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风电变流技术 储能系统 构网型GFM 弱电网并网 ★ 5.0

弱电网下构网型双馈感应风力发电机的机电振荡分析与抑制

Electromechanical Oscillation Analysis and Suppression of Grid Forming DFIG-Based Wind Turbines Under Weak Grid

作者 Mengjie Li · Zhen Xie · Shang Xu · Shuying Yang · Xing Zhang
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年11月
技术分类 风电变流技术
技术标签 储能系统 构网型GFM 弱电网并网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双馈感应发电机 弱电网 机电稳定性 传动链振荡 混合 d - q 轴电压参考传动链阻尼控制
语言:

中文摘要

当前研究表明,在双馈感应发电机(DFIG)风力发电机组(WT)中实施构网型(GFM)控制有可能提高弱电网中电力系统的稳定性。然而,关于采用GFM控制的DFIG机电稳定性的研究较少。本研究首先建立了连接到弱电网的GFM DFIG机电系统的小信号模型。理论分析表明,随着电网强度的减弱,系统在传动链固有频率(NF)附近易发生机电振荡。随后,本文详细分析了控制系统中的传动链阻尼支路,建立了传动链NF振荡周期内的平均能量耗散模型,并研究了引起传动链振荡(DO)的机制。此外,从GFM控制参数的角度提出了振荡优化建议。然而,要实现传动链稳定性和电力稳定性之间的平衡仍然具有挑战性,尤其是在极弱电网中。因此,本文提出了一种适用于GFM控制的混合 <italic xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">d - q</i> 轴电压参考传动链阻尼控制(HVRDC)策略。理论分析表明,即使在极弱电网条件下,所提出的策略也能确保基于GFM DFIG的风力发电机组的稳定性。最后,通过控制硬件在环(CHIL)实验验证了理论分析的准确性。

English Abstract

The current research indicates that the implementation of grid-forming (GFM) control in doubly-fed induction generator (DFIG) wind turbines (WTs) has the potential to enhance the stability of electrical systems in weak grids. However, there is a scarcity of studies on the electromechanical stability of DFIG under GFM control. The investigation begins with formulating a small-signal model for the electromechanical system of a GFM DFIG connected to a weak grid. The theoretical analysis reveals that, as the grid strength diminishes, the system becomes susceptible to electromechanical oscillations near the natural frequency (NF) of the drivetrain. Subsequently, the paper scrutinizes the drivetrain damping branch within the control system, establishes an average energy dissipation model during the drivetrain NF oscillation period, and examines the mechanisms causing drivetrain oscillations (DOs). Additionally, optimization recommendations for oscillations are presented from the perspective of GFM control parameters. Nevertheless, achieving a balance between drivetrain stability and electrical stability remains challenging, especially in extremely weak grids. Therefore, the paper proposes a hybrid d-q axis voltage reference drivetrain damping control (HVRDC) tailored for GFM control. Theoretical analysis demonstrates that, even in the presence of an extremely weak grid, the proposed strategy ensures the stability of the GFM DFIG-based WT. Finally, the accuracy of the theoretical analysis is substantiated through a control-hardware-in-loop (CHIL) experiment.
S

SunView 深度解读

从阳光电源新能源系统集成业务视角来看,本文针对双馈风电机组在弱电网下的构网型控制技术研究具有重要的借鉴价值。尽管研究对象为风电系统,但其揭示的构网型控制在弱电网环境下的机电振荡机理,与我司光储系统面临的并网稳定性挑战存在本质相通性。

该研究的核心价值在于系统性地分析了构网型控制下的机电耦合振荡问题。随着高比例新能源接入,电网强度持续减弱,我司的光伏逆变器和储能变流器在采用构网型控制时同样面临类似的低频振荡风险。论文提出的小信号建模方法和能量耗散分析框架,可直接应用于评估我司产品在弱电网下的稳定裕度,这对于优化虚拟同步机等构网型控制算法具有指导意义。

特别值得关注的是论文提出的混合d-q轴电压参考阻尼控制策略(HVRDC)。这种针对性的阻尼优化方案为解决电气稳定性与机械稳定性的权衡难题提供了新思路。对于阳光电源而言,可将该方法迁移至储能系统的功率振荡抑制场景,尤其在风光储一体化项目中,通过储能系统的快速响应特性实现全站级的振荡抑制。

从技术成熟度看,该研究已通过控制硬件在环实验验证,具备较高的工程化可行性。当前挑战在于如何将风电领域的传动系统阻尼控制理念转化为适配光储系统的控制策略。这为我司在极弱电网接入、海岛微网等复杂场景下提升构网型产品的稳定性能提供了重要的技术储备方向,同时也凸显了多能源协同控制研究的战略价值。