Damping Characteristic Analysis of Wind-thermal-bundled Systems
风火打捆外送系统阻尼特性分析
| DOI: 10.35833/MPCE.2023.000639
| 作者 马世英 郑力文
为什么进行风火打捆外送系统的阻尼特性分析？
由于我国资源分布的差异和经济水平的不平衡，风能资源主要集中在“三北”地区，而负荷中心分布在中东部地区，需保证风电的大规模、长距离外送。风火打捆外送系统的构建，可以利用火电机组的调峰能力，平抑风电的波动性和间歇性，实现电能的平稳输送。由于风力发电具有随机性、间歇性和波动性等特点，其占比的提高导致系统抗干扰能力减弱。
风机不同控制回路的稳定性及风机与其他设备间动态交互作用复杂，存在诱发振荡的风险。因此，亟需深入研究风火打捆外送系统中直驱风电场与其他设备间的动态交互作用对系统振荡特性的影响。
风火打捆外送系统振荡特性分析方法存在哪些不足？
目前，风电并网系统振荡特性分析方法包括模式分析法、开环模式分析法、复转矩系数法、阻抗分析法和时域仿真法。各分析方法的特点如下：
1) 模式分析法可获取系统振荡频率、阻尼比等信息，利用特征根和左右特征向量计算特征根灵敏度、参与因子等。然而，该方法只能判断系统是否稳定，无法通过状态变量深入理解振荡扰动的传播特性以及子系统间的交互作用机理，同时建模过程存在“维数灾难”问题。
2) 开环模式分析法通过对模式分析法进行改进，实现互联系统的分块化建模，根据开环子系统的振荡模态来判别系统的稳定性，有效降低了系统特征信息的计算负担。然而该方法只能估计振荡模态，无法给出系统稳定裕量。
3) 复转矩系数法可以相对降低系统模型的阶数，推导出任一扰动频率下的电气阻尼，物理意义明确，结果直观。
4) 阻抗分析法通过获取的测量信息计算阻抗模型，物理意义明确，可以处理“黑（灰）箱”建模问题和避免“维数灾难”问题。然而，阻抗分析法需采用广义Nyquist稳定判据评估系统是否失稳，无法给出系统在特定工况下的稳定裕度；当其分析多电力电子设备并网系统的振荡问题时，设备复杂的控制动态在阻抗模型建立的过程中难以全面体现。
5) 时域仿真法利用数值计算获取电力系统的动态响应，具有建模准确、分析精度高等特点。然而，该方法在保证精度的条件下牺牲了计算时间，无法定量描述系统稳定性，同时难以揭示振荡机理。
综上，模式分析法和时域仿真法无法揭示振荡机理；开环模式分析法、复转矩系数和阻抗法通过对系统划分，分别基于开环模式谐振、阻尼系数和LC谐振的角度揭示振荡机理，却无法具体展现系统的扰动传递过程和多子系统间的耦合关系。因此，有必要从新角度出发，揭示风火打捆系统的振荡机理。
如何进行风火打捆外送系统阻尼路径分析？
首先，基于传递函数推导直驱风电场、火电机组和交流电网的线性化模型；其次，根据子系统间输入输出关系分别建立风火打捆外送系统的闭环传递函数模型，如图1所示。定义经过传递函数Gdc(s)的闭环为直流电容振荡模态阻尼路径，分别用红色和紫色椭圆形实线标记振荡模式的阻尼路径1和2，箭头指明扰动传递方向。
图1 风火打捆外送系统阻尼路径分析框图
假设ΔPin不变，阻尼路径1标注了扰动从ΔUdc传递到ΔPe的路径，其中涉及的传递函数为Gdc(s)和Gp1(s)，表明该通路与直驱风机直流电容动态和电网侧变流器(GSC)定直流电压外环控制相关，因此称阻尼路径1为直驱风电场内部振荡传递路径。
阻尼路径2标注了功率ΔPe发生变化时，扰动从直流电压ΔUdc传递到电流Δi1，从电流Δi1传递到电压Δur，从电压Δur传递到功率ΔPe的闭环。阻尼路径2涉及直驱风电场、火电机组和交流电网三部分，其中包含两条闭环路径a和b，分别用绿色和蓝色椭圆形虚线标记。阻尼路径2为直驱风电场、火电机组和交流电网之间的振荡耦合路径。
结合阻尼路径分析过程，将风火打捆外送系统的动态交互作用分为两类：①直驱风电场内部控制器之间的交互作用；②直驱风电场、火电机组和交流系统之间的交互作用。
如何进行风火打捆外送系统阻尼路径分离？
以直驱风电场直流电容振荡模态为例，通过阻尼分离研究风火打捆外送系统的稳定性。阻尼分离过程如图2所示。
图2 风火打捆外送系统阻尼分离过程 (a) 步骤1：Gm(s)的引入 (b) 步骤2：Gn(s)的引入 (c) 步骤3：Go(s)的引入 (d) 步骤4
风火打捆外送系统阻尼分析结果及验证？
选取直驱风电场GSC定直流电压外环控制参数、电网强度以及火电机组参数作为影响因素，定量计算各参数变化对直流电容振荡模式阻尼的影响，并结合时域仿真进行验证。
以GSC定直流电压控制外环比例系数Kpdc为例，图3（a）给出了不同Kpdc下阻尼系数Z21和Z22的频率特性曲线；图3（b）给出了不同Kpdc下自阻尼系数Z1、交互阻尼系数Z2和总阻尼系数Z的频率特性曲线。Kpdc分别取5、8和10，图中箭头方向表示阻尼系数随Kpdc增加而变化的趋势。
图3 不同Kpdc下阻尼系数频率特性曲线（a）Z21和Z22的频率特性曲线 （b）Z1、Z2和Z的频率特性曲线
当系统发生次同步振荡时，图4给出了不同GSC定直流电压外环比例系数Kpdc下直驱风电场的直流电容电压曲线。
图4 不同Kpdc下直驱风电场直流电容电压曲线
由图4可得，随着Kpdc的增加，直流电容电压的振幅降低，阻尼增强，验证了阻尼分析的准确性。
引文信息
Shiying Ma and Liwen Zheng. Damping characteristic analysis of wind-thermal-bundled systems [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2024, 12(5): 1385-1395.
作者介绍
ABOUT THE AUTHORS
马世英
博士，博士生导师，中国电力科学研究院电力系统研究所，主要研究方向为电力系统稳定与控制。
郑力文
博士研究生，中国电力科学研究院电力系统研究所，主要研究方向为电力系统稳定与控制。
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