大型风电机组惯量控制研究现状与展望

随着风能利用规模的发展,风电渗透率不断提高,局部地区已达到50%以上.由于风电变流器的隔离作用,风电机组的转子运动和系统频率解耦,使得风电机组对于电力系统的惯量几乎没有贡献,降低了系统等效惯量,严重影响系统的频率稳定性.大型风电机组的惯量控制技术旨在利用机组转子动能赋予风电机组主动惯量响应和抑制电网频率跌落的能力,本文综述目前大型风电机组实现惯量控制的主要技术路线,从稳定性分析、控制系统优化、性能分析与评估等方面,介绍惯量控制在双馈风电机组以及全功率风电机组的研究与工程现状,并展望亟待解决的问题与技术需求.     

风电机组控制系统稳定性分析

风电机组系统的稳定性直接涉及到整机性能、安全及寿命,是机组设计中必须考虑的内容之一。通过GH Bladed软件的模态线性化方法对风电机组进行分段线性化处理,在Matlab/Simulink中搭建风电机组控制算法的非线性仿真模型,然后分别采用阶跃响应、根轨迹、伯德图、Nyquist曲线对比分析开环控制和闭环控制系统的稳定性、闭环控制系统在无扰动和有扰动情况下的稳定性情况,并对某2 MW机组的控制系统进行稳定性分析,分析结果表明,系统是稳定的。对风电机组控制系统进行稳定性分析为风电机组设计如机组的安全性、可靠性、鲁棒性等问题提供一定的理论依据。     

基于二次调频的孤岛微网自适应旋转惯量控制策略

传统的虚拟同步发电机(VSG)控制策略中引入同步发电机(SG)的旋转惯量和阻尼系数,解决了大规模分布式能源接入微网时缺少惯性的问题,然而固定的旋转惯量无法兼顾负荷扰动下功率振荡及频率波动.针对这一问题,提出一种基于二次调频的旋转惯量自适应控制策略,增强系统惯性,实现功率和频率的实时动态调节.首先,借鉴SG的外特性建立VSG的数学模型,分析孤岛模式下不同旋转惯量对系统动态响应的影响;然后,在旋转惯量控制中引入角频率偏移量和变化率形成自适应惯量控制,减少系统在负荷扰动时的超调量和振荡时间,并分析重要参数对系统稳定性的影响;最后,通过Matlab/Simulink仿真软件,将其与传统VSG控制策略进行对比分析,验证了所提新型VSG控制策略的可行性和优越性.     

考虑源荷特性的双馈风电机组动态减载协同调频控制

为使双馈风电机组(doubly fed induction generator, DFIG)的有功输出能响应电网频率的变化,有效参与电网频率调节,提高风电系统的稳定性,文中分析了虚拟惯性控制、下垂控制以及减载控制的基本原理,探究了相关参数对风电并网系统频率特性的影响。在此基础上,提出一种考虑系统源荷特性的动态减载协同调频控制策略。该策略结合源荷扰动情况实现减载率修正,通过MATLAB/SIMULINK仿真验证表明：当负荷波动时,该控制策略相较于固定减载调频使含风电系统在不同风速下的频率稳定性有了显著提高。     

考虑小干扰稳定和频率稳定的虚拟惯量配置分析

新能源发电占比的提高使得系统惯量下降,虚拟同步机可为系统提供惯量支撑。目前,虚拟惯量的配置主要是从小干扰稳定和频率稳定两者之一的角度进行分析的,鲜有研究同时考虑这2个因素。并且,虚拟惯量配置的研究主要针对电压源型虚拟同步机,很少针对电流源型虚拟同步机。为此,该文通过建立电压源型和电流源型虚拟同步机的同步主导回路模型,分析了虚拟惯量参数对2种稳定性的影响。研究表明,虚拟惯量的减小会提高系统的小干扰稳定性;然而,在功率扰动下,电流源型虚拟同步机的输出频率会叠加受虚拟惯量主导的V_q暂态分量从而产生超调,虚拟惯量过小会导致频率超调过大,不满足并网运行标准。因此,为了使系统具有良好的小干扰稳定性和频率稳定性,虚拟惯量的配置需要同时考虑这2种稳定性的约束。最后,在单机无穷大系统和孤岛两机系统的虚拟惯量配置仿真中验证了该结论。     

含风电的电力系统动态频率分析

研究了风电接入某实际电力系统对系统动态频率产生的影响。通过建立直驱式永磁同步风电机组动态模型和含风电的实际电力系统模型,对含风电的电力系统动态频率进行了仿真分析。研究了风速扰动对系统动态频率的影响、风电渗透率上升对系统频率调节能力的影响以及风机脱网故障对系统动态频率的影响。在风机增加了基于虚拟惯性的频率控制系统,研究了具有调频系统的风电机组对系统动态频率的影响。研究结果表明大规模风电场的风速扰动将导致系统频率出现显著波动;随着系统风电渗透率的增加,系统的调频能力将明显下降;风电场在故障下的风机脱网事故将对系统动态频率造成严重影响。增加频率控制系统使风电机组具备了一定的调频能力,有效地抑制了扰动情况下的系统频率波动。     

双馈风机的虚拟同步发电机控制技术研究

随着风电渗透率的逐渐提高,导致电力系统的转动惯量变小.通过虚拟同步发电机技术(Virtual synchronous generator-VSG)模拟传统同步发电机的外特性,对风电场进行惯量补偿.采用虚拟同步机控制策略的储能系统与风电场并联输出的接口特性模拟同步发电机的外特性,分析了在风速变化下协助风电场实现虚拟惯量控制,减小系统频率振荡的幅值,以及在负荷扰动时用于增大系统惯量实现频率调整的作用,最后讨论了虚拟同步机参数对系统稳定性的影响.通过Simulink建立了由风电场、储能系统和大电网组成的风储并网发电系统模型,仿真结果验证了建立的虚拟同步型双馈风机的适用性.     

随机扰动下的电力系统强迫振荡分析

为了研究随机扰动下电力系统强迫振荡的特点,基于同步机机械功率上随机扰动的功率谱密度模型,为多机系统建立了模态叠加形式的频率响应模型.由功率谱密度分析方法得到了同步机功角的功率谱密度表达式,进而分析了随机扰动下系统强迫振荡的4个影响因素.在新英格兰39节点系统上比较了不同随机扰动的激励下同步机功角的随机振荡情况.结果表明,当随机扰动功率谱密度的峰值频率和系统固有频率一致时,发生随机意义上的共振现象.发生随机共振时,同样强度的随机扰动,谱密度峰度越大系统振荡越剧烈,而随机扰动的峰值频率在固有频率附近、扰动谱密度峰度较小时更容易激起系统强迫振荡.     

燃气轮机中心分级燃烧器天然气掺氢燃烧的受迫振荡特性

天然气掺氢燃烧是燃气轮机机组降低碳排放重要措施之一,但掺氢燃料的组分变化会导致燃烧室火焰结构及燃烧稳定性发生变化.为分析中心分级燃烧器掺氢燃烧条件下的燃烧不稳定性问题,通过试验研究了燃烧器入口速度扰动下,不同掺氢比对中心分级掺氢燃烧的瞬态火焰结构、压力以及热释放响应的影响,并利用本征正交分解(POD)法提取了火焰脉动的特征模态,发现其主要包含火焰干涉区强脉动和轴向扰动两种模态.试验结果表明,随着掺氢体积比从0%增大到30%,火焰前沿向上游移动,两级火焰间距缩短,火焰干涉对应的脉动模态的能量占比增大,加强了压力与热释放的耦合,导致燃烧室内的压力响应增大9%,热释放响应增大37%.     

局部频率测量数据驱动的电力系统功率缺额在线评估方法

随着新能源并网比例的不断提高，新型电力系统的惯量及频率支撑能力不断降低，导致系统在遭受扰动时易出现频率崩溃，因此需要对扰动后系统功率缺额进行快速准确评估以用于功率缺额的快速填补.提出了一种局部频率测量数据驱动的基于深度卷积和长短期记忆复合神经网络的系统功率缺额在线评估方法.首先，由于同步测量获取实际惯量中心(COI)频率无法适应在线评估的快速性，所以利用局部测量频率估算得到COI频率，避免了复杂通信造成的延时效应；然后设计了一种深度复合神经网络，挖掘海量频率数据和功率缺额间的关联信息；最后搭建39节点系统进行仿真验证，结果显示了所提方法的有效性和快速性.     

基于分频和自适应死区控制的火电机组一次调频策略

随着大规模的新能源并网,电力系统的频率稳定问题面临着巨大挑战。由于火电机组惯量更大,可以深度挖掘其一次调频的潜力,本文通过分频装置对一次调频系统的反馈信号进行分解得到不同频段的信号,对不同频段信号设置适当的频率死区区间,从而能够分频段对火电机组进行控制调节,进而改善提升火电机组的一次调频性能。为了研究机组分频控制对系统一次调频能力的影响,在仿真软件中搭建电力系统一次调频模型,在不同工作环境状况下的仿真结果表明分频控制能够有效地改善系统调频性能。,此外还引入了锅炉的协调控制系统模型,通过对锅炉主蒸汽压力的研究分析,验证了该策略在加强机组一次调频能力的同时,也提高了机组的稳定性。     

红外探测器光谱响应测量研究

设计了一个红外探测器的光谱响应测试系统,并对系统原理进行了分析.对不同温度和频率情况下的热释电探测器进行光谱响应实验.实验结果表明,热释电探测器对红外辐射信号的响应不同,但电压变化曲线的趋势基本一致,从而验证了红外探测器光谱响应理论.该设计能有效抑制系统的干扰信号,提高信噪比,具有测量精度高、稳定性好的优点.     

不同温度下带阻尼薄板件振动模态实验与仿真

为分析带阻尼薄板件在不同温度下的振动模态特性，使用改制的环境箱和激光测振技术对板件进行模态参数识别，实验分析温度对带阻尼薄板件的模态频率和模态阻尼的影响规律。结果表明，温度跟带阻尼薄板件的模态频率呈负相关，在极端高温和低温情况下，模态阻尼大幅降低。提出基于优化算法的阻尼材料参数倒推识别方法，识别出阻尼材料随温度和频率变化的复模量和损耗因子，用于有限元仿真验证。仿真结果表明，使用频变的阻尼材料参数预测带阻尼薄板件的振动响应，其共振频率和响应幅值更接近测试值。     

大型转子系统参数敏感性分析方法与应用

本文将模态综合技术与非自耦（non-self-adjoint）系统特征值参数敏感性分析方法相结合，建立了大型机组转子-轴承系统的参数敏感性分析方法。作为应用，针对国产大型机组轴系稳定性依赖于各轴承油膜特性参数变化的敏感性进行了分析。     

并网运行风电机组电压稳定性分析

分析了并网运行的风电机组对电力系统电压稳定性的影响。从静态电压稳定性角度,将风电机组等效成随风速变化的有功和无功电源,分析了风电机组的控制方式、无功功率出力对电压稳定性的影响。动态稳定性的研究中,采用IEEE39节点标准测试系统,仿真结果表明:在提高电压稳定性方面,恒电压控制比恒功率控制具有明显的优越性。     

永磁同步电机抗惯量扰动自适应速度控制

为提高永磁同步电机（PMSM）速度伺服系统的控制性能,增强系统的抗惯量扰动能力,提出一种自适应滑模变结构速度控制方法。在PMSM双闭环调速系统中采用了滑模控制（SMC）的速度控制方法,并在SMC中引入积分滑模面以避免控制量中对加速度信号的要求,减小系统的稳态误差;此外,采用连续函数sigmoid s代替传统趋近律中的符号函数sgn s,进一步提高系统的动态品质。针对负载变化导致PMSM控制系统转动惯量不同的问题,依据离散模型参考自适应系统（MRAS）理论对转动惯量进行实时估计,并将惯量辨识值更新到SMC控制中,实现自适应SMC速度控制。实验结果表明,所提出的自适应SMC控制方法的速度响应较快,相比常规SMC控制,速度响应时间从85ms减少到54ms,并且对惯量扰动具有较强的鲁棒性。该方法目前适用于一些特定的时变惯量的伺服控制场合,如印刷机械,纺织机械,电缆设备等。     

行星传动中薄壁齿圈稳态动响应研究

以功率分流式行星减速器中薄壁齿圈为研究对象,利用ANSYS构建了结构的有限元模型,并采用模态叠加法计算了在动态啮合力作用下结构的动响应,得到了额定工况下及共振情况下齿圈节点位移及动应力响应的时域历程,对节点位移动响应中的频率成分做出了分析。就齿圈转速、传动系统中与齿圈啮合的行星轮个数及齿圈厚度对其动响应的影响做出了讨论,为齿圈结构的设计提供了理论依据。     

嵌入面向结构式衬套的悬架和整车性能

为了准确分析橡胶衬套复杂的多向耦合变形对悬架和整车性能的影响,提出了面向结构的橡胶衬套建模分析方法.根据实际的橡胶衬套尺寸、材料和结构建立其柔性体模型.以刚性主节点替代衬套内外金属套筒作为衬套子结构的主节点(界面点),以金属约束表面上的节点作为从节点,在主从节点处建立多点约束(MPC),实现衬套约束表面与金属套筒的位移随动.基于固定界面模态综合法,对衬套柔性体模型进行模态截断,通过模态叠加再现衬套的实际变形.将橡胶衬套柔性体嵌入双横臂前悬架和多连杆后悬架,通过仿真得出了不同工况下悬架的柔性特性指标与衬套刚度的非线性关系曲线.将前后悬架搭建成整车刚柔耦合模型,分析了整车瞬态响应指标与衬套刚度的非线性关系,探明了衬套刚度对整车操纵稳定性指标的影响趋势.结果表明:改变前后悬架衬套刚度使悬架的C特性发生变化后,可以达到明显改善车辆的瞬态响应的目的;在衬套刚度变化范围内,前后脚部地板加速度均方根值成离散分布情况.     

弹性弹体自动驾驶仪设计

本文简要分析了基于弹性弹体的自动驾驶仪结构,从频域和时域分析了弹体产生弹性模态对经典三回路自动驾驶仪响应品质的影响,设计了一种陷波滤波器消除弹性模态的影响。仿真结果表明,在存在弹性模态的情况下,自动驾驶仪响应将失稳,而陷波滤波器能够很好地消除弹性模态对自动驾驶仪的影响,保证系统的稳定性。     

行星传动中薄壁齿圈稳态动响应研究

以功率分流式行星减速器中薄壁齿圈为研究对象,利用ANSYS构建了结构的有限元模型,并采用模态叠加法计算其在动态啮合力作用下的结构动响应,得到了额定工况及行波共振情况下齿圈节点位移及动应力响应的时域历程,对节点位移动响应中的频率成分做出了分析.就齿圈转速、与齿圈啮合的行星轮个数及齿圈厚度对其动响应的影响做出了讨论,为齿圈结构的设计提供了理论依据.