含构网型SVG的直驱风机并网系统建模及小信号稳定性分析

摘要

当前，电力系统正面临着高比例新能源和高比例电力电子设备的“双高”挑战。在高比例新能源并网系统中，直驱风机通过背靠背换流器并网时，相对于传统同步发电机，其惯量支撑和一次调频能力较弱，表现出低惯性和弱阻尼特性，不利于“双高”电力系统稳定运行。为此，在风机并网系统中接入构网型(grid forming, GFM)储能静止无功发生器(energy-storage static-var-generator, E-SVG),通过构网型控制增强系统稳定性和电压主动支撑能力，通过配置储能SVG实现惯量支撑。然而，风机及SVG构成的系统中包含多个电力电子控制环节，互联后的交互耦合机理较为复杂，导致系统振荡失稳风险增加，有必要针对含E-SVG的直驱风机并网系统进行稳定性分析，确定影响系统稳定的关键参数，定量研究电路参数及控制参数对系统稳定性的影响。首先，将全系统划分为构网型E-SVG、直驱风机以及交流电网3个子模块，阐述系统拓扑结构，说明系统工作原理，建立系统等效电路模型；其次，说明系统各子模块的控制策略，进而在稳态工作点处对非线性状态空间模型进行线性化，建立全系统小信号模型；再次，对不同参数阶跃下的系统动态特性进行仿真，并在PSCAD/EMTDC平台上搭建电磁暂态仿真模型，通过对比系统动态小信号计算结果与电磁暂态仿真结果，验证所建立小信号模型的准确性及构网型E-SVG对直驱风机的支撑作用；最后，借助特征根轨迹及参与因子分析方法，研究不同参数对含构网E-SVG的直驱风机并网系统稳定性的影响，确定系统参数可行域，为改进系统设计和参数优化提供理论依据。研究结果表明：对系统稳定影响较大的参数为E-SVG系统虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)阻尼系数和电压比例系数，其中过大的电压比例系数会导致系统失稳。

关键词

直驱风机 / 储能静止无功发生器(energy-storage static-var-generator, E-SVG) / 构网型(grid forming, GFM) / 小信号建模 / 稳定性分析 / 特征根分析法