22建立并网VSC系统的12阶状态空间模型,分析了由电流限幅饱和导致的系统特征根变化所引起的切换型振荡。值得注意的是,现有的基于时域模型的PMSG系统切换型振荡分析方法,仅有时域的非光滑分岔特性分析,缺乏时域的机理分析。实际上,限幅环节饱和导致系统维数下降,系统模型对应于降阶系统。且PMSG系统不同于并网VSC系统,其分析方法仍需进一步研究。有鉴于此,本文结合PMSG时域模型,结合降阶系统分析大扰
14、动后因并网PMSG限幅持续饱和引起的切换型振荡。首先推导了并网PMSG的13阶状态空间方程,并分析其小干扰稳定性以及振荡发生的参数条件;其次分析了d轴电流参考值限幅饱和对正阻尼系统动态行为的影响,给出了大扰动后的直驱风电机组出现d轴电流参考值限幅持续饱和引起的切换型振荡现象;然后从数学降阶系统解的存在性角度分析了振荡原因;进一步从限幅饱和后直流电压环失效所获得的物理降阶系统的角度,发现物理降阶系统阻尼为负也可解释原系统切换型振荡;最后讨论了原系统和物理降阶系统的振荡关联性。本文的研究有助于理解非线性环节对系统动态行为的影响。1并网直驱风电机组系统时域模型并网直驱风电机组主回路如图1所示,包含风
15、轮机、永磁发电机、机网变流器及其相关控制系统、滤波电感、锁相环等部分。风力机获得的机械转矩为Tm=0.5CpArV3w/w(1)式中:Vw为风速;w为风力机叶片转速;Ar为风力机叶片扫过的面积;Cp为风能利用系数;Tm为风力机获得的机械转矩;为空气密度。采用单质块模型来描述直驱风电机组的传动特性,风力机转子和发电机直接相连,轴系运动方程为pw=()Tm-Te/J(2)式中:Te为发电机输出电磁转矩;p为微分算子;J为单质量块等效转动惯量。永磁发电机定子绕组采用电动机惯例,仅考虑正序分量,可得dq旋转坐标系下发电机动态方程为|pids=()uds-Rsids+sLsiqs/Lspiqs=()uq
16、s-Rsiqs-sLsids-sf/LsTe=1.5npiqsfs=np(3)式中:Ls、Rs分别为定子电感和电阻;uds、uqs和ids、iqs分别为定子电压和电流的d、q轴分量;s为电角速度;为发电机机械角速度,=w;np为极对数;f为穿过转子的磁链。q轴定子电流iqs的控制目标是实现最大风能图 1并网直驱风电机组系统结构Fig.1Structure of grid-connected PMSG systemGSCMSC风力机PMSGGSC控制MSC控制vgdVwisLgvgqPsrefvtqLfvtdiqidusIsrefUdcrefQref薛静玮等:正阻尼直驱风电系统限幅持续饱和引起的
17、振荡分析47第 35 卷捕获,d轴定子电流ids的控制值为0,在此控制策略下,可得机侧变流器控制方程为|puds=ki1()idsref-ids+pkp1(idsref-ids)+p()sLsiqspuqs=ki2()iqsref-iqs+pkp2(iqsref-iqs)-p()sLsiqs+p()sfidsref=0iqsref=2Trefe3npfTrefe=0.5CpmaxR3wV2w/opt(4)式中:idsref、iqsref分别为机侧d、q轴定子电流参考值;Cpmax为最大风能利用系数;kp1、ki1、kp2、ki2为机侧变流器PI控制器控制系数;Trefe为最大风能控制下电磁转矩
18、参考值。直流电容方程为pUdc=(1.5udsids+1.5uqsiqs-1.5edid-1.5eqiq)/CUdc(5)式中:ed、eq和id、iq为网侧电压和电流的d、q轴分量;C为直流电容;Udc为直流电容电压。网侧变流器采用电网电压定向的定直流电压控制和无功功率控制。故限幅未饱和时网侧变流器动态方程为|ped=kic(idref-id)+pkpc(idref-id)peq=kic(iqref-iq)+pkpc(iqref-iq)px=Udc-Udcrefidref=kpv(Udc-Udcref)+kivx(6)式中:idref、iqref、id、iq分别为网侧d、q轴电流参考值与实际值
19、;Udcref为直流电容电压参考值;kpc、kic为网侧变流器内环PI环节比例、积分系数;kpv、kiv为直流电压外环PI环节比例、积分系数;idref为d轴电流参考值。图2为锁相环控制框图,图中=pll-0。锁相环动态方程为p=p=kpppvtq+kipvtq(7)式中:vtd、vtq分别为锁相环测量点电压vta、vtb、vtc经派克变换后得到的测量电压d、q轴分量;kpp、kip为锁相环PI环节比例、积分系数。主回路的电流微分方程为|pid=()ed-vtd/Lf+plliqpiq=()eq-vtq/Lf-pllidpid=()vtd-vgd/Lg+plliqpiq=()vtq-vgq/L
20、g-pllid(8)式中:vgd、vgq为电网电压d、q轴分量;Lg为计及变压器、线路和电网的等值电感;Lf为出口侧滤波电感;pll为锁相环角频率。vgdq与电网电压幅值Ug的关系为vgd=Ugcosvgq=-Ugsin(9)联立式(1)(9),可以得到并网PMSG简化13阶模型,状态变量为、ids、iqs、uds、uqs、ed、eq、id、iq、x、Udc,具体如下。并网直驱风机简化数学模型微分方程为|p=CpR2wV3w2J-3nppmiqs2Jpids=uds/Ls-Rsids/Ls+npiqspiqs=uqs/Ls-Rsiqs/Ls-npLsids/Ls-nppm/Lspuds=ki1
21、idsref-ki1ids-kp1pids+npLspiqs+npLsiqsppuqs=ki2iqsref-ki2iqs-kp2piqs-Lsidsnpp-npLspids+nppmpp=p=kipLf+Lg(-LfUgsin+Lgeq)+kppkicLgLf+Lg(iqref-iq)-kppkpcLg()Lf+Lg2()eq+Ugsin+kppkpcLgLf+Lg()1+id-kppLfLf+LgUgcosped=kickpv(Udc-Udcref)+kickivx-kicid-kpcLf+Lg(ed-Ugcos)-kpc()1+id+kpckpvCUdc()1.5udsids+1.5uqs
22、iqs-1.5edid-1.5eqiq+kpckiv(Udc-Udcref)peq=kic()iqref-iq-kpcLf+Lg()eq+Ugsin+kpc()1+idpid=1Lf+Lg(ed-Ugcos)+()1+iqpiq=1Lf+Lg(eq+Ugsin)+()1+idpx=Udc-UdcrefpUdc=1CUdc()1.5udsids+1.5uqsiqs-1.5edid-1.5eqiq(10)数学降阶系统微分动力学方程为图 2锁相环示意Fig.2Schematic of PLLPI1 svtavtbvtcvtdvtq0pllPark变换+-电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报48
23、第 2 期|p=CpR2wV3w2J-3nppmiqs2Jpids=uds/Ls-Rsids/Ls+npiqspiqs=uqs/Ls-Rsiqs/Ls-npLsids/Ls-nppm/Lspuds=ki1idsref-ki1ids-kp1pids+npLspiqs+npLsiqsppuqs=ki2iqsref-ki2iqs-kp2piqs-Lsidsnpp-npLspids+nppmpp=p=kipLf+Lg(-LfUgsin+Lgeq)+kppkicLgLf+Lg(iqref-iq)-kppkpcLg()Lf+Lg2()eq+Ugsin+kppkpcLgLf+Lg()1+id-kppLfLf
24、+LgUgcosped=kickpv(Udc-Udcref)+kickivx-kicid-kpcLf+Lg(ed-Ugcos)-kpc()1+id+kpckpvCUdc()1.5udsids+1.5uqsiqs-1.5edid-1.5eqiq+kpckiv(Udc-Udcref)peq=kic()iqref-iq-kpcLf+Lg()eq+Ugsin+kpc()1+idpid=1Lf+Lg(ed-Ugcos)+()1+iqpiq=1Lf+Lg(eq+Ugsin)+()1+idpUdc=1CUdc()1.5udsids+1.5uqsiqs-1.5edid-1.5eqiq(11)物理降阶系统微分动
25、力学方程为|p=CpR2wV3w2J-3nppmiqs2Jpids=uds/Ls-Rsids+npiqspiqs=uqs/Ls-Rsiqs/Ls-npLsids/Ls-nppm/Lspuds=ki1idsref-ki1ids-kp1pids+npLspiqs+npLsiqsppuqs=ki2iqsref-ki2iqs-kp2piqs-Lsidsnpp-npLspids+nppmpp=p=Kip(Lf+Lg)(-LfUgsin+Lgeq)+KppKicLg(Lf+Lg)(iqref-iq)-KppKpcLg(Lf+Lg)2(eq+Ugsin)+KppKpcLgLf+Lg(0+)id-KppLfL
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 阻尼 直驱风电 系统 限幅 持续 饱和 引起 振荡 分析 薛静玮
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。