利用電池儲能系統控制器改善雙饋式感應風力發電機與電網的次同步振盪現象

Abstract

隨著風力發電在全球能源結構中的比例持續提升，雙饋式感應風力發電機因其高效能與靈活性而被廣泛應用。然而，當雙饋式感應風力發電機與串聯電容補償電網連接時，易引發次同步振盪現象，進而威脅電網穩定性與設備壽命。本論文旨在設計一基於電池儲能系統的阻尼控制器，以有效抑制雙饋式感應風力發電機與電網間的次同步振盪，提升系統穩定性。 研究首先建立包含電池儲能系統、雙饋式感應風力發電機及傳輸線的非線性數學模型，透過狀態空間分析進行線性化，進而開展小訊號頻域分析。為深入探討系統動態行為，本研究採用參與率分析與特徵值靈敏度分析，明確系統狀態變數、特徵值與阻尼控制器參數之間的交互關係，進而為控制器參數設計提供理論依據。隨後，基於非線性數學模型進行時域分析，系統性地評估阻尼控制器參數對次同步振盪抑制效果的影響，並選定最佳參數組合。 為驗證所提出方法的有效性，本研究以MATLAB®/Simulink軟體進行模擬分析，對不同操作條件下的次同步振盪現象進行模擬。模擬結果顯示，所設計的電池儲能系統阻尼控制器能顯著降低次同步振盪的振幅與持續時間，同時提升電網的動態穩定性。此外，本研究進一步探討控制器在不同風速與電網負載條件下，確保其在實際應用中的可靠性。

The increasing use of doubly-fed induction generators in wind power systems, when connected to series-compensated grids, can trigger sub-synchronous oscillations (SSO), threatening grid stability. This thesis designs a battery energy storage system (BESS) based damping controller to suppress SSO and enhance system stability.

Nonlinear models of the BESS, DFIG, and transmission line are developed and linearized for small-signal analysis. Participation factor and eigenvalue sensitivity analyses clarify the relationships between system states, eigenvalues, and controller parameters. Time-domain analysis evaluates the controller’s effectiveness in mitigating SSO, with optimal parameters selected via iterative optimization.

Simulations in MATLAB®/Simulink, using Taiwan’s Changhua coastal grid as a case study, confirm that the controller significantly reduces SSO amplitude and enhances grid stability under various conditions.