新能源發(fā)電技術(shù) 課件 第八章-弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制

第八章弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容：弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩失穩(wěn)問題基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.1弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩失穩(wěn)問題高比例新能源電力系統(tǒng)寬頻振蕩事故

高比例新能源電力系統(tǒng)面臨著寬頻范圍內(nèi)的振蕩風(fēng)險，頻率范圍覆蓋幾Hz至上千Hz，并且振蕩頻率受到新能源控制、系統(tǒng)工況的影響，呈現(xiàn)時變的特征。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.1弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩失穩(wěn)問題振蕩失穩(wěn)問題的分析方法將處于某一穩(wěn)態(tài)工況的互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行線性化，把互聯(lián)系統(tǒng)的振蕩問題轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的小信號問題進(jìn)行分析理論分析方法特征值分析法阻抗分析法復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)分析法模型變量狀態(tài)變量端口電壓/電流電磁轉(zhuǎn)矩及相關(guān)變量模型線性狀態(tài)空間方程線性化傳遞函數(shù)或矩陣線性化電磁轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)模型獲取數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建?；螂x線/在線測量數(shù)學(xué)建模穩(wěn)定性判據(jù)狀態(tài)矩陣的特征值分布阻抗比環(huán)路增益的特征值軌跡或等價形式電磁轉(zhuǎn)矩對次同步諧振的阻尼性質(zhì)應(yīng)用優(yōu)勢具備成熟的模態(tài)分析手段，包括參與因子分析、特征值靈敏度分析等可通過在線/離線方法測量阻抗，適用于包含復(fù)雜未知因素的實際系統(tǒng)穩(wěn)定性分析類似于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)軸系振蕩分析方法，正負(fù)阻尼概念有助于振蕩特性的分析弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.1弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩失穩(wěn)問題振蕩失穩(wěn)問題的分析方法將處于某一穩(wěn)態(tài)工況的互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行線性化，把互聯(lián)系統(tǒng)的振蕩問題轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的小信號問題進(jìn)行分析理論分析方法幅相動力學(xué)分析法開環(huán)模式分析法模型變量有功/無功功率、內(nèi)電勢幅值/相位各子系統(tǒng)的狀態(tài)變量模型線性化幅相運動方程各子系統(tǒng)線性狀態(tài)空間方程模型獲取數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模穩(wěn)定性判據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)特征多項式的特征值軌跡各子系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的特征值是否相近應(yīng)用優(yōu)勢具備明確的物理特征，能夠契合傳統(tǒng)交流系統(tǒng)概念，有助于理解系統(tǒng)的本質(zhì)特征只需開環(huán)子系統(tǒng)的振蕩模式即可判斷閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性，可準(zhǔn)確反映振蕩模式的阻尼弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法阻抗分析方法的基本原理

將新能源-電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)劃分為源/荷兩個子系統(tǒng)，然后利用戴維南/諾頓原理將各子系統(tǒng)進(jìn)行等效簡化。新能源子系統(tǒng)：理想電流源與等效阻抗的并聯(lián)遠(yuǎn)端電網(wǎng)：電壓源遠(yuǎn)端電網(wǎng)到并網(wǎng)點之間的阻抗：內(nèi)阻弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法阻抗分析方法的基本原理

新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性等價于公共耦合點(pointofcommoncoupling,PCC)處新能源子系統(tǒng)輸出電流和電壓分量的穩(wěn)定性。式中Iout為PCC處新能源子系統(tǒng)輸出電流分量，Vout為PCC處新能源子系統(tǒng)輸出電壓分量。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法阻抗分析方法的基本原理

實際場合中，可以認(rèn)為新能源子系統(tǒng)和電網(wǎng)自身都是穩(wěn)定的，輸出電流Iout和PCC點電壓Vout的穩(wěn)定性均取決于：新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于上式的穩(wěn)定性：通過電網(wǎng)、新能源的阻抗比環(huán)路增益的特征值軌跡是否滿足奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)判斷互聯(lián)系統(tǒng)是否存在振蕩問題。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法阻抗建模技術(shù)

在針對三相交流裝置進(jìn)行阻抗建模時，不同坐標(biāo)系下的阻抗建模方法本質(zhì)上都是描述線性化后的三相交流系統(tǒng)中電壓、電流信號之間的小信號關(guān)系。常用阻抗模型線性化方法適用范圍dq域阻抗以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量為穩(wěn)態(tài)工作點進(jìn)行線性化僅對三相對稱系統(tǒng)適用相序域阻抗將周期性時變信號轉(zhuǎn)換至頻域進(jìn)行線性化不僅適用于三相平衡系統(tǒng)，也適用于不平衡或內(nèi)部諧波含量復(fù)雜的系統(tǒng)弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法阻抗測量技術(shù)

掃頻測試是一種用于測量系統(tǒng)在一定頻率范圍內(nèi)頻率響應(yīng)的常用測量方法。當(dāng)輸入輸出變量選定為電壓、電流時，掃頻測試可用于測量系統(tǒng)的阻抗特性。在測量過程中，擾動信號疊加至測量回路、以及電壓電流信號采樣等步驟均需要在靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行：測量dq域阻抗：需要額外的坐標(biāo)變換過程測量相序域阻抗：無需坐標(biāo)變換即可實現(xiàn)擾動信號疊加以及電壓電流信號的采樣、處理與計算弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法阻抗測量技術(shù)

掃頻測試步驟：1)初始化運行，即被測系統(tǒng)在不受擾動的情況下運行，達(dá)到某個穩(wěn)定的運行狀態(tài)；2)施加小信號擾動，即被測系統(tǒng)處于某個穩(wěn)態(tài)工況后，注入給定頻率的小信號擾動，小信號擾動的基本注入方式如下：弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法阻抗測量技術(shù)

掃頻測試步驟：3)測量響應(yīng)信號，即被測系統(tǒng)在該小信號擾動下運行一定時間，并測量擾動過程中該新能源機(jī)組的端口電流和電壓；4)頻率掃描，即在某個擾動頻率下完成步驟2)和3)后，改變擾動信號的頻率，重復(fù)步驟2)和3)，直到待測頻率點的響應(yīng)特性逐一測試完成。基于掃頻測試所獲得的各個頻率點的電壓、電流分量，將每個頻率點的電壓分量除以及對應(yīng)頻率點處的電流分量，即可得到新能源裝置的阻抗測量結(jié)果。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法基于阻抗的振蕩抑制技術(shù)

基于新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組等新能源裝置的阻抗特性，提升新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩抑制。振蕩抑制技術(shù)調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制參數(shù)改變控制策略弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法基于阻抗的振蕩抑制技術(shù)調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)通過調(diào)整并網(wǎng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以簡單有效地抑制系統(tǒng)中的振蕩。但是調(diào)整硬件電路或者增設(shè)硬件裝置會增加系統(tǒng)損耗，同時也需要相對較高的成本。優(yōu)化控制參數(shù)通過優(yōu)化新能源機(jī)組的控制參數(shù)，改變其阻抗特性，進(jìn)而抑制新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.2基于阻抗的新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法基于阻抗的振蕩抑制技術(shù)改變控制策略在原有控制結(jié)構(gòu)上增加虛擬阻抗控制。虛擬阻抗控制器的設(shè)計通常需要疊加額外的濾波器避免對基頻動態(tài)特征造成影響，因此在解決靠近基頻的振蕩問題時需要和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合。選取新型的控制策略替換新能源發(fā)電裝置普遍使用的矢量控制策略。虛擬同步控制型并網(wǎng)逆變器序阻抗在全頻段基本呈感性，與弱電網(wǎng)的阻抗特性匹配良好，能避免傳統(tǒng)矢量控制策略下并網(wǎng)逆變器接入感性弱電網(wǎng)的振蕩問題。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型案例中所使用的新能源設(shè)備為并網(wǎng)逆變器，其阻抗模型可以代表光伏發(fā)電系統(tǒng)、直驅(qū)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)以及雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器的阻抗特性。并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)控制框圖如圖所示：弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型系統(tǒng)控制框圖并網(wǎng)點的網(wǎng)側(cè)逆變器電壓電流為vga、vgb、vgc、iga、igb和igc；；逆變器三相輸出端口電壓為vgia、vgib和vgic；Vdc為直流母線電壓，并網(wǎng)逆變器交流側(cè)采用LCL的濾波結(jié)構(gòu)，L1、L2、Cf是內(nèi)側(cè)濾波電感、外側(cè)濾波電感以及濾波電容。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型θPLL是經(jīng)過鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)角度，HPLL(s)是鎖相控制的傳遞函數(shù)。并網(wǎng)逆變器的在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對dq軸電流進(jìn)行控制，電流控制器為PI控制器，Hi(s)為電流控制器的傳遞函數(shù)，Kd是電流控制的解耦系數(shù)。系統(tǒng)控制框圖弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型基于諧波線性化方法，對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行阻抗建模，可以得到該逆變器的正序阻抗模型。式中V1為基頻電壓的幅值；I1為基頻電流的幅值；φi1為基頻電流的相位；kp和ki分別是鎖相控制器的比例參數(shù)和積分參數(shù)；為基波角頻率；

弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型并網(wǎng)逆變器的負(fù)序阻抗模型。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制參數(shù)如表所示，其中電流控制帶寬為50Hz，鎖相控制帶寬為15Hz。參數(shù)符號數(shù)值電網(wǎng)電壓幅值V1563/V額定電流幅值I1296/A額定電流相位φi10/rad額定功率P0.25/MW逆變器內(nèi)側(cè)濾波電感L11.94/mH逆變器外側(cè)濾波電感L20.65/mH逆變器并聯(lián)濾波電容Cf13/uF逆變器濾波電容支路上的濾波電阻Rd0.1/Ω交叉解耦系數(shù)Kd0.1005鎖相環(huán)參數(shù)kpp0.1365kpi1.999電流控制器參數(shù)kip0.3118kii91.31弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型在該參數(shù)設(shè)置下，并網(wǎng)逆變器阻抗模型對應(yīng)的正負(fù)序阻抗特性曲線及其掃頻測試驗證結(jié)果：藍(lán)色實線：正序阻抗；藍(lán)色虛線：負(fù)序阻抗；黑色星號：正序仿真結(jié)果；黑色三角形：負(fù)序仿真結(jié)果。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析并網(wǎng)逆變器的阻抗模型掃頻測試獲得的阻抗測量結(jié)果可以用于驗證正序阻抗解析表達(dá)式和負(fù)序阻抗解析表達(dá)式的準(zhǔn)確性。并網(wǎng)逆變器正序阻抗模型與負(fù)序阻抗模型與掃頻測試結(jié)果吻合。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析基于阻抗的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問題分析當(dāng)并網(wǎng)逆變器與所接入的弱電網(wǎng)阻抗特性不匹配時，逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)將出現(xiàn)振蕩問題。藍(lán)色實線：并網(wǎng)逆變器正序阻抗；藍(lán)色虛線：并網(wǎng)逆變器負(fù)序阻抗；紅色實線：SCR=3.0感性弱電網(wǎng)阻抗弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析基于阻抗的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問題分析66Hz處并網(wǎng)逆變器阻抗與電網(wǎng)阻抗幅值相交，對應(yīng)的相位差為179°，相位裕度僅為1°。此時的互聯(lián)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，存在并網(wǎng)振蕩問題。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析基于阻抗的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問題分析電壓電流均含有明顯的諧波諧振。逆變器從理想電網(wǎng)的條件下運行至設(shè)定工況，在0.6s時投入電網(wǎng)等效電感，使得接入的電網(wǎng)SCR=3.0。逆變器-電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的并網(wǎng)點電壓電流波形圖如下：弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析基于阻抗的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問題分析并網(wǎng)逆變器阻抗與電網(wǎng)阻抗幅值交點也是66Hz。對并網(wǎng)點電流波形進(jìn)行FFT分析，可以發(fā)現(xiàn)振蕩過程中電流的振蕩頻率為66Hz。弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與振蕩抑制?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院8.3弱電網(wǎng)下新能源并網(wǎng)振蕩案例分析基于