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風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次/超同步振蕩的分析與控制
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風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次/超同步振蕩的分析與控制 版權(quán)信息
- ISBN：9787030720474
- 條形碼：9787030720474 ; 978-7-03-072047-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次/超同步振蕩的分析與控制 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書總結(jié)了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中新型次/超同步振蕩問題的特征與研究現(xiàn)狀，詳細(xì)闡述了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗網(wǎng)絡(luò)建模與穩(wěn)定性分析方法，分析了集群雙饋風(fēng)機(jī)-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生的次/超同步振蕩問題的機(jī)理特性與影響因素，探討了風(fēng)電機(jī)組層面的阻抗塑形控制技術(shù)和電網(wǎng)層面的基于電力電子變流器的網(wǎng)側(cè)次同步阻尼控制計(jì)算的基本原理與設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)單闡述了風(fēng)電次/超同步振蕩問題的監(jiān)測(cè)與保護(hù)技術(shù)，*后給出了本書技術(shù)的在兩個(gè)實(shí)際風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)建議，即河北沽源集群風(fēng)電-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)和新疆哈密風(fēng)火打捆直流外送系統(tǒng)。
風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次/超同步振蕩的分析與控制 目錄
目錄
序
前言
第1章 概述 1
1.1 電力系統(tǒng)振蕩問題回顧 1
1.2 次/超同步振蕩的定義、形態(tài)與分類 2
1.2.1 以往定義、形態(tài)與分類方法回顧 2
1.2.2 次/超同步振蕩的概念及基于相互作用機(jī)理的分類方法 5
1.3 風(fēng)電次/超同步振蕩的形態(tài)、特征與危害 8
1.3.1 風(fēng)電次/超同步振蕩的形態(tài) 8
1.3.2 風(fēng)電次/超同步振蕩的主要特征 9
1.3.3 風(fēng)電次/超同步振蕩的危害 9
1.4 風(fēng)電次/超同步振蕩研究?jī)?nèi)容概述 10
1.5 主要挑戰(zhàn)與本書特色 11
1.5.1 面臨的主要挑戰(zhàn) 11
1.5.2 本書的重點(diǎn)與特色 14
參考文獻(xiàn) 16
第2章 風(fēng)電次/超同步振蕩分析的模型和參數(shù) 19
2.1 模型構(gòu)成與建模概述 19
2.1.1 模型構(gòu)成 19
2.1.2 建模方法概述 21
2.2 頻域阻抗模型 23
2.2.1 阻抗模型概述 23
2.2.2 阻抗模型的機(jī)理構(gòu)建方法 27
2.2.3 阻抗模型的擾動(dòng)測(cè)辨方法 30
2.3 電壓源變流器的阻抗模型 32
2.3.1 典型電壓源變流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略 33
2.3.2 電壓源變流器的阻抗建模 35
2.3.3 采用不同阻抗模型進(jìn)行次/超同步振蕩穩(wěn)定性評(píng)估的對(duì)比 40
2.3.4 全工況耦合阻抗模型及其測(cè)辨方法 43
2.4 風(fēng)電機(jī)組的阻抗模型 45
2.4.1 1型風(fēng)電機(jī)組 46
2.4.2 2型風(fēng)電機(jī)組 47
2.4.3 3型風(fēng)電機(jī)組 47
2.4.4 4型風(fēng)電機(jī)組 50
2.5 交流電力網(wǎng)絡(luò)中主要設(shè)備的阻抗模型 52
2.5.1 汽輪(同步發(fā)電)機(jī)組 52
2.5.2 傳統(tǒng)直流輸電 54
2.5.3 交流輸電線與并網(wǎng)電抗器 56
2.5.4 其他電網(wǎng)元件 57
2.6 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型 57
2.6.1 基本原理 57
2.6.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法 57
2.6.3 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的傳遞函數(shù)矩陣 60
參考文獻(xiàn) 61
第3章 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的風(fēng)電次/超同步振蕩分析 63
3.1 分析方法概述 63
3.1.1 分析的目標(biāo) 63
3.1.2 分析面臨的挑戰(zhàn) 63
3.1.3 分析方法綜述 64
3.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的頻域模式分析 69
3.2.1 振蕩模式的獲取 69
3.2.2 設(shè)備對(duì)振蕩模式的參與度 70
3.2.3 振蕩模式的分布特征 72
3.3 基于聚合阻抗頻率特性的定量分析 74
3.3.1 基本原理與一般流程 74
3.3.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的聚合 75
3.3.3 基于聚合阻抗頻率特性的穩(wěn)定判據(jù) 79
3.3.4 基于聚合RLC電路模型的定量分析 83
3.3.5 與特征值分析和電磁暫態(tài)仿真的比較 84
參考文獻(xiàn) 91
第4章 雙饋風(fēng)電集群-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)的次同步振蕩分析 94
4.1 次同步振蕩的特征與機(jī)理 94
4.1.1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)及典型次同步振蕩事件 94
4.1.2 主要特征 100
4.1.3 電路機(jī)理分析與實(shí)測(cè)驗(yàn)證 103
4.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的風(fēng)電次同步振蕩分析 110
4.2.1 風(fēng)電機(jī)組的阻抗模型 110
4.2.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建 110
4.2.3 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)的頻域模式分析 112
4.2.4 基于聚合阻抗頻率特性的次同步振蕩分析 114
4.2.5 現(xiàn)場(chǎng)錄波及電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證 115
4.3 主要影響因素分析 118
4.3.1 風(fēng)速的影響 118
4.3.2 并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)的影響 122
4.3.3 風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)的影響 124
4.3.4 串補(bǔ)度的影響 128
參考文獻(xiàn) 129
第5章 直驅(qū)風(fēng)電集群-弱交流系統(tǒng)的次/超同步振蕩分析 130
5.1 次/超同步振蕩的特征與機(jī)理 130
5.1.1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)及典型次/超同步振蕩事件 130
5.1.2 主要特征 135
5.1.3 振蕩機(jī)理簡(jiǎn)析與實(shí)測(cè)驗(yàn)證 137
5.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的風(fēng)電次/超同步振蕩分析 142
5.2.1 風(fēng)電機(jī)組的阻抗模型 142
5.2.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建與聚合 143
5.2.3 基于聚合阻抗頻率特性的次/超同步振蕩分析 146
5.2.4 電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證 148
5.2.5 次/超同步振蕩的振蕩源分析 150
5.3 主要影響因素分析 154
5.3.1 并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)的影響 155
5.3.2 交流電網(wǎng)強(qiáng)度的影響 155
5.3.3 風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)的影響 156
5.3.4 特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響 159
5.3.5 電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證 159
參考文獻(xiàn) 161
第6章 風(fēng)電次/超同步振蕩防控方法概述 163
6.1 防控方法分類 163
6.2 系統(tǒng)規(guī)劃階段的預(yù)防措施 163
6.2.1 電網(wǎng)側(cè)預(yù)防措施 164
6.2.2 機(jī)組側(cè)預(yù)防措施 165
6.3 協(xié)調(diào)機(jī)-網(wǎng)運(yùn)行方式 165
6.4 風(fēng)電機(jī)組側(cè)主動(dòng)阻尼控制 167
6.4.1 優(yōu)化/調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組變流器控制參數(shù) 167
6.4.2 改進(jìn)網(wǎng)側(cè)變流器控制 167
6.4.3 改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制(3型風(fēng)電機(jī)組) 169
6.4.4 同時(shí)替換網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制(3型風(fēng)電機(jī)組) 170
6.5 電網(wǎng)側(cè)主動(dòng)阻尼控制 171
6.5.1 基于FACTS設(shè)備的阻尼控制 171
6.5.2 基于HVDC的阻尼控制 171
6.5.3 基于專用變流器的阻尼控制 171
6.6 防控方法總結(jié)及主要挑戰(zhàn) 171
6.6.1 防控方法總結(jié) 171
6.6.2 主要挑戰(zhàn) 173
參考文獻(xiàn) 173
第7章 風(fēng)電機(jī)組的阻抗重塑控制 178
7.1 阻抗重塑控制原理與實(shí)現(xiàn)方法概述 178
7.2 基于次同步陷波器的阻抗重塑控制 179
7.2.1 工作原理 179
7.2.2 次同步陷波器嵌入位置的優(yōu)選 182
7.2.3 次同步陷波器的設(shè)計(jì) 186
7.2.4 控制效果分析 189
7.3 雙饋風(fēng)電機(jī)組基于RSC附加阻尼控制的阻抗重塑 191
7.3.1 基本原理和主要特點(diǎn) 191
7.3.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組附加次同步阻尼控制的設(shè)計(jì) 192
7.3.3 應(yīng)用案例與控制效果分析 194
7.3.4 工程案例 204
7.4 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組基于GSC附加阻尼控制的阻抗重塑 207
7.4.1 基本原理 207
7.4.2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組附加次/超同步阻尼控制的設(shè)計(jì) 208
7.4.3 應(yīng)用案例與控制效果分析 209
參考文獻(xiàn) 213
第8章 基于電壓源變流器的網(wǎng)側(cè)次/超同步阻尼控制 215
8.1 基本原理與控制構(gòu)成 215
8.1.1 基于電壓源變流器的次/超同步阻尼控制一般原理 215
8.1.2 并聯(lián)型VSC-SSDC的構(gòu)成 216
8.2 風(fēng)電次/超同步阻尼控制器的設(shè)計(jì) 218
8.2.1 GSDC-SSDC的構(gòu)成 218
8.2.2 反饋信號(hào)的選取 219
8.2.3 模式濾波器的設(shè)計(jì) 219
8.2.4 比例-移相環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 220
8.3 GSDC鏈?zhǔn)阶兞髌骷捌淇刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì) 221
8.3.1 GSDC-VSC的構(gòu)成 221
8.3.2 GSDC-VSC的主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 222
8.3.3 GSDC-VSC的容量設(shè)計(jì) 226
8.3.4 GSDC-VSC的控制 227
8.3.5 GSDC-VSC的等值傳遞函數(shù)模型 228
8.4 GSDC-SSDC參數(shù)的全工況優(yōu)化設(shè)計(jì) 228
8.4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求 229
8.4.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)原理 229
8.4.3 包括GSDC的系統(tǒng)阻抗網(wǎng)絡(luò)模型 230
8.4.4 SSDC參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題 232
8.4.5 優(yōu)化問題的求解 233
8.4.6 沽源風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)GSDC-SSDC參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 233
8.5 GSDC裝置的研發(fā)、測(cè)試與應(yīng)用 235
8.5.1 研發(fā)歷程 235
8.5.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真分析 236
8.5.3 控制硬件在環(huán)測(cè)試 238
8.5.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 242
參考文獻(xiàn) 242
序
前言
第1章 概述 1
1.1 電力系統(tǒng)振蕩問題回顧 1
1.2 次/超同步振蕩的定義、形態(tài)與分類 2
1.2.1 以往定義、形態(tài)與分類方法回顧 2
1.2.2 次/超同步振蕩的概念及基于相互作用機(jī)理的分類方法 5
1.3 風(fēng)電次/超同步振蕩的形態(tài)、特征與危害 8
1.3.1 風(fēng)電次/超同步振蕩的形態(tài) 8
1.3.2 風(fēng)電次/超同步振蕩的主要特征 9
1.3.3 風(fēng)電次/超同步振蕩的危害 9
1.4 風(fēng)電次/超同步振蕩研究?jī)?nèi)容概述 10
1.5 主要挑戰(zhàn)與本書特色 11
1.5.1 面臨的主要挑戰(zhàn) 11
1.5.2 本書的重點(diǎn)與特色 14
參考文獻(xiàn) 16
第2章 風(fēng)電次/超同步振蕩分析的模型和參數(shù) 19
2.1 模型構(gòu)成與建模概述 19
2.1.1 模型構(gòu)成 19
2.1.2 建模方法概述 21
2.2 頻域阻抗模型 23
2.2.1 阻抗模型概述 23
2.2.2 阻抗模型的機(jī)理構(gòu)建方法 27
2.2.3 阻抗模型的擾動(dòng)測(cè)辨方法 30
2.3 電壓源變流器的阻抗模型 32
2.3.1 典型電壓源變流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略 33
2.3.2 電壓源變流器的阻抗建模 35
2.3.3 采用不同阻抗模型進(jìn)行次/超同步振蕩穩(wěn)定性評(píng)估的對(duì)比 40
2.3.4 全工況耦合阻抗模型及其測(cè)辨方法 43
2.4 風(fēng)電機(jī)組的阻抗模型 45
2.4.1 1型風(fēng)電機(jī)組 46
2.4.2 2型風(fēng)電機(jī)組 47
2.4.3 3型風(fēng)電機(jī)組 47
2.4.4 4型風(fēng)電機(jī)組 50
2.5 交流電力網(wǎng)絡(luò)中主要設(shè)備的阻抗模型 52
2.5.1 汽輪(同步發(fā)電)機(jī)組 52
2.5.2 傳統(tǒng)直流輸電 54
2.5.3 交流輸電線與并網(wǎng)電抗器 56
2.5.4 其他電網(wǎng)元件 57
2.6 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型 57
2.6.1 基本原理 57
2.6.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法 57
2.6.3 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的傳遞函數(shù)矩陣 60
參考文獻(xiàn) 61
第3章 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的風(fēng)電次/超同步振蕩分析 63
3.1 分析方法概述 63
3.1.1 分析的目標(biāo) 63
3.1.2 分析面臨的挑戰(zhàn) 63
3.1.3 分析方法綜述 64
3.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的頻域模式分析 69
3.2.1 振蕩模式的獲取 69
3.2.2 設(shè)備對(duì)振蕩模式的參與度 70
3.2.3 振蕩模式的分布特征 72
3.3 基于聚合阻抗頻率特性的定量分析 74
3.3.1 基本原理與一般流程 74
3.3.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的聚合 75
3.3.3 基于聚合阻抗頻率特性的穩(wěn)定判據(jù) 79
3.3.4 基于聚合RLC電路模型的定量分析 83
3.3.5 與特征值分析和電磁暫態(tài)仿真的比較 84
參考文獻(xiàn) 91
第4章 雙饋風(fēng)電集群-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)的次同步振蕩分析 94
4.1 次同步振蕩的特征與機(jī)理 94
4.1.1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)及典型次同步振蕩事件 94
4.1.2 主要特征 100
4.1.3 電路機(jī)理分析與實(shí)測(cè)驗(yàn)證 103
4.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的風(fēng)電次同步振蕩分析 110
4.2.1 風(fēng)電機(jī)組的阻抗模型 110
4.2.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建 110
4.2.3 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)的頻域模式分析 112
4.2.4 基于聚合阻抗頻率特性的次同步振蕩分析 114
4.2.5 現(xiàn)場(chǎng)錄波及電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證 115
4.3 主要影響因素分析 118
4.3.1 風(fēng)速的影響 118
4.3.2 并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)的影響 122
4.3.3 風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)的影響 124
4.3.4 串補(bǔ)度的影響 128
參考文獻(xiàn) 129
第5章 直驅(qū)風(fēng)電集群-弱交流系統(tǒng)的次/超同步振蕩分析 130
5.1 次/超同步振蕩的特征與機(jī)理 130
5.1.1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)及典型次/超同步振蕩事件 130
5.1.2 主要特征 135
5.1.3 振蕩機(jī)理簡(jiǎn)析與實(shí)測(cè)驗(yàn)證 137
5.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的風(fēng)電次/超同步振蕩分析 142
5.2.1 風(fēng)電機(jī)組的阻抗模型 142
5.2.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建與聚合 143
5.2.3 基于聚合阻抗頻率特性的次/超同步振蕩分析 146
5.2.4 電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證 148
5.2.5 次/超同步振蕩的振蕩源分析 150
5.3 主要影響因素分析 154
5.3.1 并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)的影響 155
5.3.2 交流電網(wǎng)強(qiáng)度的影響 155
5.3.3 風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)的影響 156
5.3.4 特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響 159
5.3.5 電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證 159
參考文獻(xiàn) 161
第6章 風(fēng)電次/超同步振蕩防控方法概述 163
6.1 防控方法分類 163
6.2 系統(tǒng)規(guī)劃階段的預(yù)防措施 163
6.2.1 電網(wǎng)側(cè)預(yù)防措施 164
6.2.2 機(jī)組側(cè)預(yù)防措施 165
6.3 協(xié)調(diào)機(jī)-網(wǎng)運(yùn)行方式 165
6.4 風(fēng)電機(jī)組側(cè)主動(dòng)阻尼控制 167
6.4.1 優(yōu)化/調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組變流器控制參數(shù) 167
6.4.2 改進(jìn)網(wǎng)側(cè)變流器控制 167
6.4.3 改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制(3型風(fēng)電機(jī)組) 169
6.4.4 同時(shí)替換網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制(3型風(fēng)電機(jī)組) 170
6.5 電網(wǎng)側(cè)主動(dòng)阻尼控制 171
6.5.1 基于FACTS設(shè)備的阻尼控制 171
6.5.2 基于HVDC的阻尼控制 171
6.5.3 基于專用變流器的阻尼控制 171
6.6 防控方法總結(jié)及主要挑戰(zhàn) 171
6.6.1 防控方法總結(jié) 171
6.6.2 主要挑戰(zhàn) 173
參考文獻(xiàn) 173
第7章 風(fēng)電機(jī)組的阻抗重塑控制 178
7.1 阻抗重塑控制原理與實(shí)現(xiàn)方法概述 178
7.2 基于次同步陷波器的阻抗重塑控制 179
7.2.1 工作原理 179
7.2.2 次同步陷波器嵌入位置的優(yōu)選 182
7.2.3 次同步陷波器的設(shè)計(jì) 186
7.2.4 控制效果分析 189
7.3 雙饋風(fēng)電機(jī)組基于RSC附加阻尼控制的阻抗重塑 191
7.3.1 基本原理和主要特點(diǎn) 191
7.3.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組附加次同步阻尼控制的設(shè)計(jì) 192
7.3.3 應(yīng)用案例與控制效果分析 194
7.3.4 工程案例 204
7.4 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組基于GSC附加阻尼控制的阻抗重塑 207
7.4.1 基本原理 207
7.4.2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組附加次/超同步阻尼控制的設(shè)計(jì) 208
7.4.3 應(yīng)用案例與控制效果分析 209
參考文獻(xiàn) 213
第8章 基于電壓源變流器的網(wǎng)側(cè)次/超同步阻尼控制 215
8.1 基本原理與控制構(gòu)成 215
8.1.1 基于電壓源變流器的次/超同步阻尼控制一般原理 215
8.1.2 并聯(lián)型VSC-SSDC的構(gòu)成 216
8.2 風(fēng)電次/超同步阻尼控制器的設(shè)計(jì) 218
8.2.1 GSDC-SSDC的構(gòu)成 218
8.2.2 反饋信號(hào)的選取 219
8.2.3 模式濾波器的設(shè)計(jì) 219
8.2.4 比例-移相環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 220
8.3 GSDC鏈?zhǔn)阶兞髌骷捌淇刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì) 221
8.3.1 GSDC-VSC的構(gòu)成 221
8.3.2 GSDC-VSC的主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 222
8.3.3 GSDC-VSC的容量設(shè)計(jì) 226
8.3.4 GSDC-VSC的控制 227
8.3.5 GSDC-VSC的等值傳遞函數(shù)模型 228
8.4 GSDC-SSDC參數(shù)的全工況優(yōu)化設(shè)計(jì) 228
8.4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求 229
8.4.2 基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的全工況優(yōu)化設(shè)計(jì)原理 229
8.4.3 包括GSDC的系統(tǒng)阻抗網(wǎng)絡(luò)模型 230
8.4.4 SSDC參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題 232
8.4.5 優(yōu)化問題的求解 233
8.4.6 沽源風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)GSDC-SSDC參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 233
8.5 GSDC裝置的研發(fā)、測(cè)試與應(yīng)用 235
8.5.1 研發(fā)歷程 235
8.5.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真分析 236
8.5.3 控制硬件在環(huán)測(cè)試 238
8.5.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 242
參考文獻(xiàn) 242
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風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次/超同步振蕩的分析與控制 節(jié)選
第1章 概述 1.1 電力系統(tǒng)振蕩問題回顧 現(xiàn)代電網(wǎng)本質(zhì)上是一個(gè)“被強(qiáng)制”工作在50/60Hz(交流)和0Hz(直流)的電能系統(tǒng)。在討論其振蕩問題時(shí)，通常是指在工作頻率之外“寄生”的或機(jī)械、或電磁、或其耦合的往復(fù)能量交換。當(dāng)這種能量交換危及電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)，將造成穩(wěn)定性或電能質(zhì)量問題。自電力系統(tǒng)誕生以來，振蕩就是其動(dòng)態(tài)或穩(wěn)定性研究的一個(gè)重要側(cè)面。 早在1919年，Carson就研究了輸電網(wǎng)絡(luò)的振蕩問題[1]。1926年，Evans等提出機(jī)電振蕩的概念[2]。1930年前后，Park等深入研究了同步發(fā)電機(jī)的低頻振蕩(low-frequency oscillation，LFO)現(xiàn)象。Butler等認(rèn)識(shí)到旋轉(zhuǎn)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)中電抗與串補(bǔ)電容引起的次同步頻率電流呈感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(induction generator effect，IGE)，進(jìn)而導(dǎo)致電氣振蕩或自激磁[3]。1970～1971年，美國(guó)Mohave電廠先后兩次發(fā)生扭振互作用(torsional interaction，TI)引發(fā)的大軸損壞事件。它們與其后出現(xiàn)的暫態(tài)扭矩放大(transient torque amplification，TTA)統(tǒng)稱為次同步諧振(sub- synchronous resonance，SSR)[4]。此后，又相繼發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stablizer，PSS)、直流換流站、靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)、變速驅(qū)動(dòng)，以及其他寬頻電力控制設(shè)備也會(huì)惡化旋轉(zhuǎn)電機(jī)某些機(jī)械模態(tài)的阻尼，導(dǎo)致持續(xù)扭振。它們被統(tǒng)稱為次同步振蕩(subsynchronous oscillation，SSO)[5]。 經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，LFO、SSR/SSO的機(jī)理和特性已得到較為充分的揭示。它們的共性特征是，具有較大物理慣性的旋轉(zhuǎn)機(jī)組，特別是大型同步發(fā)電機(jī)組的主導(dǎo)和參與。但是，近年來，電力系統(tǒng)正在發(fā)生深刻變革。其突出特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)之一是電力電子變流器的廣泛接入，即在電源側(cè)，變流式電源持續(xù)增長(zhǎng)，例如2016年我國(guó)新增裝機(jī)中，風(fēng)電、光伏占比已超過燃煤機(jī)組，達(dá)到41.8%；在電網(wǎng)側(cè)，基于變流器的特高壓直流、柔性直流和柔性交流輸電裝備廣泛應(yīng)用；在用戶側(cè)，采用變流器的分布式發(fā)電、直流配網(wǎng)和微電網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展。這些都顯著改變了電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，帶來新的穩(wěn)定性和振蕩問題。尤其是近年來，風(fēng)電等變流式電源引發(fā)的新型次/超同步振蕩(sub-& super-synchronous oscillation，SSSO或S3O)問題非常突出。變流式恒功率負(fù)載的負(fù)電阻特性、多變流器的鎖相環(huán)(phase-locked loop，PLL)回路耦合、變流器控制參與電網(wǎng)側(cè)串/并聯(lián)諧振，以及靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator， STATCOM)、基于電壓源變流器的高壓直流(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)輸電與弱交流電網(wǎng)的相互作用，曾激發(fā)頻率從數(shù)赫茲到數(shù)千赫茲以上的寬頻帶振蕩(wide-band oscillation，WBO)。此外，配供電系統(tǒng)中出現(xiàn)變流器參與的諧波放大或強(qiáng)制振蕩(forced oscillation，F(xiàn)O)等問題，也引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。 1.2 次/超同步振蕩的定義、形態(tài)與分類 20世紀(jì)70年代至今，作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要側(cè)面，SSR/SSO一直得到廣泛的關(guān)注。隨著電力系統(tǒng)的演變發(fā)展，SSR/SSO的形態(tài)和特征隨之處于不斷變化之中。美國(guó)Mohave電廠發(fā)生的惡性SSR事件開啟了機(jī)組軸系扭振與串補(bǔ)、高壓直流等相互作用分析，進(jìn)而引發(fā)SSR/SSO的研究高潮。90年代初，柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible AC transmission systems，F(xiàn)ACTS)技術(shù)興起，推動(dòng)了電力電子控制裝置參與、影響，以及抑制SSR/SSO的研究。21世紀(jì)以來，隨著風(fēng)電、光伏等新型可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展，其采用的變流器接入電網(wǎng)的方式不但影響傳統(tǒng)的扭振特性，而且與電網(wǎng)的互動(dòng)正導(dǎo)致新的SSR/SSO形態(tài)。它們的內(nèi)在機(jī)理和外在表現(xiàn)都跟傳統(tǒng)SSR/SSO有很大的區(qū)別，難以融入電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)在20世紀(jì)中后期逐步建立的術(shù)語與形態(tài)框架中，給該方向的研究和交流帶來不便，因此亟須對(duì)SSR/SSO的定義、形態(tài)與分類開展分析。 1.2.1 以往定義、形態(tài)與分類方法回顧 1. 以往定義的歷史回顧 20世紀(jì)30年代的學(xué)者就認(rèn)識(shí)到，同步發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)對(duì)于電網(wǎng)中電抗與串補(bǔ)電容導(dǎo)致的次同步頻率電流呈現(xiàn)感應(yīng)發(fā)電機(jī)特性，進(jìn)而導(dǎo)致電氣振蕩或自激磁(self-excitation，SE)。但是，1970年以前人們只是將發(fā)電機(jī)軸系看成一個(gè)單質(zhì)塊剛體，沒有意識(shí)到機(jī)械扭振模式的參與。直到美國(guó)Mohave電廠先后發(fā)生兩次大軸損壞事件，人們才認(rèn)識(shí)到串補(bǔ)電網(wǎng)與汽輪機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)之間相互作用可能產(chǎn)生扭振的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[6]首次提出SSR、SSO、IGE和TTA等概念。文獻(xiàn)[7]提出扭振(模態(tài))互作用的概念，并說明其為串補(bǔ)輸電系統(tǒng)的三種穩(wěn)定性問題之一，其他兩種是機(jī)電振蕩和電氣自激(electrical self-excitation，ESE)，并首次討論了暫態(tài)扭矩問題。 1974年，IEEE電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能(power system dynamic performance，PSDP)分委會(huì)成立了一個(gè)專門的工作組來推動(dòng)對(duì)SSR現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。它在1976年首次發(fā)布IEEE委員會(huì)報(bào)告[8]，并在1979年對(duì)該報(bào)告進(jìn)行了**次文獻(xiàn)補(bǔ)充[9]，將SSR的形態(tài)劃分為感應(yīng)電機(jī)效應(yīng)(induction machine effect，IME)和扭振(torsional oscillation，TO)。此后，每隔6年出版一次文獻(xiàn)補(bǔ)遺[10，11]，總結(jié)相關(guān)理論、分析方法與控制手段的*新進(jìn)展。1977～1980年，美國(guó)西部電網(wǎng)的Navajo電廠[12]、San Juan電廠[13]相繼出現(xiàn)SSR問題。以此為契機(jī)，學(xué)術(shù)界對(duì)SSR/SSO開展了大量的理論與實(shí)證研究。1980年，IEEE委員會(huì)在其報(bào)告中明確了SSR、自激(包括IGE/IME和TI)和軸系扭矩放大(shaft torque amplification，STA)等術(shù)語定義[14]。 在發(fā)現(xiàn)串補(bǔ)電容導(dǎo)致SSR的同時(shí)，加拿大Lambton電廠發(fā)現(xiàn)PSS會(huì)惡化低階扭振模態(tài)的阻尼，進(jìn)而導(dǎo)致扭振。1977年10月，在美國(guó)Square Butte HVDC系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，直流換流站與相鄰汽輪發(fā)電機(jī)組的低階扭振模態(tài)相互作用，導(dǎo)致HVDC-TI現(xiàn)象[15]。針對(duì)這些新情況，IEEE委員會(huì)在1985年第二次文獻(xiàn)補(bǔ)充[10]和新版定義[16]中增加了裝置型次同步振蕩的分類，將直流換流器、SVC[17]、PSS、變速驅(qū)動(dòng)，以及其他寬頻電力控制設(shè)備與鄰近的汽輪機(jī)組之間相互作用引發(fā)的SSO歸為這一類別，并針對(duì)HVDC、PSS這一類控制參與的SSO問題首次提出控制相互作用(control interaction，CI)的概念，以及SSR仍然限于汽輪機(jī)組與串補(bǔ)輸電系統(tǒng)的相互作用。 1991年，第三次文獻(xiàn)補(bǔ)充[11]中提到極長(zhǎng)、高并聯(lián)電容補(bǔ)償線路也可能引發(fā)低階TI，并針對(duì)HVDC引發(fā)的TI提出次同步扭振互作用(sub-synchronous torsional interaction，SSTI)的概念。1992年，IEEE SSR工作組對(duì)SSR/SSO進(jìn)行了概括性分類[18]，將SSR限定為串補(bǔ)電容與汽輪發(fā)電機(jī)組的相互作用，包括IGE、TI和TA三類。SSO指汽輪發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)其他設(shè)備(PSS、SVC、HVDC[19]、電液調(diào)速、變速驅(qū)動(dòng)變流器等)之間相互作用引發(fā)的機(jī)組軸系扭振。1997年，第四次文獻(xiàn)補(bǔ)充中闡明，軸系扭振同樣存在于異步電機(jī)、柴油機(jī)組、同步電動(dòng)機(jī)中[20]。關(guān)于水輪機(jī)組相關(guān)的SSR/SSO問題，文獻(xiàn)[21]報(bào)道了具有低發(fā)電機(jī)-水輪機(jī)慣性比(generator-to-turbine inertia ratio，GTR)的水輪機(jī)組接入直流系統(tǒng)的SSTI問題。文獻(xiàn)[22]指出，接入串補(bǔ)電網(wǎng)的水輪機(jī)組也會(huì)出現(xiàn)IGE現(xiàn)象，并可能由故障導(dǎo)致高幅暫態(tài)扭矩。 20世紀(jì)末至今，在美國(guó)等西方國(guó)家，汽輪機(jī)組扭振相關(guān)的SSR/SSO理論與實(shí)踐已逐漸成熟，且新增火電機(jī)組和串補(bǔ)裝置減少，SSR/SSO問題不再突出，因此相關(guān)研究減少。21世紀(jì)以來，中國(guó)、印度、巴西等國(guó)家的串補(bǔ)和直流工程增多，導(dǎo)致SSR/SSO問題突出，因此啟動(dòng)了新一輪的理論和實(shí)踐工作，并取得大量新的成果。同時(shí)，新型發(fā)電和輸電技術(shù)，如可再生能源發(fā)電和柔性交直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，帶來新的SSR/SSO問題，并引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。 20世紀(jì)90年代興起的FACTS技術(shù)推動(dòng)了SSR/SSO兩方面的研發(fā)工作。一是，包含新型串補(bǔ)技術(shù)的FACTS控制器，如晶閘管控制串聯(lián)電容器(thyristor controlled series capacitor，TCSC)[23]、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator，SSSC)、GTO控制串聯(lián)電容器(GTO controlled series capacitor，GCSC)和統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等對(duì)SSR/SSO特性的影響研究。二是，基于各種串、并聯(lián)或混合FACTS控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)SSR/SSO的阻尼控制。同時(shí)，直流輸電技術(shù)的發(fā)展對(duì)SSR/SSO的影響特性也在發(fā)生變化。基于電容換相變流器(capacitor commutated converter，CCC)的CCC-HVDC仍跟傳統(tǒng)線路換相變流器(line commutated converter，LCC)的LCC-HVDC一樣，存在激發(fā)SSO或SSTI的風(fēng)險(xiǎn)[24]。基于電壓源變流器(voltage source converter，VSC)的VSC-HVDC則僅在某些特殊工況下會(huì)導(dǎo)致鄰近機(jī)組的電氣阻尼降低，但導(dǎo)致SSO的總體風(fēng)險(xiǎn)大大降低[25]。人們對(duì)柔性交直流輸電控制器的研究進(jìn)一步擴(kuò)展到一般性的VSC[26]。研究表明，VSC可能對(duì)鄰近機(jī)組的阻尼產(chǎn)生影響，但其極性和大小與其具體的控制策略和參數(shù)密切相關(guān)。 隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電的迅速發(fā)展，并通過電力電子變流器大規(guī)模集群接入電網(wǎng)，其參與或引發(fā)的新型SSR/SSO問題得到廣泛關(guān)注。早期主要討論自激磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)(self-excited induction generator，SEIG)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator，DFIG)型風(fēng)電機(jī)組與串補(bǔ)/HVDC相互作用引發(fā)SSR/SSO的風(fēng)險(xiǎn)[27]。分析表明，SEIG以放射式接入高串補(bǔ)度電網(wǎng)末端時(shí)，會(huì)產(chǎn)生IGE和TA風(fēng)險(xiǎn)，但不會(huì)導(dǎo)致TI[19]。DFIG由于變流器控制，特別是電流內(nèi)環(huán)控制的參與，會(huì)大大加劇IGE風(fēng)險(xiǎn)[28]。典型的例子是，2009年10月，美國(guó)得州南部某電網(wǎng)因線路故障造成雙饋風(fēng)電機(jī)群放射式接入串補(bǔ)電網(wǎng)，引發(fā)嚴(yán)重的SSR，進(jìn)而導(dǎo)致大量機(jī)組脫網(wǎng)，以及部分機(jī)組損壞的事件。該新型SSO現(xiàn)象主要源于變流器控制與串補(bǔ)電網(wǎng)的相互作用，因此也被廣泛稱為次同步(控制)相互作用(sub- synchronous (control) interaction，記為SSCI/SSI)[29，30]。2011年始，我國(guó)河北省北部沽源地區(qū)(簡(jiǎn)稱冀北沽源)風(fēng)電場(chǎng)在正常工況下也多次出現(xiàn)類似的SSR/SSCI/SSI事件，表明在較低串補(bǔ)度和正常工況下，變流器控制也可能導(dǎo)致不穩(wěn)定
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