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近年來(lái)大規(guī)模風(fēng)電機(jī)群接入電網(wǎng)引發(fā)的次同步振蕩（Subsynchronous Oscillation, SSO）問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注，典型事件如河北沽源地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)（以雙饋風(fēng)機(jī)為主）經(jīng)串補(bǔ)輸電線路并網(wǎng)后多次發(fā)生頻率在3~10Hz的次同步功率振蕩，新疆哈密地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)（以直驅(qū)風(fēng)機(jī)為主）接入弱交流電網(wǎng)后多次出現(xiàn)20~30Hz的次同步功率振蕩。

與傳統(tǒng)的次同步諧振、扭振相互作用問(wèn)題的特征不同，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的次同步功率振蕩的頻率存在較大幅度的動(dòng)態(tài)變化，主要體現(xiàn)為同一風(fēng)電場(chǎng)各次事件的振蕩頻率不同和一次事件中振蕩頻率的不斷演化。因此，頻率漂移是風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的顯著特征，研究和揭示頻率漂移的內(nèi)在機(jī)理將有助于防范風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)的次同步振蕩失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩機(jī)理的研究已經(jīng)開(kāi)展了較多，從研究對(duì)象來(lái)劃分，以雙饋風(fēng)機(jī)-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)-弱交流電網(wǎng)系統(tǒng)為主；從分析方法來(lái)劃分，主要包括頻域分析法和模式分析法。這些研究分析了風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性、剖析了次同步振蕩的主要影響因素、刻畫(huà)了次同步振蕩穩(wěn)定性的參數(shù)條件。

雖然目前大量文獻(xiàn)呈現(xiàn)了多種因素對(duì)次同步振蕩阻尼和頻率的影響規(guī)律，但是并未對(duì)頻率漂移的現(xiàn)象給出進(jìn)一步的機(jī)理解釋。

• 有學(xué)者針對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)，采用時(shí)域仿真、模式分析和等效電路研究了并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)速、線路參數(shù)和換流器控制參數(shù)對(duì)次同步振蕩阻尼和頻率的影響。
• 有學(xué)者基于聚合RLC電路的阻抗分析方法研究雙饋風(fēng)機(jī)-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)的阻抗頻率特性。
• 有學(xué)者結(jié)合概率法和模式分析法，研究多運(yùn)行方式下風(fēng)電串補(bǔ)系統(tǒng)的次同步振蕩特性。
• 有學(xué)者針對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)-弱交流系統(tǒng)，采用模式分析、時(shí)域仿真和阻抗分析法研究電網(wǎng)強(qiáng)度、并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量、網(wǎng)側(cè)換流器控制參數(shù)對(duì)次同步交互特性的影響。

然而，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的電力系統(tǒng)，線路參數(shù)和換流器控制參數(shù)往往是固定的，從風(fēng)速和并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量的角度研究次同步振蕩頻率漂移現(xiàn)象可能更具有實(shí)際意義。那么這些頻率漂移現(xiàn)象內(nèi)在的規(guī)律是否有所關(guān)聯(lián)以及是否存在統(tǒng)一的機(jī)理，是本文研究的出發(fā)點(diǎn)和所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

開(kāi)環(huán)模式分析方法從模式相互作用的觀點(diǎn)解釋了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的現(xiàn)象：當(dāng)一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)環(huán)振蕩模式靠近系統(tǒng)中其他動(dòng)態(tài)元件的開(kāi)環(huán)振蕩模式時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)閉環(huán)振蕩模式將會(huì)發(fā)生互斥，從而導(dǎo)致其中一個(gè)閉環(huán)振蕩模式的阻尼減弱，有學(xué)者將這種模式相互作用稱之為開(kāi)環(huán)模式耦合。有學(xué)者的算例結(jié)果表明換流器控制參數(shù)、輸電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)、風(fēng)電機(jī)組的輸出功率會(huì)影響開(kāi)環(huán)模式耦合條件，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。然而，這些文獻(xiàn)并不以頻率漂移問(wèn)題為研究重點(diǎn)，對(duì)頻率漂移問(wèn)題的機(jī)理解釋仍需深入探討。

考慮到風(fēng)速的隨機(jī)性，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，由此導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性在不同時(shí)間點(diǎn)下的差異，這也體現(xiàn)為風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)環(huán)振蕩模式和留數(shù)的波動(dòng)。因此，風(fēng)速變化可能為開(kāi)環(huán)模式耦合提供條件，從而出現(xiàn)次同步振蕩頻率漂移的現(xiàn)象。

圖1 風(fēng)速與次同步振蕩失穩(wěn)頻率的關(guān)系

新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）、四川大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員，從風(fēng)速變化影響開(kāi)環(huán)模式耦合條件的角度解釋了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩頻率漂移的原因。

首先，推導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)速影響的振蕩模式：雙饋風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)換流器電流內(nèi)環(huán)控制主導(dǎo)的次同步振蕩模式的頻率；直驅(qū)風(fēng)機(jī)直流電壓外環(huán)主導(dǎo)的振蕩模式的留數(shù)。然后，推導(dǎo)兩輸入兩輸出系統(tǒng)中振蕩模式之間發(fā)生強(qiáng)相互作用的條件——開(kāi)環(huán)模式耦合。最后，基于雙饋風(fēng)機(jī)-串補(bǔ)輸電系統(tǒng)和混合風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)算例，采用模式分析和非線性仿真，演示了風(fēng)速變化過(guò)程中模式交互作用的強(qiáng)弱變化導(dǎo)致的頻率漂移的現(xiàn)象。

由此得出，風(fēng)速的隨機(jī)性使得開(kāi)環(huán)模式耦合條件具備了隨機(jī)性，在時(shí)變場(chǎng)景下模式間的不利交互作用使得弱阻尼或負(fù)阻尼次同步振蕩模式的頻率是動(dòng)態(tài)變化的，由此出現(xiàn)了頻率漂移的現(xiàn)象。

研究人員得到的主要結(jié)論如下：

• 1）DFIG存在一個(gè)由定、轉(zhuǎn)子繞組和RSC電流內(nèi)環(huán)控制主導(dǎo)的EMO模式，該模式的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)。DFIG或D-PMSG中存在一個(gè)由網(wǎng)側(cè)換流器直流電壓外環(huán)控制主導(dǎo)的振蕩模式，該模式的留數(shù)與網(wǎng)側(cè)換流器輸出電流大小有關(guān)。這兩種次同步振蕩模式與風(fēng)速密切相關(guān)。
• 2）風(fēng)速會(huì)改變DFIG EMO模式的頻率，進(jìn)而影響DFIG EMO模式與串補(bǔ)振蕩模式間的交互作用的程度。在強(qiáng)交互作用下串補(bǔ)振蕩模式的阻尼會(huì)明顯降低，并且在模式交互作用強(qiáng)弱變化過(guò)程中弱阻尼或負(fù)阻尼次同步振蕩模式的頻率會(huì)發(fā)生漂移。
• 3）在混合風(fēng)電場(chǎng)中，DFIG EMO模式會(huì)隨著風(fēng)速變化依次與不同的其他風(fēng)電機(jī)組的控制模式發(fā)生強(qiáng)交互作用，引發(fā)不同頻段的次同步功率振蕩。
• 4）隨著D-PMSG輸出有功功率的增加，D-PMSG直流電壓外環(huán)主導(dǎo)振蕩模式的留數(shù)會(huì)增大，使得該模式與其他控制模式的交互作用程度會(huì)加劇，從而導(dǎo)致弱阻尼或負(fù)阻尼的次同步振蕩模式以及頻率的漂移。

風(fēng)速和并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量決定了風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)變性，本文研究的是風(fēng)速這一因素引發(fā)的開(kāi)環(huán)模式耦合。類比本文結(jié)論，并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量的變化也可能存在類似現(xiàn)象，這將有可能拓展現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量引發(fā)頻率漂移的結(jié)論。

下一步的研究方向是次同步振蕩頻率漂移的控制方法，基于本文的研究結(jié)論，以消除開(kāi)環(huán)模式耦合條件、減弱模式間的相互作用程度為目的，通過(guò)重新配置換流器控制參數(shù)或者附加阻尼控制器，保證并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在多風(fēng)速下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

以上研究成果已發(fā)表在2020年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩頻率漂移問(wèn)題”，作者為王洋、杜文娟、王海風(fēng)。