雙饋風電場次同步振蕩分析與阻抗模型研究

摘 要：本文結合IEEE次同步振蕩第一標準模型和我國某地區實際電網模型，建立了雙饋風機（DFIG）頻域阻抗模型，推導出了適用于雙饋風電經串補外送次同步振蕩問題的頻域阻抗分析方法，分析了雙饋風電經串補外送次同步振蕩問題的影響因素。

關鍵詞：頻域阻抗模型；雙饋風電場次同步；振蕩分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.088

風電系統次同步振蕩問題與火電系統類似但又不盡相同，這是因為風力發電機和火力發電機結構差異較大。本文內容主要圍繞風電系統次同步振蕩的原理和分析方法展開。

1 雙饋風力發電機的重要性

目前，雙饋風力發電機因其具備有功無功靈活控制、最大風能追蹤等優勢，已經成為風電場主流風力發電機。隨著負荷需求的增長，風電裝機容量以及并網規模也相應提高，因此，當雙饋風力發電機經串補輸出時也將有可能引發次同步振蕩問題，這就會給風機軸系帶來威脅，成為電力系統安全穩定運行中的不確定因素。

關于火力發電系統次同步振蕩問題的研究已經較為普遍，并且有不錯的成果。而風力發電機與火力發電機在并網方式、結構等方面都有較大區別，因此風電系統的次同步振蕩在建模、理論分析和抑制方面都需要重新建立，而不能直接采用火電系統的次同步振蕩問題的理論方法。故而，深入研究風電系統次同步振蕩問題的分析方法具有非常重大的意義。

2 當前基于頻域阻抗模型的雙饋風電場次同步振蕩分析方法研究

目前國內外針對大規模風電外送次同步諧振已經進行各個面的研究，其研究重點主要集中在風電次同步諧振的機理、分析方法以及抑制措施上。

雙饋風機的運行模式分為最大功率跟蹤運行區域、恒轉速運行區域和定功率等，采用小信號模型分析法針對雙饋風機經串補輸出時不同運行區域進行了特征值分析，分析表明：在低風速條件下，風機無論運行于最大功率跟蹤狀態還是其他運行狀態都會發生SSR現象；隨著風速增大，風機穩定運行區域的面積逐漸增大。而采用特征值靈敏度析得到影響風機次同步諧振的主導因素，在相同的條件下，串補度越高，次同步諧振風險越大，穩定區面積越小。風機轉子側變流器電流環比例系數對次同步諧振起負阻尼，若將該系數降低會對次同步起到一定的抑制作用，該系數越小，穩定區的面積越大。研究還發現：在一定條件下，降低風機臺數會消除次同步諧振風險并且諧振頻率隨著風機臺數的變化而變化。

風電經串補或HVDC外送并不一定會發生SSR現象，現有研究中側重點的不同，很多都未能很好地結合實際對DFIG與電網之間發生機電扭振互作用效應的可能性進行全面評估，分析了DFIG與電力系統之間機電扭振互作用機理。基于特征根分析法得到DFIG軸系固有扭振頻率變化規律，根據機電扭振互作用機理評估了DFIG與電網間發生機電扭振互作用效應的可能性。分析表明：由于DFIG軸系具有較大柔性并受系統串補度的限制，因此，含DFIG的實際系統運行時串補度較低并且DFIG軸系彈性系數較低，此時DFIG與電網間發生機電扭振互作用的條件較難滿足。

3 雙饋風電場次同步振蕩理論解決措施

雙饋風電場經串補外送電能時，可能會引發次同步振蕩問題。目前已有分析方法均是沿用火電次同步振蕩分析方法，尚未有適用于風電次同步振蕩問題的分析方法。本文針對雙饋風電場經串補外送時可能存在次同步振蕩風險展開研究，主要成果如下：

（1）雙饋風力發電機建模方面，建立了適用于風電次同步等效頻域阻抗分析方法的風速模型。采用數值分析方法（如最小二乘法）將風速與DFIG轉子轉速創建點對點的表格，為本文研究影響風電次同步振蕩特性因素時打下基礎。

（2）根據IEEE次同步振蕩第一標準模型，并結合我國華北地區大型風電集群的特點，搭建了適用于風電次同步等效頻域阻抗分析方法的系統模型。將DFIG在不同位置點并入35kV母線處理簡化為同一位置點并入，這樣的做法在針對某實際系統時并不影響頻域阻抗模型分析方法的準確度，這是因為，針對具體風場時，可根據風機口至35kV母線實際電纜或架空線路的電阻電抗參數，在風機與35kV母線間增加相應的線路阻抗模型即可。

（3）根據已有的關于雙饋風電經串補輸出次同步振蕩乃奎斯特分析方法，推導出考慮網側換流器和轉子側換流在內的單臺DFIG等效頻域阻抗模型。在感應電機等效電路的基礎上，結合換流器的影響，推導出DFIG等效頻域阻抗模型，并分析了其實部虛部的頻率特性，從而分析出DFIG在某些頻率段內表現為容性阻抗，從而使得系統等效串補度增大，增加SSO的風險。

（4）推導出適用于雙饋風電經串補外送系統次同步振蕩的定性分析方法。在DFIG等效頻域阻抗模型的基礎上推導出整個系統的等效頻域阻抗Z（s），通過分析系統等效阻抗Z（s）的實部虛部隨頻率變化曲線，當阻抗Z（s）的虛部過零點位于次同步頻率范圍外時，此時系統無SSO風險；當阻抗Z（s）虛部過零點位于次同步頻率范圍內時，若對應實部為正值，系統為SSO提供正阻尼，SSO收斂，若對應實部為負值，系統為SSO提供負阻尼，SSO不收斂。

（5）結合PSCAD/EMTDC的建模仿真分析與Matlab數值建模分析計算，分別驗證了此方法的正確性，并進一步分析了風速、并網風機臺數以及雙饋風機控制回路參數對風電次同步振蕩的影響。結果證明，本文所提出的分析方法能夠定性的分析雙饋風電場經串補輸出時是否存在次同步振蕩的風險，以及次同步振蕩的收斂特性。

參考文獻：

[1]李江，許高陽.雙饋風電場次同步控制相互作用仿真研究[J].智能電網，2016，4（11）：1082-1092.

[2]高長征，劉座銘，袁野.雙饋風電場次同步諧振特性及對電力系統的影響分析[J].電氣應用，2016，35（21）：16-19.

作者簡介：葉圣瞳（1992-），男，江蘇宿遷人，本科，研究方向：風電場次同步振蕩。