- 頭條風電并網系統次同步振蕩頻率漂移問題2021-04-25 作者：王洋 杜文娟 王海風 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語風電并網系統的次同步振蕩現象具有頻率漂移的特征。新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、四川大學電氣工程學院的研究人員王洋、杜文娟、王海風，在2020年第1期《電工技術學報》上撰文，從風速變化影響模式間相互作用的角度解釋了頻率漂移的原因。
近年來大規模風電機群接入電網引發的次同步振蕩（Subsynchronous Oscillation, SSO）問題得到了廣泛關注，典型事件如河北沽源地區風電場（以雙饋風機為主）經串補輸電線路并網后多次發生頻率在3~10Hz的次同步功率振蕩，新疆哈密地區風電場（以直驅風機為主）接入弱交流電網后多次出現20~30Hz的次同步功率振蕩。
與傳統的次同步諧振、扭振相互作用問題的特征不同，風電并網系統的次同步功率振蕩的頻率存在較大幅度的動態變化，主要體現為同一風電場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，頻率漂移是風電并網系統次同步振蕩的顯著特征，研究和揭示頻率漂移的內在機理將有助于防范風電并網引發的次同步振蕩失穩的風險。
現有關于風電并網系統次同步振蕩機理的研究已經開展了較多，從研究對象來劃分，以雙饋風機-串補輸電系統和直驅風機-弱交流電網系統為主；從分析方法來劃分，主要包括頻域分析法和模式分析法。這些研究分析了風電機組的動態特性、剖析了次同步振蕩的主要影響因素、刻畫了次同步振蕩穩定性的參數條件。
雖然目前大量文獻呈現了多種因素對次同步振蕩阻尼和頻率的影響規律，但是并未對頻率漂移的現象給出進一步的機理解釋。
- 有學者針對雙饋風機-串補輸電系統，采用時域仿真、模式分析和等效電路研究了并網風機數量、風速、線路參數和換流器控制參數對次同步振蕩阻尼和頻率的影響。
- 有學者基于聚合RLC電路的阻抗分析方法研究雙饋風機-串補輸電系統的阻抗頻率特性。
- 有學者結合概率法和模式分析法，研究多運行方式下風電串補系統的次同步振蕩特性。
- 有學者針對直驅風機-弱交流系統，采用模式分析、時域仿真和阻抗分析法研究電網強度、并網風機數量、網側換流器控制參數對次同步交互特性的影響。
然而，對于實際運行的電力系統，線路參數和換流器控制參數往往是固定的，從風速和并網風機數量的角度研究次同步振蕩頻率漂移現象可能更具有實際意義。那么這些頻率漂移現象內在的規律是否有所關聯以及是否存在統一的機理，是本文研究的出發點和所要解決的關鍵問題。
開環模式分析方法從模式相互作用的觀點解釋了風電并網系統次同步振蕩的現象：當一臺風電機組的開環振蕩模式靠近系統中其他動態元件的開環振蕩模式時，相應的兩個閉環振蕩模式將會發生互斥，從而導致其中一個閉環振蕩模式的阻尼減弱，有學者將這種模式相互作用稱之為開環模式耦合。有學者的算例結果表明換流器控制參數、輸電網絡拓撲結構的參數、風電機組的輸出功率會影響開環模式耦合條件，進而引發次同步振蕩。然而，這些文獻并不以頻率漂移問題為研究重點，對頻率漂移問題的機理解釋仍需深入探討。
考慮到風速的隨機性，風電機組的運行點會發生變化，由此導致風電機組的動態特性在不同時間點下的差異，這也體現為風電機組的開環振蕩模式和留數的波動。因此，風速變化可能為開環模式耦合提供條件，從而出現次同步振蕩頻率漂移的現象。
圖1 風速與次同步振蕩失穩頻率的關系
新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、四川大學電氣工程學院的研究人員，從風速變化影響開環模式耦合條件的角度解釋了風電并網系統次同步振蕩頻率漂移的原因。
首先，推導風電機組受風速影響的振蕩模式：雙饋風機定轉子繞組和轉子側換流器電流內環控制主導的次同步振蕩模式的頻率；直驅風機直流電壓外環主導的振蕩模式的留數。然后，推導兩輸入兩輸出系統中振蕩模式之間發生強相互作用的條件——開環模式耦合。最后，基于雙饋風機-串補輸電系統和混合風電場并網系統算例，采用模式分析和非線性仿真，演示了風速變化過程中模式交互作用的強弱變化導致的頻率漂移的現象。
由此得出，風速的隨機性使得開環模式耦合條件具備了隨機性，在時變場景下模式間的不利交互作用使得弱阻尼或負阻尼次同步振蕩模式的頻率是動態變化的，由此出現了頻率漂移的現象。
研究人員得到的主要結論如下：
- 1）DFIG存在一個由定、轉子繞組和RSC電流內環控制主導的EMO模式，該模式的頻率與轉子轉速相關。DFIG或D-PMSG中存在一個由網側換流器直流電壓外環控制主導的振蕩模式，該模式的留數與網側換流器輸出電流大小有關。這兩種次同步振蕩模式與風速密切相關。
- 2）風速會改變DFIG EMO模式的頻率，進而影響DFIG EMO模式與串補振蕩模式間的交互作用的程度。在強交互作用下串補振蕩模式的阻尼會明顯降低，并且在模式交互作用強弱變化過程中弱阻尼或負阻尼次同步振蕩模式的頻率會發生漂移。
- 3）在混合風電場中，DFIG EMO模式會隨著風速變化依次與不同的其他風電機組的控制模式發生強交互作用，引發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直流電壓外環主導振蕩模式的留數會增大，使得該模式與其他控制模式的交互作用程度會加劇，從而導致弱阻尼或負阻尼的次同步振蕩模式以及頻率的漂移。
風速和并網風機數量決定了風電場動態特性的時變性，本文研究的是風速這一因素引發的開環模式耦合。類比本文結論，并網風機數量的變化也可能存在類似現象，這將有可能拓展現有文獻關于并網風機數量引發頻率漂移的結論。
下一步的研究方向是次同步振蕩頻率漂移的控制方法，基于本文的研究結論，以消除開環模式耦合條件、減弱模式間的相互作用程度為目的，通過重新配置換流器控制參數或者附加阻尼控制器，保證并網風電機組在多風速下的安全穩定運行。
以上研究成果已發表在2020年第1期《電工技術學報》，論文標題為“風電并網系統次同步振蕩頻率漂移問題”，作者為王洋、杜文娟、王海風。
