双馈风电场次同步振荡分析与阻抗模型研究

摘 要：本文结合IEEE次同步振荡第一标准模型和我国某地区实际电网模型，建立了双馈风机（DFIG）频域阻抗模型，推导出了适用于双馈风电经串补外送次同步振荡问题的频域阻抗分析方法，分析了双馈风电经串补外送次同步振荡问题的影响因素。

关键词：频域阻抗模型；双馈风电场次同步；振荡分析

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

风电系统次同步振荡问题与火电系统类似但又不尽相同，这是因为风力发电机和火力发电机结构差异较大。本文内容主要围绕风电系统次同步振荡的原理和分析方法展开。

1 双馈风力发电机的重要性

目前，双馈风力发电机因其具备有功无功灵活控制、最大风能追踪等优势，已经成为风电场主流风力发电机。随着负荷需求的增长，风电装机容量以及并网规模也相应提高，因此，当双馈风力发电机经串补输出时也将有可能引发次同步振荡问题，这就会给风机轴系带来威胁，成为电力系统安全稳定运行中的不确定因素。

关于火力发电系统次同步振荡问题的研究已经较为普遍，并且有不错的成果。而风力发电机与火力发电机在并网方式、结构等方面都有较大区别，因此风电系统的次同步振荡在建模、理论分析和抑制方面都需要重新建立，而不能直接采用火电系统的次同步振荡问题的理论方法。故而，深入研究风电系统次同步振荡问题的分析方法具有非常重大的意义。

2 当前基于频域阻抗模型的双馈风电场次同步振荡分析方法研究

目前国内外针对大规模风电外送次同步谐振已经进行各个面的研究，其研究重点主要集中在风电次同步谐振的机理、分析方法以及抑制措施上。

双馈风机的运行模式分为最大功率跟踪运行区域、恒转速运行区域和定功率等，采用小信号模型分析法针对双馈风机经串补输出时不同运行区域进行了特征值分析，分析表明：在低风速条件下，风机无论运行于最大功率跟踪状态还是其他运行状态都会发生SSR现象；随着风速增大，风机稳定运行区域的面积逐渐增大。而采用特征值灵敏度析得到影响风机次同步谐振的主导因素，在相同的条件下，串补度越高，次同步谐振风险越大，稳定区面积越小。风机转子侧变流器电流环比例系数对次同步谐振起负阻尼，若将该系数降低会对次同步起到一定的抑制作用，该系数越小，稳定区的面积越大。研究还发现：在一定条件下，降低风机台数会消除次同步谐振风险并且谐振频率随着风机台数的变化而变化。

风电经串补或HVDC外送并不一定会发生SSR现象，现有研究中侧重点的不同，很多都未能很好地结合实际对DFIG与电网之间发生机电扭振互作用效应的可能性进行全面评估，分析了DFIG与电力系统之间机电扭振互作用机理。基于特征根分析法得到DFIG轴系固有扭振频率变化规律，根据机电扭振互作用机理评估了DFIG与电网间发生机电扭振互作用效应的可能性。分析表明：由于DFIG轴系具有较大柔性并受系统串补度的限制，因此，含DFIG的实际系统运行时串补度较低并且DFIG轴系弹性系数较低，此时DFIG与电网间发生机电扭振互作用的条件较难满足。

3 双馈风电场次同步振荡理论解决措施

双馈风电场经串补外送电能时，可能会引发次同步振荡问题。目前已有分析方法均是沿用火电次同步振荡分析方法，尚未有适用于风电次同步振荡问题的分析方法。本文针对双馈风电场经串补外送时可能存在次同步振荡风险展开研究，主要成果如下：

（1）双馈风力发电机建模方面，建立了适用于风电次同步等效频域阻抗分析方法的风速模型。采用数值分析方法（如最小二乘法）将风速与DFIG转子转速创建点对点的表格，为本文研究影响风电次同步振荡特性因素时打下基础。

（2）根据IEEE次同步振荡第一标准模型，并结合我国华北地区大型风电集群的特点，搭建了适用于风电次同步等效频域阻抗分析方法的系统模型。将DFIG在不同位置点并入35kV母线处理简化为同一位置点并入，这样的做法在针对某实际系统时并不影响频域阻抗模型分析方法的准确度，这是因为，针对具体风场时，可根据风机口至35kV母线实际电缆或架空线路的电阻电抗参数，在风机与35kV母线间增加相应的线路阻抗模型即可。

（3）根据已有的关于双馈风电经串补输出次同步振荡乃奎斯特分析方法，推导出考虑网侧换流器和转子侧换流在内的单台DFIG等效频域阻抗模型。在感应电机等效电路的基础上，结合换流器的影响，推导出DFIG等效频域阻抗模型，并分析了其实部虚部的频率特性，从而分析出DFIG在某些频率段内表现为容性阻抗，从而使得系统等效串补度增大，增加SSO的风险。

（4）推导出适用于双馈风电经串补外送系统次同步振蕩的定性分析方法。在DFIG等效频域阻抗模型的基础上推导出整个系统的等效频域阻抗Z（s），通过分析系统等效阻抗Z（s）的实部虚部随频率变化曲线，当阻抗Z（s）的虚部过零点位于次同步频率范围外时，此时系统无SSO风险；当阻抗Z（s）虚部过零点位于次同步频率范围内时，若对应实部为正值，系统为SSO提供正阻尼，SSO收敛，若对应实部为负值，系统为SSO提供负阻尼，SSO不收敛。

（5）结合PSCAD/EMTDC的建模仿真分析与Matlab数值建模分析计算，分别验证了此方法的正确性，并进一步分析了风速、并网风机台数以及双馈风机控制回路参数对风电次同步振荡的影响。结果证明，本文所提出的分析方法能够定性的分析双馈风电场经串补输出时是否存在次同步振荡的风险，以及次同步振荡的收敛特性。

参考文献：

[1]李江，许高阳.双馈风电场次同步控制相互作用仿真研究[J].智能电网，2016，4（11）：1082-1092.

[2]高长征，刘座铭，袁野.双馈风电场次同步谐振特性及对电力系统的影响分析[J].电气应用，2016，35（21）：16-19.

作者简介：叶圣瞳（1992-），男，江苏宿迁人，本科，研究方向：风电场次同步振荡。