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风电并网系统次同步振荡频率漂移问题

风电并网系统的次同步振荡现象具有频率漂移的特征 。 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、四川大学电气工程学院的研究人员王洋、杜文娟、王海风 ， 在2020年第1期《电工技术学报》上撰文 ， 从风速变化影响模式间相互作用的角度解释了频率漂移的原因 。
近年来大规模风电机群接入电网引发的次同步振荡（SubsynchronousOscillation,SSO）问题得到了广泛关注 ， 典型事件如河北沽源地区风电场（以双馈风机为主）经串补输电线路并网后多次发生频率在3~10Hz的次同步功率振荡 ， 新疆哈密地区风电场（以直驱风机为主）接入弱交流电网后多次出现20~30Hz的次同步功率振荡 。
与传统的次同步谐振、扭振相互作用问题的特征不同 ， 风电并网系统的次同步功率振荡的频率存在较大幅度的动态变化 ， 主要体现为同一风电场各次事件的振荡频率不同和一次事件中振荡频率的不断演化 。 因此 ， 频率漂移是风电并网系统次同步振荡的显著特征 ， 研究和揭示频率漂移的内在机理将有助于防范风电并网引发的次同步振荡失稳的风险 。
风电并网系统次同步振荡频率漂移问题
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现有关于风电并网系统次同步振荡机理的研究已经开展了较多 ， 从研究对象来划分 ， 以双馈风机-串补输电系统和直驱风机-弱交流电网系统为主；从分析方法来划分 ， 主要包括频域分析法和模式分析法 。 这些研究分析了风电机组的动态特性、剖析了次同步振荡的主要影响因素、刻画了次同步振荡稳定性的参数条件 。
虽然目前大量文献呈现了多种因素对次同步振荡阻尼和频率的影响规律 ， 但是并未对频率漂移的现象给出进一步的机理解释 。
有学者针对双馈风机-串补输电系统 ， 采用时域仿真、模式分析和等效电路研究了并网风机数量、风速、线路参数和换流器控制参数对次同步振荡阻尼和频率的影响 。
有学者基于聚合RLC电路的阻抗分析方法研究双馈风机-串补输电系统的阻抗频率特性 。
有学者结合概率法和模式分析法 ， 研究多运行方式下风电串补系统的次同步振荡特性 。
有学者针对直驱风机-弱交流系统 ， 采用模式分析、时域仿真和阻抗分析法研究电网强度、并网风机数量、网侧换流器控制参数对次同步交互特性的影响 。
然而 ， 对于实际运行的电力系统 ， 线路参数和换流器控制参数往往是固定的 ， 从风速和并网风机数量的角度研究次同步振荡频率漂移现象可能更具有实际意义 。 那么这些频率漂移现象内在的规律是否有所关联以及是否存在统一的机理 ， 是本文研究的出发点和所要解决的关键问题 。
开环模式分析方法从模式相互作用的观点解释了风电并网系统次同步振荡的现象：当一台风电机组的开环振荡模式靠近系统中其他动态元件的开环振荡模式时 ， 相应的两个闭环振荡模式将会发生互斥 ， 从而导致其中一个闭环振荡模式的阻尼减弱 ， 有学者将这种模式相互作用称之为开环模式耦合 。 有学者的算例结果表明换流器控制参数、输电网络拓扑结构的参数、风电机组的输出功率会影响开环模式耦合条件 ， 进而引发次同步振荡 。 然而 ， 这些文献并不以频率漂移问题为研究重点 ， 对频率漂移问题的机理解释仍需深入探讨 。
考虑到风速的随机性 ， 风电机组的运行点会发生变化 ， 由此导致风电机组的动态特性在不同时间点下的差异 ， 这也体现为风电机组的开环振荡模式和留数的波动 。 因此 ， 风速变化可能为开环模式耦合提供条件 ， 从而出现次同步振荡频率漂移的现象 。
风电并网系统次同步振荡频率漂移问题
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图1风速与次同步振荡失稳频率的关系
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、四川大学电气工程学院的研究人员 ， 从风速变化影响开环模式耦合条件的角度解释了风电并网系统次同步振荡频率漂移的原因 。
首先 ， 推导风电机组受风速影响的振荡模式：双馈风机定转子绕组和转子侧换流器电流内环控制主导的次同步振荡模式的频率；直驱风机直流电压外环主导的振荡模式的留数 。 然后 ， 推导两输入两输出系统中振荡模式之间发生强相互作用的条件——开环模式耦合 。 最后 ， 基于双馈风机-串补输电系统和混合风电场并网系统算例 ， 采用模式分析和非线性仿真 ， 演示了风速变化过程中模式交互作用的强弱变化导致的频率漂移的现象 。
由此得出 ， 风速的随机性使得开环模式耦合条件具备了随机性 ， 在时变场景下模式间的不利交互作用使得弱阻尼或负阻尼次同步振荡模式的频率是动态变化的 ， 由此出现了频率漂移的现象 。
研究人员得到的主要结论如下：
【风电并网系统次同步振荡频率漂移问题】1）DFIG存在一个由定、转子绕组和RSC电流内环控制主导的EMO模式 ， 该模式的频率与转子转速相关 。 DFIG或D-PMSG中存在一个由网侧换流器直流电压外环控制主导的振荡模式 ， 该模式的留数与网侧换流器输出电流大小有关 。 这两种次同步振荡模式与风速密切相关 。
2）风速会改变DFIGEMO模式的频率 ， 进而影响DFIGEMO模式与串补振荡模式间的交互作用的程度 。 在强交互作用下串补振荡模式的阻尼会明显降低 ， 并且在模式交互作用强弱变化过程中弱阻尼或负阻尼次同步振荡模式的频率会发生漂移 。
3）在混合风电场中 ， DFIGEMO模式会随着风速变化依次与不同的其他风电机组的控制模式发生强交互作用 ， 引发不同频段的次同步功率振荡 。
4）随着D-PMSG输出有功功率的增加 ， D-PMSG直流电压外环主导振荡模式的留数会增大 ， 使得该模式与其他控制模式的交互作用程度会加剧 ， 从而导致弱阻尼或负阻尼的次同步振荡模式以及频率的漂移 。
风速和并网风机数量决定了风电场动态特性的时变性 ， 本文研究的是风速这一因素引发的开环模式耦合 。 类比本文结论 ， 并网风机数量的变化也可能存在类似现象 ， 这将有可能拓展现有文献关于并网风机数量引发频率漂移的结论 。
下一步的研究方向是次同步振荡频率漂移的控制方法 ， 基于本文的研究结论 ， 以消除开环模式耦合条件、减弱模式间的相互作用程度为目的 ， 通过重新配置换流器控制参数或者附加阻尼控制器 ， 保证并网风电机组在多风速下的安全稳定运行 。 以上研究成果已发表在2020年第1期《电工技术学报》 ， 论文标题为“风电并网系统次同步振荡频率漂移问题” ， 作者为王洋、杜文娟、王海风 。


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