变速泵存储SSR的缓解与风力发电的电力系统

文摘

次同步谐振(SSR)可以带来重大负面影响电网系统稳定、安全,甚至发电机轴损坏。这项工作提出了一种新的方法,使用双馈感应电机(DFIM)基于系统的变速抽水蓄能电站(垂直地震剖面)减轻SSR在风力发电的电力系统与高渗透。达到减排的原则平衡轴机械输入功率和电磁功率。苏维埃社会主义共和国的基本概念和现象与风电场进行了短暂的在这工作。为了分析和验证的性能提出的系统,网络模型包括风电场、垂直地震剖面,直流,同步机是建立基于宁夏电网使用PSCAD SSR的研究平台。结果表明,垂直地震剖面带来显著影响抑制SSR的风力发电的电力系统与高渗透。

1。介绍

电力系统次同步谐振(SSR)是一个机电不稳定发生当发电机轴的扭转模式之间存在的交互和串联补偿输电线路运行的影响小于名义电网频率(1]。风力发电场的研究也证实了采用双馈感应发电机(DFIG)和连接串联电容器补偿输电线路很容易受到次同步的相互作用(SSI)和电力系统引起SSR的升级。SSR带来重大负面影响电网系统稳定、安全,甚至发电机轴损坏(2,3]。所以,分析和缓解SSR势在必行。

实践以减轻SSR有两类:一是主要计算机参数修改,另一个是二次控制回路4,5]。第一个的典型例子是极面阻尼器在发电机转子绕组,阻塞过滤器,TCSC,已阻尼器,相移,静态无功补偿器(SVC)等。第二个的最典型的例子是使用发电机励磁调节器。此外,不同的附加阻尼措施的事实提出了在6- - - - - -8]。此外,减轻SSR,使用双馈感应电机的一种新方法(基于DFIM)变速系统抽水蓄能电站(垂直地震剖面)原理的基础上,提出了平衡轴机械输入功率和电磁功率。电磁功率可以由DFIM终端的功率流计算网格,从而由转换器连接到DFIM控制。通过调节注射或吸收有功功率DFIM根据发电机转速偏差,轴功率的平衡将保持平稳;因此,垂直地震剖面可以为SSR提供阻尼,抑制瞬态扭矩放大效应。调节吸收或产生无功功率转换器的垂直地震剖面也使交流电压振荡迅速衰减。分析SSR和验证系统的性能,网络模型包括风电场、垂直地震剖面,直流,同步机是建立基于宁夏电网SSR使用PSCAD研究平台。

2。问题描述与风力发电相关

SSR的DFIG源于感容的共振(L-C)的组件,但强化了DFIG的变频器控制。后者,大大扩大了负阻的滑动频率,作为主要原因SSR的自励,即使在非常低的串联补偿的背景。这是解释为理论分析和野外观察证实了(6]。将显著增加的绝对值负阻,从而造成很大的不稳定的振荡(2]。因此,DFIG是更脆弱的次同步的控制交互类型SSR 41 (1)。人文社会出现越来越多的风险之间的相互作用所导致的SSR DFIGs和串联补偿输电线路由于增加风力发电能源和串联补偿的应用程序。

SSR事件的频率在不同的位置是相同的,这意味着所有的风力涡轮发电机(WTGs)和网络从事相同的SSR模式。但它的值不是固定的,会随着时间的改变而不断改变,以及网络拓扑结构等因素的变化和在线发电机的数量(6]。

根据这项研究的7),发现许多SSR现象在固原,2010年河北。当前的DFIG风电场和输电线路大大小的次同步的振荡频率。

本文提出的系统设计基于IEEE SSR的SSR的第二基准模型可以分析。这种风力发电机模型(图所示1)。一个等效集总机器提供给代表一组风力涡轮机的行为。正如许多研究[11,12)支持这一假设,风电场的聚合系统互连的研究提供了一个合理的近似。根据系统研究[13- - - - - -16),使用一台机器批量系统动力学模拟等效对大多数规划研究来说是足够的。

在此基础上集中风力机模型,系统(图所示2)被认为是为案例研究宁夏电网,由大型渗透的风力和光伏发电直流发送。模型的同步机机械系统由励磁机、发电机、低压(LP)和高压涡轮(HP)部分。PSCAD模型是建立人物2案例研究和详细的分析提出了以下部分。

SSR的影响也分成网格。以下数据包括数据3- - - - - -5表明SSR对电压的影响,风电场功率流和速度响应,直流操作。

在同步发电机连接到无限总线AC-source,操作反应很好。但是,当无限总线AC-source由RL分流的组件,SSR开始由于显性效应的串联电容器与发电机的扭力轴的操作模式。

在过渡时间 秒。RL仍然连接为0.2秒。然而,即使RL断开,共振和干扰继续如图4。

SSR在电网的影响被认为是在图5介绍了模拟波形下图所示。

它可以得出结论,SSR具有显著影响电网的电压质量和功率流。更明显的接近SSR在哪里出现。它会导致系统故障,电力安全的威胁。因此,它需要抑制通过适当的方法或技术。一些方法到目前为止已经在引言部分介绍了本文。除此之外,使用双馈感应电机的一种新方法(基于DFIM)变速系统抽水蓄能电站(垂直地震剖面)减轻SSR提出了本文和下一节中讨论。

3所示。垂直地震剖面的缓解苏维埃社会主义共和国

的垂直地震剖面在电网中扮演重要角色的能源管理、平和稳定控制和可再生能源资源。如果部署DFIM拓扑,它非常适合独立和无功功率控制和快速活跃。另一个优势包括,机器的速度不再是锁系统频率。因此,在稳定状态下,控制选择最佳门位置和速度之间的关系来获得想要的权力。因此,传统的效率和操作灵活性抽水蓄能运行在恒定速度可以显著增加了使用变速组。垂直地震剖面,一般来说,有一个巨大的优势和好处为风电波动补偿和其他可再生能源平和、稳定控制、频率控制和交流电压控制。因此,它适用于和验证这个新方法使用双馈感应电机(DFIM)基于系统的变速抽水蓄能(垂直地震剖面)能够减轻SSR的原则之间的力量平衡机轴功率和电磁功率,这是由垂直地震剖面控制策略。电磁功率可以计算的等效功率流垂直地震剖面的网格,从而由DFIM转换器连接。推荐系统的结构图形表示为一个单行的图(图所示6)。垂直地震剖面的权力被定义为(1)框架。

在哪里 , , 和 ,分别是有功功率,无功功率, - - - - - -轴电压, - - - - - -定子的轴电流DFIM的终端。

根据(12),垂直地震剖面非常有效调节电网频率和交流电压,稳定控制和风力发电补偿与案例研究证明和验证实验结果。通过调节注射或吸收有功功率DFIM,网格中的权力的平衡将会保持。调节吸收或产生无功功率转换器的垂直地震剖面也使交流电压振荡迅速衰减。因此,这一原则带来了平衡轴机械输入功率和电磁功率,就是能抑制SSR很快。因此,垂直地震剖面可以为SSR提供阻尼,抑制瞬态扭矩放大效应。SSR分析,验证该系统的性能,使用IEEE SSR的第二基准模型。

基于的基本理论描述垂直地震剖面DFIM提出(1),(2)和(3)、灵活和快速控制策略很可能可以减轻SSR在电力系统设计。由于VSC允许DFIM更加通用和灵活的控制,VSC系统是一个可取的选择和用于这项研究。基本上,两个主要方法包括电压型控制和电流型控制存在活跃的和无功功率控制VSC系统。在电压型控制,没有对VSC控制回路闭合线电流。结果,VSC不是防止过电流,而电流型控制,VSC线电流是由一个专门的严格监管电流控制方案。在这项研究中,因此,采用电流型控制策略控制的真实和无功功率与相应的交流系统的每个VSC系统交流。VSC还允许采用下垂控制安装在PQ-control。在下一节中给出的控制设计。

4所示。控制垂直地震剖面的设计

4.1。基于VSC DFIM控制

分层控制结构(当前控制器内循环和外循环的有源/无功功率控制)基于VSC的DFIM拓扑实现本研究的有效性。最小化的远足电网频率和交流电压偏差引起的事件,外环控制转子侧变换器(RSC)支持的下垂控制。(图7说明了在这项研究中提出的控制结构。下垂控制方案是既定的控制策略。直接功率控制是直接转矩控制的延伸,它是一个矢量控制的家庭。直接功率控制的实现,控制瞬时真实和无功功率的独立,简单,直接。在垂直地震剖面的应用,这种类型的控制方案试图保证有较低的计算复杂度和机器模型的依赖,直接可控制性的活跃和反应能力,很好的暂时的反应,并降低总体实现复杂度比矢量控制方案。它也以其动态响应对参数变化和它不利用转子电流控制回路。主动和被动的力量的估计是使用电流测量,进行直接控制和滞环控制器和一个转换表。然而,频率和电压控制是开环控制。因此,他们需要反馈信号跟踪的频率和电压波动很快衰减。中使用的参数确定和垂直地震剖面植物附录中列出。

4.2。RSC的控制

从三相感应电机的动力学模型的基础上,同步参考系,DFIM的电气方程表达。

在那里; : - - - - - -轴转子通量, : - - - - - -轴定子通量, : - - - - - -轴转子电流, : - - - - - -轴定子电流, : - - - - - -轴定子电压, : - - - - - -轴转子电压, :磁化电抗, :转子漏抗, :定子漏抗, :转子电阻, :定子电阻, :电气角速度, :同步角速度。

基于[13),使用矢量控制的实现方法,与d-axis定子磁通是一致的。定子通量方程(3),可以推断出 。因此,从方程(3),以下是获得。

在假设定子电阻的电压降很小与栅极电压相比,可以忽略定子电阻。因此, 。因此,用这些和的值在(4)(1)以下。

方程(5)解释说,有功功率和无功功率独立控制。这表明RSC提供了一个适当的交流励磁绕组的定子绕组转子提供适当的有功功率和用于控制涡轮输出功率和无功功率测量的终端机器的定子(12]。有功功率的调节,以遵循关系的力量和速度DFIM的涡轮机。

模型下给出了用于控制电流。

把方程(4)和区分转子磁漏方程 - - - - - -关于时间轴组件,方程(6)持有。

替换的导数值在(4)(2),方程(7)是派生的。

替代的价值在(7) - - - - - -转子轴方程(2),方程(8)是派生的。

q-axis遵循同样的程序,方程(9)持有。

在哪里 。

方程(8)和(9)有帮助开发内部电流控制循环。但是,由于的存在条款(8)和(9)的动态变化是耦合的。动态解耦,可以确定 。考虑到VSC的理论,VSC的增益。因此,计算信号是除以分别给信号。的调制信号是由

被定义为这两个新控制输入

因此,确定转子电动力学模型和代表两个解耦,一阶子系统。

传递函数是由

这些子系统是转子电流控制回路。前馈项预测提供在两个内部循环。循环现在可以控制π补偿器。的π补偿器比例增益和的积分增益补偿器被定义为

根据这些数学模型(12)和(13),控制结构构建,见图8。

外循环开发生成参考电流内循环。从图8的闭环传递函数 - - - - - -轴电流可以被定义

基于(5)和替代的价值在(14)(5),表达的有功功率(15)。

因此,植物有功功率的函数(15可以由PI控制补偿器)。控制结构如图9。

在pi控制用。

与和分别是比例和积分控制器的收益。的参考价值确定水轮机的优化。

此外,有功功率控制可以确保电网频率的控制。但是,在上面的模型中,频率控制的开环模式方案。因此,频率不能完全监管和导致更多的旅行。因此,需要在设计频率,频率闭环电路添加到上面的有功功率控制回路作为一个概念的下垂控制。下垂控制可以补偿一些远足的电网频率发生由于意外事件包括苏维埃社会主义共和国。控制结构如图10。下垂常数计算(17)。

在那里,是电网频率的容许偏差,是和所携带的最大功率变换器。

无功功率控制设计提出了遵循。(5)和图8方程(18)持有。

因此,动态(18)可以控制通过应用PI控制和控制结构如图11。

在这个模型中,交流电压控制通过控制无功功率,但活性被设置为一个固定的参考价值。这导致在发生突发事件时的偏差和不稳定。参考价值的活性值应该是通过改变交流电压的比例值。这个过程是通过提供有效的下垂控制回路增加无功功率控制回路之上。这个新想法的控制结构是图所示12。

下垂的不断循环决定基于概念出现在图13。

从图13我们可以(19)。

方程(19),电压控制单元并行连接,负载补偿可能。

4.3。GSC的控制

活动的目的/ VSC系统的无功功率控制器调节主动/无功功率转换器之间的交换和交流电网。有功功率控制通过控制直流电压转换器操作确保统一的功率因数。基于VSC的模型还允许GSC吸收或产生无功功率。所以,最初由于没有无功功率交换,无功功率控制只能处理电流控制的内循环。控制设计提出了以下。

基于图14耦合电感上的电压方程 - - - - - -框架确定。相同的程序在开发内部循环的RSC之后(电流控制器)。表达的方程

在哪里和电阻和电感的耦合电感器。

的动态解耦和 ,的调制信号和确定。

因此,这两个新定义内部电流环的控制输入(24)和(25)和由前馈预测和 。

补偿器可以是一个简单的比例积分(PI)补偿器,使各自的参考信号的追踪。补偿器被定义为

因此,基于植物的功能,并考虑到补偿器(26),所需的闭环传递函数

当且仅当和 。

在哪里和比例和积分收益。确定的收益,然后调整基于控制稳定性理论,直到达到更好的结果。控制回路如图15。

的 - - - - - -轴是,控制设计的目的,应该是设置在阶段通过电阻器的电压,而忽略了谐波和损失由于开关变换器中,有功功率平衡方程是:

在输出端,电流

在哪里和分别为直流输出电压和电流。

因此,电压的d功能坐标变和零的 。因此,有源和无功功率方程推导出(30.)和(31日分别)。

这些方程可能占上风,有功功率控制和无功功率 。基于(32),真正的权力平衡方程在网格可以通过:

方程(32)意味着有功功率可以控制通过控制直流母线电压和独立的方式控制通过控制直流电压 - - - - - -轴电流 。在这个控制器,为了数学公式,它应该是直流侧VSC的连接到一个理想的直流电压源,决定了直流母线电压,如图14。因此,直流电压网格的港口需要适当的监管。

如前所述当前控制器确保生成的输出电流跟踪参考价值额外的外部控制回路,它执行输出有功功率调节。也证实了这种功率调节实现直流电压控制。的直流环节动态图14是由

所需的直流侧电压的最小值(15)是由逆变器输出电压,

在哪里在交流侧相电压峰值和是行了行电压。

自的直流环节动态(33)是一个非线性方程,PI控制参数是由线性化操作的系统模型。对于系统的线性化模型,输入值被指定为一个引用,它得到的传递函数。

分析这种控制回路,内部电流控制闭环大约是定义为一阶系统时间常数大概是多少(14]。是内部电流环时间常数的植物功能。因此,直流电压控制的控制结构(图中所示16)。

电容电流直流环节由直流电压控制器控制保持网格之间的力量平衡和转换器。因此,在平衡条件下,和 。因此,当前的参考价值应该确保精确补偿负载变化。完整的直流环节电压控制器框图如图表示10随着系统方程分析单位(14),和PI控制器参数,单位电容的直流环节。

负载变化如果前馈法可以大大减少。否则,以减少错误,巨大的大型获得稳定的电压控制器的重要观点未必是部署。

5。仿真结果和讨论

数据17- - - - - -19显示提出的反应体系和分析与第二章中给出的仿真结果。案例研究的时间设置如上相同的时间讨论和描述如图3- - - - - -5。这是争论和验证提出的假设系统。

数据17和18展示机端电压和转矩的响应特征,SSR模型对风电场的影响。与图中所示的响应5、转矩振荡的特征是显著降低。这是因为垂直地震剖面上的控制策略设计能够平衡轴功率之间的不匹配功率和电磁功率,进而减少扭矩振荡和调节电磁力量取消轴扭矩的影响与串联电容器共振交互。

的电压响应成为改善由于SSR振荡。的原因,SSR是由垂直地震剖面无功功率补偿的控制策略。垂直地震剖面是能产生和吸收的无功功率,因此规范交流电压振荡根据要求和给定的参考电压值使用AC下垂控制器。

此外,由于SSR对系统频率和功率流的影响,功率流的影响是细长的直流输电系统。然而,由于垂直地震剖面的SSR减少控制策略,振荡对风电场的影响、直流和同步水电站是最小的。这些结果在图所示19。

6。结论

介绍了SSR的缓解方法研究在电力系统中使用垂直地震剖面。这个新方法是用来减轻SSR和垂直地震剖面的实现的影响植物的原则平衡轴垂直地震剖面的机械输入功率和电磁功率。droop-based直接功率控制策略的基础上 - - - - - -协调技术设计。为了实现,IEEE第二基准模型及其与PSCAD仿真平台的影响进行了讨论。宁夏电网的区域是实现该系统。

结果表明,该垂直地震剖面系统及其相应的控制策略实现井然有序的功率流和交流电压,以减少SSR电力系统中传播的影响。因此,垂直地震剖面工厂确保减轻SSR导致电网不稳定和安全问题。

附录

表1的参数包括垂直地震剖面在拟议的系统研究。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

资金

这项研究支持的项目分配由国家电网宁夏电力有限公司有限公司

引用

1. r·拉贾和多布森,”理由的扭矩单位速度的方法,分析电力系统次同步谐振和摆动模式,”我:IEEE电路和系统基本理论和应用程序,45卷,不。10日,1109 - 1113年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. n·约翰逊、l . Angquist和惠普娘家姓的,“一个比较不同的次同步的共振频率扫描方法研究,“IEEE电力系统,26卷,不。1,第363 - 356页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. m . Ghafouri Karaagac, h . Karimi) s . Jensen j . Mahseredjian和s . o .法雷”等控制器的阻尼DFIG-based风力发电场的次同步的互动”IEEE电力系统,32卷,不。6,4934 - 4942年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 朱c、l .风扇和m .胡”DFIG-based风力发电机的控制和分析一系列补偿SSR阻尼网络”IEEE PES大会,PES美国普罗维登斯,IEEE国际扶轮2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. Karaagac, s . o .法雷j . Mahseredjian和a . a . Edris“风能转换系统的协调控制缓解次同步的交互在DFIG-based风力发电场,”IEEE智能电网,5卷,不。5,2440 - 2449年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 谢x, x, y . Li h . Liu h . Liu和c,“次同步的共振特性分析在实际风电场连接串联补偿传输,”IEEE能量转换,32卷,不。3、1117 - 1126年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. l .通过l .回族c .晓伟h .精,李和y”PMSG对SSR的DFIGs连接串联补偿线路阻抗特性基础上,“《华尔街日报》的工程,卷2017,不。13日,2184 - 2187年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 轮询器和阿基里斯,“聚合风公园模型分析电力系统动态,“风工程,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. l·m·费尔南德斯,f . Jurado和j . r .)“聚合动力学模型与双馈式感应发电机的风电场风,“可再生能源,33卷,不。1,第140 - 129页,2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. n·w·米勒,j。j Sanchez-Gasca w·w·价格,和r·w·Delmerico”动态建模的通用电气1.5和3.6兆瓦风力稳定simulations2003汽轮发电机,”IEEE电力工程大会协会(IEEE猫。No.03CH37491)IEEE,安大略省多伦多。,加拿大,2004。视图:谷歌学术搜索
11. r . Piwko:米勒,j . Sanchez-Gasca x元,r·戴和j·里昂”大型风力发电场融入弱电网输电线路长,”会议论文集,2006年IPEMC: CES / IEEE第五国际电力电子与运动控制会议IEEE,大连,中国,2007。视图:谷歌学术搜索
12. g . Bitew m .汉、美国Mekonnen和p . Simiyu”基于droop-fed变速抽水蓄能系统矢量控制策略对电网频率和AC-bus电压稳定,”电子产品,7卷,不。7,108年,页2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 美国纳西尔,即学生和z .伊克巴尔,“积极和无功功率控制的变速抽水蓄能系统”2015年IEEE 15日环境与电子工程国际会议(EEEIC)IEEE,页6尺11寸,罗马,意大利,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. t·雅各布,“抽水蓄能在瑞士:展望2000年,“国际期刊水电和大坝,1997年。视图:谷歌学术搜索
15. c·魏m . Benosman, t·金,“在线参数辨识的功率预测锂离子电池的电动汽车使用极值寻找,“国际期刊的控制、自动化和系统,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. l . f . Cheng瞿,w·乔,c,和l .,“风力发电机齿轮箱的故障诊断基于DFIG定子电流包络分析,“IEEE可持续能源,10卷,不。3、1044 - 1053年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2019你们Fengchun et al。这是一个开放的访问分布在条知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。