风机运行点调整对机网相互作用的抑制作用的优化方法

运行点调整即模型初值修正是基于负阻尼机理稳定控制的三大方向之一，着眼于削弱或切断耦合，以减少负阻尼。模型初值修正问题在于电网是非线性模型，而非线性模型的运行点与其模型初值具有很大的关系，因此改变模型初值后可以在一定程度上控制电网的稳定运行点，进而达到对电网的稳定控制效果。

1.改变机组的有功出力抑制机网相互作用

风机正常情况下运行在MPPT点，以下介绍一种通过改变风机运行点来调节系统频率的方法，并对其对系统稳定性的提高进行理论验证。

（1）调频方法

当检测到系统频率偏差时，通过将风机运行点从MPPT曲线切换到定义的VIC曲线来快速调节产生的功率。通过这种方式，可以充分利用风机中的动能来模拟惯性响应。

其中，kopt定义为MPPT曲线系数，ω0为切入角速度。为避免最大速度ωmax附近的功率突变，ω1是该阶段的初始角速度。Pmax是PMSG的最大有功功率输出。不同的曲线系数将产生一系列功率跟踪曲线，定义为VIC曲线。因此，PMSG操作点的调节可以通过将其从具有系数kopt的MPPT曲线移动到具有系数kVIC的VIC曲线来实现。

此处假设风速保持不变，为8 m/s。实际上，即使在如此短的时间内，风速也可能变化，这可能影响风机的惯性支持能力。在系统频率下降时，风机需要减速以释放储存的动能。因此，系数kopt增加，并且功率跟踪曲线切换到VIC曲线。工作点从初始点A移动到B，然后沿着P VIC最大值曲线移动到C。

图6.1　基于VIC的功率点跟踪曲线方案

如果风速保持不变，对于小的转子速度范围，点A处捕获的有功功率可被视为与点C处的有功功率相似。因此，维克曲线系数可计算为

根据式（6.1），维克曲线系数kVIC是频率偏差的函数，并取代了MPPT曲线的常数系数kopt。在频率下降的情况下，VIC的动态响应可分为两个阶段：快速动态频率支持阶段（A→B→C）和缓慢转子速度恢复阶段（C→A）。其输出功率从PA变为PB。由于产生的功率大于捕获的机械功率，转子减速，工作点沿Pvic_max曲线移动到工作点C。因此，储存在旋转质量中的动能被释放以支持电网频率。同理，电网频率升高时的调节过程可以用图中A→D→E→A来描述。

（2）对系统阻尼的影响

正常的变速风机根据风速发电，不响应电网扰动，如功率振荡。因此，由于系统阻尼降低，具有高风力渗透率的网络在扰动后可能经历更高的振荡。如果在风机中实施VIC调节器，需要对其对阻尼能力的影响进行理论评估。在图6.2中，B2为平衡节点。

图6.2　含风电场的电力系统等效电路

VG为风电场电网连接点电压；E′为q轴瞬态电压；V为G1的端电压；θ是E′和VG之间的相角，δ是E′和V之间的相角；δ0、θ 0和分别是δ、θ和VG的初始值。x1和x2是线路电抗。由小扰动法建立的转子运动方程可表示为

其中，HG、PGm、PG和ωs分别是G2的惯性常数、电磁功率、机械功率和角速度。D为阻尼系数，ΔPG是G2的有功功率变化，p是微分除数。

在线性系统中，有功功率调节和电网电压变化对系统阻尼的影响可以用一组线性常微分方程来描述，这些方程可以分别求解。因此，连接点电压VG可视为系统阻尼有功功率调节分析中的常数。PG的小扰动量可获得如下：

由于辅助惯性控制器产生的辅助功率参考Pf随着电网功率/频率振荡而波动，系统阻尼能力将会改变。如图6.2所示，网络功率方程如式（6.4），由此可导出式（6.5）：

对于提出的频率控制方法，根据式（6.5），PMSG的输出功率可以表示为

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其中，ωe为系统角速度。在功率振荡期间，Pg的调节主要取决于系数kVIC的变化。忽略小的转子速度变化，Pg的小扰动量可获得如下：

将式（6.3）和式（6.7）代入式（6.5），Δθ可得

其中，a0＝x1Vcos（δ0－θ0）/［x2E′cos θ0＋x1Vcos（δ0－θ0）］，因此，转子运动的线性微分方程可以通过将式（6.8）和式（6.3）代入式（6.2）而得

其中，。

根据式（6.9），通过风力涡轮机的快速功率调节，系统阻尼从D增加到D＋Dp。这表明运行点控制器可以向所连接的网络提供功率振荡阻尼。从上述分析和设计中可以看出，与导致系统阻尼减小的常规辅助导数控制相比，该风机运行点的控制方法既能实现惯性响应，又能改善功率振荡阻尼。

2.改变风电机组的无功输出抑制机网相互作用

风电机组不同的稳态运行点会改变系统的输出阻抗特性，进而影响系统的并网稳定性。通过控制机组无功状态可以实现对稳态运行点的调整。目前已有文献通过无功补偿，提高了考虑电流环、锁相环的三相并网逆变器的并网稳定性，抑制了该系统存在的中频振荡。这里将通过调整无功，分析输出阻抗变化对直驱风机网侧换流器模型稳定性的影响，降低发生次同步振荡的风险。在直驱风机并网系统中，得到不改变稳态运行点、向电网注入无功及从电网吸收无功三种运行条件下的奈奎斯特图如图6.3所示。

当iq为0时，对应直驱风机网侧变流器中不对稳态运行点进行调整；当iq为0.2时，表示从变流器向电网注入无功，即变流器发出无功；当iq为－0.1时，变流器从电网吸收无功。由图6.3可知，当不调整稳态运行点时，存在包围临界判定点的曲线，系统无法稳定运行；iq为0.2时，其中一条曲线包围临界判定点，且包围效果更明显，系统不稳定性加剧；iq为－0.1时，系统恢复了稳定运行。以上分析初步表明，对于直驱风机系统，变流器从电网吸收无功有利于提高并网稳定性。

图6.3　不同q轴电流对应系统奈奎斯特曲线图

为了验证该方法对弱电网条件下次同步振荡的抑制作用，向正在发生次同步振荡的并网逆变器仿真模型中加入无功控制策略，对应q轴电流变化如图6.4（a），并网点电压、电流波形如图6.4（b）和图6.4（c）。从图中可以看出，变流器吸收无功后，q轴电流发生阶跃，由波动到逐渐恢复稳定。并网点电压幅值降低，并网点电流幅值上升。系统产生的次同步振荡被消除，并网系统恢复稳定运行。

图6.4　调整稳态运行点前后并网点电压电流动态仿真波形

图6.5为变流器吸收无功前后并网点电流FFT分析结果，电流谐波畸变率由8.47%下降到2.61%，证明了该调整稳态运行点方法的有效性。为了研究变流器吸收无功量对并网稳定性趋势的影响，以iq参数分别为－0.2及－0.4时对应奈奎斯特图结果如图6.6所示。当iq参数为－0.2时，系统能够稳定运行；当iq参数分别为－0.4，两条曲线环绕临界判定点，并网系统不稳定。

图6.5　并网点三相电流FFT分析结果

图6.6　变流器吸收不同无功量对应奈奎斯特曲线图

图6.7　变流器吸收不同无功量扫频结果

在iq参数取不同值时得到变流器输出阻抗扫频结果如图6.7所示。可以看到随iq参数绝对值上升，输出阻抗的dq和qd分量的负阻尼频率范围呈现出先减小后增大的趋势，即变流器吸收无功增加，系统稳定性先变好，后变差。以上分析表明，在一定范围内增加变流器吸收无功量，可以达到调整稳态运行点，抑制弱电网下直驱风电机组的次同步振荡的效果，提高并网稳定性，但是过量吸收无功不利于系统稳定运行。