一种直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法技术

本发明专利技术属于新能源发电并网稳定性控制领域，涉及一种直驱永磁风电机组经VSC‑HVDC并网稳定控制分析方法。解决了直驱永磁风电系统与VSC‑HVDC相互作用引发稳定性问题；通过含虚拟惯量控制的直驱永磁风电机组经VSC‑HVDC并网稳定控制分析方法，建立风电机组经直流输电的接口动态模型，利用特征值方法，发现该种系统存在低频段振荡模式，通过增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数可提高并网运行稳定性。

A method of VSC-HVDC grid connected stability control for direct drive permanent magnet wind turbine

【技术实现步骤摘要】
一种直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法
本专利技术属于新能源发电并网稳定性控制领域，涉及一种直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法。
技术介绍
21世纪以来，光伏、风电等可再生能源大量接入电网，特别是随着风电渗透率的日益提高，使得电网的运行特性更加复杂，风电与电网之间相互作用而引发的新型次同步振荡，即次同步控制(SubsynchronousControlInteraction,SSCI)相互作用，严重影响电网的安全稳定运行。另一方面，风电场经高压直流(HVDC)输电系统外送已成为大规模风电基地的主要输送方式，尤其是柔性高压直流(VSC－HVDC)输电技术因其控制的快速性与灵活性，已成为风电场并网外送的理想方案。风电场控制器与VSC－HVDC控制器之间的作用相互交织，使风电场与VSC－HVDC之间的作用机理更复杂，存在风电场与VSC－HVDC相互作用而引发SSCI的问题。目前鲜有文献研究直驱永磁同步发电机(DirectdrivePermanentMagnetSynchronousGenerators,D-PMSG)经由VSC-HVDC并网外送模型的多频段振荡(Multi-bandOscillation,MBO)问题。传统D-PMSG经VSC-HVDC并网外送系统，基于特征值分析法发现系统存在低频、次/超同步、高频多频段振荡模式。
技术实现思路
提出了通过含虚拟惯量控制的直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法，建立风电机组经直流输电的接口动态模型，利用特征值方法，通过增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数可提高并网运行稳定性。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下所述：一种直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据D-PMSG与VSC-HVDC详细模型之间的接口分析，推导得到接口矩阵与接口动态方程；S2、通过基于风电并网系统状态空间模型建立基于虚拟惯量控制的D-PMSG经VSC-HVDC并网外送全系统状态方程；S3、由状态方程得到特征值，利用特征值分析法分析发现虚拟惯性控制的D-PMSG系统经VSC-HVDC并网外送时，系统存在低频段振荡模式；S4、验证特征值分析结果的正确性；S5、通过增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数提高并网运行稳定性。所述接口矩阵的推导方式为：根据D-PMSG网侧换流器与VSC-HVDC送端换流器的动态模型分别以PCC-2节点电压与PCC-3节点电压为基准设定dq旋转坐标系，设有两个正序同步旋转dq坐标系，分别为d1q1坐标系与d2q2坐标系，d1轴与d2轴之间的夹角为θ，两个dq旋转坐标系之间的变换为：式中，变换矩阵T为D-PMSG与VSC-HVDC之间的接口矩阵。所述接口动态方程为：Y1DV为全系统的代数变量；X1为接口状态变量；A1G、A1V、B1GV、C1G、C1V、D1GV为对应的系数矩阵。所述全系统的动态方程为：式中，X与Y分别为全系统的状态变量与代数变量，并且有：得到系统状态矩阵为：A＝A1+B1C1所述系统状态矩阵A的特征根为电力系统所对应的振荡模式。所述验证特征值分析结果的正确性的方式为：采用含虚拟惯量控制的直驱永磁风电外送系统输出阻抗频率特性验证特征值分析结果的正确性。本专利技术的有益效果为：针对直驱永磁风电系统与VSC-HVDC相互作用引发稳定性问题。采用在风电机组MPPT控制的基础上，引入与系统频率偏差比例、微分量相关的辅助功率，使风电机组在系统频率波动时改变其出力的虚拟惯量控制方法，能够使机组对系统提供有效的惯性支持。直驱永磁风电机组引入虚拟惯量控制后经VSC-HVDC并网外送，通过适当增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数以提高直驱永磁风电机组经VSC-HVDC外送系统的并网稳定性。文中采用特征值分析法，并根据直驱永磁风电机系统的输出阻抗频率特性，得出计及虚拟惯量控制时，D-PMSG经VSC-HVDC并网外送系统仅在低频段可能存在运行不稳定的风险，对传统外送系统进行了优化控制，提高了并网外送系统的稳定性。附图说明图1是本专利技术流程框图；图2是风电机组虚拟惯量控制原理图；图3是直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网外送系统图；图4是d1q1坐标系与d2q2坐标系关系图；具体实施方式下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本专利技术的技术方案：实施例1电力系统中，负荷与发电功率的不平衡将导致电网频率的变化，其原理可用下面方程简化描述：式中H为系统惯性时间常数；Δω为系统角频率偏移量，Δω＝ω-1，ω为系统角频率；ΔP为系统不平衡功率，ΔP＝ΔPm-ΔPn，ΔPm和ΔPn分别为系统原动机出力和负荷功率波动量；D为阻尼系数。从式(1)可知，H越大，相同不平衡功率扰动下系统频率变化越慢，系统越稳定。采用在风电机组MPPT控制的基础上，引入与系统频率偏差比例、微分量相关的辅助功率Pv，使风电机组在系统频率波动时改变其出力的虚拟惯量控制方式下，实现对传统同步发电机组一次调频特性和惯性响应特性的模拟，其原理如图2所示。图2中，Pm和分别为原动机的机械功率值及其参考值，PL为系统负荷功率，Pw为D-PMSG的并网功率，其参考值为MPPT控制输出功率PMPPT与虚拟惯量控制辅助功率Pv之和，Pv表达式为:式中kp、kd分别为比例、微分控制系数。引入虚拟惯量控制后，系统的频率响应方程由式(1)变为：结合方程(2)有：通过对比式(1)和式(4)可见，PD虚拟惯量控制从系统惯性和阻尼两个方面提高了系统的频率稳定性。含虚拟惯量控制的直驱永磁风电系统经VSC-HVDC技术并网外送时可能存在稳定性问题，本专利针对含虚拟惯量控制的直驱永磁风电系统经直流外送时所产生的稳定性问题，提出一种基于全系统动态模型的特征值分析方法。如图3为D-PMSG经VSC-HVDC外送系统的拓扑结构，直驱永磁风电机组通过机侧变流器实现MPPT控制、虚拟惯量控制及PMSG机端电压控制，通过网侧变流器实现对直流母线电压及无功出力的控制，VSC-HVDC部分的换流器均采用基于电网电压的空间矢量控制策略。其中，可将含虚拟惯量控制的直驱永磁风电系统与VSC-HVDC系统动态模型分别描述为：式中，XD与YD分别为D-PMSG机组及其相应控制器的状态变量和代数变量；XV与YV分别为VSC-HVDC及其相应控制器的状态变量与代数变量。由于D-PMSG网侧换流器与VSC-HVDC送端换流器的的动态模型分别以PCC-2节点电压与PCC-3节点电压为基准设定dq旋转坐标系，假设有两个正序同步旋转dq坐标系，分别为d1q1坐标系与d2q2坐标系，d1轴与d2轴之间的夹角为θ，两个旋转坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据D-PMSG与VSC-HVDC详细模型之间的接口分析，推导得到接口矩阵与接口动态方程；/nS2、通过基于风电并网系统状态空间模型建立基于虚拟惯量控制的D-PMSG经VSC-HVDC并网外送全系统状态方程；/nS3、由状态方程得到特征值，利用特征值分析法分析发现虚拟惯性控制的D-PMSG系统经VSC-HVDC并网外送时，系统存在低频段振荡模式；/nS4、验证特征值分析结果的正确性；/nS5、通过增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数提高并网运行稳定性。/n

【技术特征摘要】
1.一种直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据D-PMSG与VSC-HVDC详细模型之间的接口分析，推导得到接口矩阵与接口动态方程；
S2、通过基于风电并网系统状态空间模型建立基于虚拟惯量控制的D-PMSG经VSC-HVDC并网外送全系统状态方程；
S3、由状态方程得到特征值，利用特征值分析法分析发现虚拟惯性控制的D-PMSG系统经VSC-HVDC并网外送时，系统存在低频段振荡模式；
S4、验证特征值分析结果的正确性；
S5、通过增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数提高并网运行稳定性。


2.根据权利要求1所述的一种直驱永磁风电机组经VSC-HVDC并网稳定控制分析方法，其特征在于：所述接口矩阵的推导方式为：根据D-PMSG网侧换流器与VSC-HVDC送端换流器的动态模型分别以PCC-2节点电压与PCC-3节点电压为基准设定dq旋转坐标系，设有两个正序同步旋转dq坐标系，分别为d1q1坐标系与d2q2坐标系，d1轴与d2轴之间的夹角为θ，两个dq旋转坐标系之间的变换为：



式中，变换矩阵T为D-PMSG与...

【专利技术属性】
技术研发人员：马明，吕清泉，周强，包广清，李媛，周家武，蒲文静，韩旭杉，马彦宏，汪宁渤，王明松，张健美，张艳丽，张彦琪，王定美，李津，张金平，黄蓉，
申请(专利权)人：国网甘肃省电力公司，国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃新泉风力发电有限公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：甘肃;62