变速风力发电机组的虚拟惯性与阻尼综合控制研究

Inertia and damping capability of the power system will be reduced by the extending penetration of large-scale wind farms, while the disturbances from the wind generation are increased. Therefore, the stability of the high wind penetration area is by far serious than that of the conventional power system. The impact of high wind penetration to the power system inertia and damping capability will be analyzed firstly. Then the project will investigate the virtual inertia control using optimal power tracking curves, and the power damping control using active and reactive power modulations, for the variable speed wind generator on the basis of its MPPT control. Finally, a unified PSS controller with both inertia and damping capability for variable speed wind generators will be presented, in order to provide the dynamic frequency support and low frequency oscillation damping as the conventional power plants. The wind farms equipped with the unified PSS controller can effectively improve the stability of the power system with high wind penetration. This project will implement simulation and prototype platforms of a high wind penetration network containing the variable speed wind generators and conventional synchronous generators, to verify the presented control strategy.

大规模风电并网增加了电网扰动、并减小了系统的惯性和阻尼，因而高风电渗透率电网的稳定性问题远比传统电网严峻。本课题首先分析高渗透率风电对系统惯性和阻尼的影响。然后在变速风电机组变流器最大功率跟踪控制的基础上，研究基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制，及基于有功调制和无功调制的对功率振荡的阻尼控制。最后提出变速风电机组的虚拟惯性与阻尼控制相结合的综合PSS控制策略，使其具备常规发电机组对电网的动态频率支持和低频振荡抑制作用，有效解决高风电渗透率的区域电网在有功扰动后将面临的频率稳定和功角稳定问题。本课题将搭建风电机组与常规同步发电机组组成的高风电渗透率电网的仿真与动模实验平台，对所提出的控制策略进行分析与验证。

大规模风电场集中接入电网将导致系统惯性和阻尼特性改变，因而高风电渗透率电网的稳定性问题远比传统电网严峻。本项目首先建立了变速风电机组的动态模型，进而分析高渗透率风电对系统惯性和阻尼的影响。然后在变速风电机组变流器最大功率跟踪控制的基础上，研究基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制，以及基于有功调制和无功调制的对系统功率振荡的阻尼控制。最后提出变速风电机组的虚拟惯性与阻尼控制相结合的综合控制策略，不仅使其对电网频率具备动态支持能力，并能够有效抑制系统低频振荡，有效解决高风电渗透率的区域电网在有功扰动后将面临的频率稳定和功角稳定问题。本文的主要研究成果如下： .(1)建立了变速风电机组的动态模型，包括：双馈异步发电机模型、永磁同步发电机模型、变速风电机组变流器及其控制系统模型、风力机及桨距角控制系统模型，用于研究大规模风电场接入电网后对系统惯性和阻尼特性的影响。.(2)通过改进最大功率跟踪控制，提出了变速风电机组基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制策略，在确保风电机组惯性控制过程安全运行的同时，使风电机组具有可控的惯性响应，能够对系统频率提供有效的动态支持。.(3)分析了变速风电机组并网后对系统阻尼特性的影响，基于简单系统的小扰动稳定分析，理论分析了通过风电机组的有功调制和无功调制增强系统阻尼的原理，提出风电机组有功、无功附加阻尼控制策略。 .(4)分析了虚拟惯性控制和有功阻尼控制对风电机组电磁功率的调节特性，实现了两种控制的有机结合，最终提出了具备惯性和阻尼功能的有功调制方法。在虚拟惯性和有功阻尼控制的基础上，利用风电机组变流器无功裕量，通过附加无功阻尼控制，进一步提高了变速风电机组阻尼系统功率振荡的能力，并综合考虑了虚拟惯性控制、有功阻尼控制、无功阻尼控制对电网及风电机组安全运行的影响，协调解决了多重控制目标间的矛盾，从而实现了变速风电机组综合PSS控制目标。