间歇式次同步振荡及次同步控制互作用问题研究

摘要

次同步振荡是电力系统稳定问题之一。随着世界各国电力系统的发展，特别是我国高电压、大容量、长距离交直流输电的不断建设和规模化可再生能源的并网发电，由传统次同步振荡带来的新问题以及新的次同步振荡现象相继出现，这给电力系统稳定性研究又带来了新的挑战，本文围绕电力系统中出现的两种新的次同步振荡问题—间歇式次同步振荡(Intermittent Subsynchronous Oscillation，ISSO)和次同步控制互作用(Subsynchronous Control Interaction，SSCI)开展了如下研究: 大型火电机组集群经高压直流输电线路与交流混合串联补偿线路送出时可能引起频繁超越发电机轴系累积阈值的收敛型次同步振荡问题，本文称为间歇式次同步振荡SSCI。通过对比其与传统HVDC引起的次同步扭振相互作用的不同特性，本文详细分析了间歇式次同步振荡产生的根本原因和作用路径;基于经直流送出的单机无穷大系统，提出了一种确定电气阻尼对间歇式次同步振荡作用路径中各电参量敏感度的方法，由此可确定最敏感的扰动因素;紧密结合我国蒙东呼盟系统多年来存在和困扰的间歇式次同步振荡问题，搭建了该系统的5厂10机等效电磁暂态仿真模型，采用测试信号法分析了系统的电气阻尼特性，并基于上述分析确定的最敏感因素，提出了一种与实际振荡特性一致的间歇式次同步振荡的仿真模拟方法，这为所研发的抑制装置的阻尼特性仿真和实验验证提供了可行的仿真手段。 近年来的研究表明，含有双馈感应发电机的风力发电厂经固定串补线路远距离送出时会出现次同步控制互作用SSCI，可能引起风电机组的严重损坏。本文基于双馈感应风力发电机经固定串联补偿送出的单机无穷大系统，通过数学建模详细分析了次同步控制互作用产生的根本原因和作用路径，给出了发生次同步控制互作用的近似条件，提出了一种区分风机中可能出现的感应发电机效应和次同步控制互作用的方法;采用时域仿真法分析了风机风速、线路串补度以及双馈风机转子侧变流器控制器参数对次同步控制互作用的影响;基于其作用路径和相关控制器参数对振荡的影响分析，提出了抑制次同步控制互作用的阻断方法和附加阻尼方法，并对其有效性进行了时域仿真验证。 基于并联电压源型换流器的拓扑结构，本文提出一种采用次同步振荡动念稳定器（Subsynchronous Oscillation—Dynamic Stabilizer，SSO-DS）抑制次同步振荡的方法，并基于此提出一种无功电流次同步调制策略。详细介绍了这种控制策略的具体控制流程，并采用复转矩系数法详细推导了其能够提供的近似电气阻尼，分析了影响该阻尼正负和大小的相关因素。针对SSO-DS这种新的抑制装置，基于IEEE第一标准模型中由固定串补引发的次同步谐振问题，通过测试信号法和时域仿真法验证了所提出控制策略的有效性。 针对实际呼盟系统交直流并列输电方式和呼贝电厂存在的间歇式次同步振荡问题，分别提出了宽带通和窄带通SSDC的阻尼控制方法，详细分析了二者抑制间歇式次同步振荡的可行性。通过数学推导和仿真，对比分析了附加励磁阻尼控制器—SEDC与SSO-DS装置的响应时间以及阻尼转矩提供能力上的不同，对比分析了基于SVC拓扑结构的次同步谐振动态稳定器(Subsynchronous Resonance—Dynamic Stabilizer，SSR-DS)与SSO-DS抑制次同步振荡的阻尼能力，最后通过时域仿真法对比了SEDC、SSR-DS与SSO-DS阻尼间歇式次同步振荡的效果。 在以上理论与方法研究的基础上，综合考虑了响应速度、抑制效果以及占地面积等多方面因素后，本文建议呼贝电厂采用SSO-DS的方法，并为装置的测试搭建了实时数字——物理闭环仿真实验平台。介绍了仿真平台的结构和各部分的功能，提出了一种模拟转速传感器的方法用于转速测量卡与转速处理卡的闭环接入。利用该实时仿真环境，通过SSO-DS的输入输出特性测试验证了控制器设计的准确性;针对呼贝电厂间歇式次同步振荡问题，提出了一种测量SSO-DS有效阻尼区域的方法，并通过多个工况下的测试对控制器参数进行优化，最后通过时域仿真法验证了SSO-DS解决呼贝电厂次同步振荡问题的有效性。目前，合作研制的SSO-DS装置已用于呼贝电厂解决多年来困扰的次同步振荡问题，并已具有较好的抑制效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 次同步振荡问题的发展

1．2．2 次同步振荡新问题的研究现状

1．2．3 次同步振荡抑制方法的研究现状

1．3 课题研究主要内容

第2章 大型汽轮发电机间歇式次同步振荡机理研究

2．1 引言

2．2 含HVDC系统间歇式次同步振荡的机理分析

2．3 扰动因素敏感度分析

2．4 实际系统中的间歇式次同步振荡问题

2．4．1 呼盟系统及其ISSO问题概述

2．4．2 阻尼特性分析

2．4．3 间歇式次同步振荡的仿真模拟

2．5 本章小结

第3章 双馈风力发电机次同步控制互作用机理研究

3．1 引言

3．2 次同步控制互作用的机理

3．2．1 双馈感应风机的数学模型

3．2．2 SSCI的作用机理

3．3 IGE与SSCI的区分方法

3．3．1 IGE的判别方法

3．3．2 SSCI的判别方法

3．4 次同步控制互作用的特性分析

3．4．1 风速对SSCI的影响

3．4．2 串补度对SSCI的影响

3．4．3 转子侧变流器控制参数对SSCI的影响

3．5 次同步控制互作用的抑制方法研究

3．5．1 SSCI作用回路阻断法

3．5．2 SSCI附加阻尼控制方法

3．6 本章小结

第4章 基于瞬时无功功率理论的次同步振荡阻尼调制策略研究

4．1 引言

4．2 SSO-DS无功补偿的基本原理

4．3 次同步振荡阻尼调制策略

4．3．1 SSO-DS在dq坐标下的数学模型

4．3．2 无功电流的次同步调制策略

4．4 无功电流次同步调制策略的阻尼机理

4．5 仿真分析

4．5．1 SSO-DS投入前后的系统电气阻尼分析

4．5．2 SSO-DS的抑制效果仿真验证

4．6 本章小结

第5章 间歇式次同步振荡抑制方法对比分析

5．1 引言

5．2 SSDC抑制间歇式次同步振荡的可行性分析

5．2．1 SSDC的基本原理

5．2．2 宽带通SSDC抑制ISSO的可行性分析

5．2．3 窄带通SSDC抑制ISSO的可行性分析

5．3 电源侧次同步振荡抑制方法的对比分析

5．3．1 SEDC与SSO-DS的对比分析

5．3．2 SSR-DS与SSO-DS的对比分析

5．3．3 电源侧抑制方法阻尼实际系统SSO的仿真对比

5．4 本章小结

第6章 SSO-DS抑制装置的实时闭环仿真与现场试验验证

6．1 引言

6．2 实时数字—物理闭环仿真模型

6．2．1 实时数字仿真器

6．2．2 转速测量卡及处理卡

6．2．3 SSO-DS物理控制器

6．3 实时数字—物理闭环仿真实验

6．3．1 SSO-DS的输入输出特性

6．3．2 SSO-DS阻尼特性的估计

6．3．3 SSO-DS有效阻尼区域测试

6．3．4 SSO-DS的时域仿真验证

6．4 SSO-DS实际装置的现场试验验证

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文的主要结论

7．2 后续工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介