风火打捆外送中直驱风电机组对火电机组次同步振荡的影响分析

王琴南, 侯明哲

(1.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022； 2. 深圳供电局有限公司，深圳 518000)

风火打捆外送中直驱风电机组对火电机组次同步振荡的影响分析

王琴南1, 侯明哲2

(1.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022； 2. 深圳供电局有限公司，深圳 518000)

一些地区直驱风机风电场的高压侧出现持续的次同步振荡现象，引起临近火电机组的扭振保护动作，导致解裂事故的发生。为了对这种问题进行深入研究，本文建立了直驱风机风电场和火电机组打捆外送的等值模型。利用电磁暂态仿真研究直驱风电机组对高压侧火电机组的影响，通过改变直驱风机的两个重要影响因子(风速和风机台数)，观察其对火电机组次同步振荡的影响。研究结果表明，风火打捆外送中直驱风电机组的风速和风机台数对高压侧火电机组次同步振荡现象有影响，主要体现在风速较大和较小，且风机台数较多时，火电机组次同步振荡时的电压和相关转矩发生了显著变化。

风火打捆；直驱风机；火电机组；次同步振荡；影响；风速；风机台数

随着风电技术的迅猛发展，鼠笼式异步风力发电机、双馈异步风力发电机、直驱永磁风力发电机相继出现，使得人们能够更方便和高效地合理利用风能[1]。其中直驱永磁风力发电机组，凭借其独特的优势，成为了未来风电发展的新趋势。自1970年Mohave地区的火电机组发生次同步振荡(subsynchronous oscillation ,SSO)以来，世界上许多地区的火电机组和风电机组相继发生了多起事故[2]。直驱风力发电机组由于其本身独特的结构不易发生次同步振荡，但是可能会对风火打捆中高压侧的火电机组产生一定的影响。因此有必要深入研究风火打捆外送中直驱风电机组对火电机组次同步振荡的具体影响。

由于我国一次能源和负荷中心呈逆向分布，西北地区过多的风能无法就地利用，而中国中东部地区却对电能的需求很大。考虑到当地风电场弃风因素的影响，如果直接将风机发出的电能进行远距离输送，会造成输电通道的浪费。所以我国在西北地区采取风火打捆外送，这在一定程度上解决了以上问题，但是系统遭受大扰动的风险提高了，存在不少安全问题。

大型风电场一般包括几百上千台风机，由文献[3]可知传统的分法一般把风机分为4种类型：1型鼠笼式异步风力发电机，2型绕线式感应风力发电机，3型双馈异步风力发电机，4型直驱永磁同步风力发电机。4型直驱永磁风电机组不仅结构上不存在齿轮箱,而且其定子侧和外部电网不发生直接耦合，而是通过换流器与电网直接连接，因此不易发生扭振，轴系刚度也比其他几型的风电机组要好。

目前，国内外关于风机次同步谐振问题的研究已经取得了不少成果。由文献[4]可知，IEEE工作组把次同步谐振定义为次电力系统的一种不正常的运行状态，在这种运行状态下，电气系统和汽轮发电机组以低于系统同步频率显著交换能量，从而危害汽轮发电机的动态过程。文献[5]指出，定速风电机组采用串补线路外送电能时会发生SSO问题，初步探讨了SSO的产生机理，并利用时域仿真法分析了其影响因素，得到了线路串补度越高、风机出力越大，次同步振荡会发散越严重的相关结论。文献[6-7]研究了风火打捆外送中的次同步振荡，但是局限于双馈风机，没有考虑直驱永磁风机也可能引起的火电机组次同步振荡。文献[8]虽然以直驱风机和火电机组为基础建模，研究直驱风机风电场和交流电网相互作用引发次同步振荡，但是没有深入探讨直驱风机和火电机组之间的相互作用。可见现有的文献主要集中于双馈机风力发电机组的次同步振荡研究，或者仅仅着眼于发电机内部结构，鲜有文献考虑直驱风电机组对火电机组的影响，而2015年7月，新疆伊犁地区直驱风电机组和火电机组打捆外送中，出现了持续的功率振荡现象，并导致了火电机组解裂。

在这种背景下，本文以风火打捆外送中直驱风电机组和火电机组为对象，重点分析直驱风电机组对火电机组次同步振荡的影响，建立直驱风电机组和火电机组并联到无穷大电网的建模，从仿真结果分析比较风速和并网风机台数对火电机组次同步振荡的具体影响。

1 风火打捆系统建模

1.1 风火打捆建模的主要思想

风轮叶片将风能转换为机械能，此时相关的空气动力学方程为

(1)

式中：R为风电机组叶轮的半径；ρ为空气密度；vw为风速；Cp为风能利用系数；λ为叶尖速比；β为桨距角。

由式(1)可知风电机组的机械转矩和风速有关，并且随着风速增加，机械转矩增加。同时由式(2)可知,当风机台数N增加时,总的转矩也增大了。同步发电机轴系运动方程可以表示为

(2)

Tp2Δδ+kΔδ=ΔT

(3)

其中Δδ=[ΔδHPΔδIPΔδLPAΔδLPBΔδGENΔδEXE]T为对应图1中的转子角度。

图1火电机组轴系6质量块模型

Fig.16massmodelofshaftingofthermalpowerunit

由文献[9]可知负阻尼转矩ΔTD由式(3)中的变量Δδ约束，并且ΔTD能对电气负阻尼产生影响，并且同步转矩和负阻尼转矩ΔTD共同作用于轴系振荡频率，最终影响系统的次同步振荡。本文的思想是将直驱风机和火电机组看成一个关联的整体，基于文献[9]中提出的次同步谐振的局部传播机理，同时也考虑到直驱风机和火电机组都由同步电机构成，提出风速和风机台数的变化会影响直驱风机风场中同步电机的转矩。由于轴系作用的转递性，风速和风机台数通过影响Δδ，负阻尼转矩ΔTD和电气负阻尼，最后对火电机组次同步振荡产生影响。

1.2 直驱风电场建模

风电场并网后一般利用柔性交流输电技术(FACTS)和高压直流输电技术(HVDC)输向一些重负荷地区。本文为了方便研究问题采用如图2所示的直驱风机模型。风机是恒定风速风机。风速和额定转速通过风机输出机械转矩信号进入同步电机,然后同步电机将机械能转换为电能，之后通过图3直流/交流/直流(AC/DC/AC)变换器，将不稳定的电能转换为稳定的电能。变换器的建模采用现在主流的两个背靠背的PWM6脉冲电压源型全功率变换器。这种变换器能减少输出电压和发电机线圈电流中的谐波分量，提高电压源变流器的效率。

图2 直驱风机原理图

图3 PW换流器拓扑结构

1.3 风火打捆建模

图4 风火打捆外送原理图

图4所示为风火打捆外送的原理图，把N台型号完全相同的容量为5.5 MW，额定电压为0.69 kV的直驱风机并联到一根母线上，并使它们的运行状态和相关参数保持一致。然后利用升压变压器(0.69 kV/33 kV)，把电压升高到33 kV。系统连接电抗采用线路电抗r+jx表示,在高压侧基于IEEE次同步振荡的第一基准模型并联一个火电机组。该火电机组额定电压为15 kV，额定电流为19.8 kA，总容量为892 MW,经过变压器,流过电阻为6.08 Ω,电感为432.3 mH的线路,然后经过16.6 μF的串联电容补偿,变压到33 kV，最后和直驱风电机组一同接入无穷大电网。

2 直驱风机对火电机组次同步振荡的影响分析

2.1 研究方法

采用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC进行电磁暂态仿真，建立图3所示的模型。由上文分析可知风速和风机台数通过影响机械转矩来影响直驱风电机组的运行，并且可能影响火电机组的次同步振荡。因此本文选择以上两个重要参数，研究他们对火电机组次同步振荡的影响。

2.2 风速对火电机组次同步振荡的影响

首先选择风速11.3 m/s，并网风机台数10台作为参考，取IEEE第一基准模型中4个重要参数:火电机组的电容电压、电气负转矩和两对质量块之间的转矩(TG-E和TLA-LB)为观测量。通过暂态仿真可以得到图5波形。

为了方便观测，加大风速，使风速增加到极端条件下的50 m/s，其他条件不变，此时波形变为图6。从图6和图5的差别可以看出，当风速增加到50 m/s时，火电机组发生次同步振荡的时间提前了，同时电气负转矩和质量块转矩TLA-LB也发生了变化。

最后减少风速，使风速减小到 1m/s，其他条件不变，此时波形为图7。从图7和图5的差别中可以看出，当风速减少到1 m/s时，火电机组发生次同步振荡的时间没有提前，三相电容电压和电气负转矩没有显著变化。质量块转矩TLA-LB和质量块转矩TG-E发生了一些细微变化。

2.3 并网风机台数对火电机组次同步振荡的影响

保持基准风速11.3 m/s不变，仅改变并网风机台数为80台，此时波形为图8。从图8和图5的差别中可以看出，当风机台数增加到80台时，火电机组发生次同步振荡的时间也略有提前，同时电气负转矩和质量块转矩TG-E有了明显变化。

图5 参考量下的次同步振荡波形

图6 改变风速为50m/s时的次同步振荡波形

图7 改变风速为1m/s时的次同步振荡波形

图8 改变并网风机台数为80台时次同步振荡波形

图9 改变并网风机台数为100台时的次同步振荡波形

然后保持风速11.3 m/s不变，仅改变并网风机台数为100，此时波形图如图9所示。从图9和图5、图8差别可看出，当风机台数增加到100台时，火电机组发生次同步振荡时间随风机台数增加而提前，质量块转矩TLA-LB和TG-E也有明显变化。

3 结 论

1) 火电机组发生次同步振荡的时间随着风速的增加和风机台数的增加而提前，质量块转矩也随着风速的变化和风机台数增加而发生改变。

2) 当风速逐渐减少到1 m/s时，火电机组发生次同步振荡的时间没有提前；而当风速逐渐增加到50 m/s时，火电机组发生次同步振荡的时间提前了；风速从1 m/s逐渐增加到50 m/s，次同步振荡发生的时间从开始没有明显变化到后来随着风速的增加而提前；和次同步振荡有密切关系的质量块转矩量也发生了变化。

3) 当风机台数增加到80台和100台时，发生振荡的时间随着风机台数增加而提前，同时质量块转矩也发生了变化。

4) 得出直驱风电机组的风速和风机台数通过影响同步电机的质量块转矩，对火电机组次同步振荡产生影响。

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Analysis of the influence of drive-driven wind turbine units on subsynchronous oscillation of thermal power units in wind-thermal-bundled transmission

WANG Qinnan1,HOU Mingzhe2

(1.Faculty of Electrical and Control Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China；2.Shenzhen Power supply Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)

In recent years, there have been continuous subsynchronous oscillations on the high-pressure side of the direct-driventurbine wind farms in some regions of China, which causes the torsional vibration protection action in the adjacent thermal power units and thus leads to the occurrence of the cracking accident. In order to have a deeper study on this kind of problem, in this paper, the equivalent models of direct-driventurbine wind farm and bundled transmission of thermal power unitsare established. The effects of direct-driven wind turbines on the high-pressure side thermal power units are used by means of electromagnetic transient simulation and two important influencing factors of the speed and number of the direct-drivenwind turbineare changed, in ways to observe the influence of turbine on sub-synchronous oscillations of thermal power units. The results show that the wind speed and the number of turbine of direct-driven wind turbines in the wind-thermal-bundled transmission are affected by the subsynchronous oscillation of high-pressure side thermal power units. It is mainly demonstrated in the area where the voltage and related torque for subsynchronous oscillations ofthermal power units has undergone significant changes, when wind speed is larger or smaller and the number of turbinesincreases.

wind-fire bundle; direct-drivenwind turbine; thermal power unit; subsynchronous oscillation; influence; wind speed; turbine number

2017-05-08。

王琴南(1993—)，男，硕士研究生，主要研究方向为次同步振荡，风电场规划，直驱永磁和双馈风机并网问题。

TM743;TM614

A

2095-6843(2017)05-0402-05

(编辑陈银娥)