新能源发电技术 课件 第八章-弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制

第八章弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院本章内容：弱电网下新能源并网系统的振荡失稳问题基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法弱电网下新能源并网振荡案例分析弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.1弱电网下新能源并网系统的振荡失稳问题高比例新能源电力系统宽频振荡事故

高比例新能源电力系统面临着宽频范围内的振荡风险，频率范围覆盖几Hz至上千Hz，并且振荡频率受到新能源控制、系统工况的影响，呈现时变的特征。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.1弱电网下新能源并网系统的振荡失稳问题振荡失稳问题的分析方法将处于某一稳态工况的互联系统进行线性化，把互联系统的振荡问题转化为线性系统的小信号问题进行分析理论分析方法特征值分析法阻抗分析法复转矩系数分析法模型变量状态变量端口电压/电流电磁转矩及相关变量模型线性状态空间方程线性化传递函数或矩阵线性化电磁转矩传递函数模型获取数学建模数学建模或离线/在线测量数学建模稳定性判据状态矩阵的特征值分布阻抗比环路增益的特征值轨迹或等价形式电磁转矩对次同步谐振的阻尼性质应用优势具备成熟的模态分析手段，包括参与因子分析、特征值灵敏度分析等可通过在线/离线方法测量阻抗，适用于包含复杂未知因素的实际系统稳定性分析类似于传统电力系统轴系振荡分析方法，正负阻尼概念有助于振荡特性的分析弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.1弱电网下新能源并网系统的振荡失稳问题振荡失稳问题的分析方法将处于某一稳态工况的互联系统进行线性化，把互联系统的振荡问题转化为线性系统的小信号问题进行分析理论分析方法幅相动力学分析法开环模式分析法模型变量有功/无功功率、内电势幅值/相位各子系统的状态变量模型线性化幅相运动方程各子系统线性状态空间方程模型获取数学建模数学建模稳定性判据系统闭环特征多项式的特征值轨迹各子系统状态矩阵的特征值是否相近应用优势具备明确的物理特征，能够契合传统交流系统概念，有助于理解系统的本质特征只需开环子系统的振荡模式即可判断闭环系统稳定性，可准确反映振荡模式的阻尼弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法阻抗分析方法的基本原理

将新能源-电网互联系统划分为源/荷两个子系统，然后利用戴维南/诺顿原理将各子系统进行等效简化。新能源子系统：理想电流源与等效阻抗的并联远端电网：电压源远端电网到并网点之间的阻抗：内阻弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法阻抗分析方法的基本原理

新能源并网系统的小信号稳定性等价于公共耦合点(pointofcommoncoupling,PCC)处新能源子系统输出电流和电压分量的稳定性。式中Iout为PCC处新能源子系统输出电流分量，Vout为PCC处新能源子系统输出电压分量。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法阻抗分析方法的基本原理

实际场合中，可以认为新能源子系统和电网自身都是稳定的，输出电流Iout和PCC点电压Vout的稳定性均取决于：新能源并网系统的稳定性取决于上式的稳定性：通过电网、新能源的阻抗比环路增益的特征值轨迹是否满足奈奎斯特稳定性判据判断互联系统是否存在振荡问题。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法阻抗建模技术

在针对三相交流装置进行阻抗建模时，不同坐标系下的阻抗建模方法本质上都是描述线性化后的三相交流系统中电压、电流信号之间的小信号关系。常用阻抗模型线性化方法适用范围dq域阻抗以旋转坐标系下的直流分量为稳态工作点进行线性化仅对三相对称系统适用相序域阻抗将周期性时变信号转换至频域进行线性化不仅适用于三相平衡系统，也适用于不平衡或内部谐波含量复杂的系统弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法阻抗测量技术

扫频测试是一种用于测量系统在一定频率范围内频率响应的常用测量方法。当输入输出变量选定为电压、电流时，扫频测试可用于测量系统的阻抗特性。在测量过程中，扰动信号叠加至测量回路、以及电压电流信号采样等步骤均需要在静止坐标系下进行：测量dq域阻抗：需要额外的坐标变换过程测量相序域阻抗：无需坐标变换即可实现扰动信号叠加以及电压电流信号的采样、处理与计算弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法阻抗测量技术

扫频测试步骤：1)初始化运行，即被测系统在不受扰动的情况下运行，达到某个稳定的运行状态；2)施加小信号扰动，即被测系统处于某个稳态工况后，注入给定频率的小信号扰动，小信号扰动的基本注入方式如下：弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法阻抗测量技术

扫频测试步骤：3)测量响应信号，即被测系统在该小信号扰动下运行一定时间，并测量扰动过程中该新能源机组的端口电流和电压；4)频率扫描，即在某个扰动频率下完成步骤2)和3)后，改变扰动信号的频率，重复步骤2)和3)，直到待测频率点的响应特性逐一测试完成。基于扫频测试所获得的各个频率点的电压、电流分量，将每个频率点的电压分量除以及对应频率点处的电流分量，即可得到新能源装置的阻抗测量结果。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法基于阻抗的振荡抑制技术

基于新能源并网系统的阻抗模型，优化风电机组等新能源装置的阻抗特性，提升新能源并网系统的稳定性，从而实现并网系统的振荡抑制。振荡抑制技术调整硬件结构优化控制参数改变控制策略弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法基于阻抗的振荡抑制技术调整硬件结构通过调整并网系统的硬件结构可以简单有效地抑制系统中的振荡。但是调整硬件电路或者增设硬件装置会增加系统损耗，同时也需要相对较高的成本。优化控制参数通过优化新能源机组的控制参数，改变其阻抗特性，进而抑制新能源并网系统的振荡。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法基于阻抗的振荡抑制技术改变控制策略在原有控制结构上增加虚拟阻抗控制。虚拟阻抗控制器的设计通常需要叠加额外的滤波器避免对基频动态特征造成影响，因此在解决靠近基频的振荡问题时需要和参数优化设计相结合。选取新型的控制策略替换新能源发电装置普遍使用的矢量控制策略。虚拟同步控制型并网逆变器序阻抗在全频段基本呈感性，与弱电网的阻抗特性匹配良好，能避免传统矢量控制策略下并网逆变器接入感性弱电网的振荡问题。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型案例中所使用的新能源设备为并网逆变器，其阻抗模型可以代表光伏发电系统、直驱风机系统以及双馈风机系统的网侧变流器的阻抗特性。并网逆变器的系统控制框图如图所示：弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型系统控制框图并网点的网侧逆变器电压电流为vga、vgb、vgc、iga、igb和igc；；逆变器三相输出端口电压为vgia、vgib和vgic；Vdc为直流母线电压，并网逆变器交流侧采用LCL的滤波结构，L1、L2、Cf是内侧滤波电感、外侧滤波电感以及滤波电容。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型θPLL是经过锁相环得到的电网角度，HPLL(s)是锁相控制的传递函数。并网逆变器的在旋转坐标系下对dq轴电流进行控制，电流控制器为PI控制器，Hi(s)为电流控制器的传递函数，Kd是电流控制的解耦系数。系统控制框图弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型基于谐波线性化方法，对并网逆变器进行阻抗建模，可以得到该逆变器的正序阻抗模型。式中V1为基频电压的幅值；I1为基频电流的幅值；φi1为基频电流的相位；kp和ki分别是锁相控制器的比例参数和积分参数；为基波角频率；

弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型并网逆变器的负序阻抗模型。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型并网逆变器系统结构与控制参数如表所示，其中电流控制带宽为50Hz，锁相控制带宽为15Hz。参数符号数值电网电压幅值V1563/V额定电流幅值I1296/A额定电流相位φi10/rad额定功率P0.25/MW逆变器内侧滤波电感L11.94/mH逆变器外侧滤波电感L20.65/mH逆变器并联滤波电容Cf13/uF逆变器滤波电容支路上的滤波电阻Rd0.1/Ω交叉解耦系数Kd0.1005锁相环参数kpp0.1365kpi1.999电流控制器参数kip0.3118kii91.31弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型在该参数设置下，并网逆变器阻抗模型对应的正负序阻抗特性曲线及其扫频测试验证结果：蓝色实线：正序阻抗；蓝色虚线：负序阻抗；黑色星号：正序仿真结果；黑色三角形：负序仿真结果。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析并网逆变器的阻抗模型扫频测试获得的阻抗测量结果可以用于验证正序阻抗解析表达式和负序阻抗解析表达式的准确性。并网逆变器正序阻抗模型与负序阻抗模型与扫频测试结果吻合。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析基于阻抗的逆变器并网系统振荡问题分析当并网逆变器与所接入的弱电网阻抗特性不匹配时，逆变器并网系统将出现振荡问题。蓝色实线：并网逆变器正序阻抗；蓝色虚线：并网逆变器负序阻抗；红色实线：SCR=3.0感性弱电网阻抗弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析基于阻抗的逆变器并网系统振荡问题分析66Hz处并网逆变器阻抗与电网阻抗幅值相交，对应的相位差为179°，相位裕度仅为1°。此时的互联系统处于临界稳定状态，存在并网振荡问题。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析基于阻抗的逆变器并网系统振荡问题分析电压电流均含有明显的谐波谐振。逆变器从理想电网的条件下运行至设定工况，在0.6s时投入电网等效电感，使得接入的电网SCR=3.0。逆变器-电网互联系统的并网点电压电流波形图如下：弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析基于阻抗的逆变器并网系统振荡问题分析并网逆变器阻抗与电网阻抗幅值交点也是66Hz。对并网点电流波形进行FFT分析，可以发现振荡过程中电流的振荡频率为66Hz。弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制©浙江大学电气工程学院8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析基于