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近年來大規(guī)模風(fēng)電機群接入電網(wǎng)引發(fā)的次同步振蕩（Subsynchronous Oscillation, SSO）問題得到了廣泛關(guān)注，典型事件如河北沽源地區(qū)風(fēng)電場（以雙饋風(fēng)機為主）經(jīng)串補輸電線路并網(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（以直驅(qū)風(fēng)機為主）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態(tài)變化，主要體現(xiàn)為同一風(fēng)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(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。

現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩機理的研究已經(jīng)開展了較多，從研究對象來劃分，以雙饋風(fēng)機-串補輸電系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)機-弱交流電網(wǎng)系統(tǒng)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(fēng)電機組的動態(tài)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(wěn)定性的參數(shù)條件。

雖然目前大量文獻呈現(xiàn)了多種因素對次同步振蕩阻尼和頻率的影響規(guī)律，但是并未對頻率漂移的現(xiàn)象給出進一步的機理解釋。

• 有學(xué)者針對雙饋風(fēng)機-串補輸電系統(tǒng)，采用時域仿真、模式分析和等效電路研究了并網(wǎng)風(fēng)機數(shù)量、風(fēng)速、線路參數(shù)和換流器控制參數(shù)對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-串補輸電系統(tǒng)的阻抗頻率特性。
• 有學(xué)者結(jié)合概率法和模式分析法，研究多運行方式下風(fēng)電串補系統(tǒng)的次同步振蕩特性。
• 有學(xué)者針對直驅(qū)風(fēng)機-弱交流系統(tǒng)，采用模式分析、時域仿真和阻抗分析法研究電網(wǎng)強度、并網(wǎng)風(fēng)機數(shù)量、網(wǎng)側(cè)換流器控制參數(shù)對次同步交互特性的影響。

然而，對于實際運行的電力系統(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)一的機理，是本文研究的出發(fā)點和所要解決的關(guān)鍵問題。

開環(huán)模式分析方法從模式相互作用的觀點解釋了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的現(xiàn)象：當(dāng)一臺風(fēng)電機組的開環(huán)振蕩模式靠近系統(tǒng)中其他動態(tài)元件的開環(huán)振蕩模式時，相應(yīng)的兩個閉環(huán)振蕩模式將會發(fā)生互斥，從而導(dǎo)致其中一個閉環(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)拓撲結(jié)構(gòu)的參數(shù)、風(fēng)電機組的輸出功率會影響開環(huán)模式耦合條件，進而引發(fā)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(fēng)速的隨機性，風(fēng)電機組的運行點會發(fā)生變化，由此導(dǎo)致風(fēng)電機組的動態(tài)特性在不同時間點下的差異，這也體現(xiàn)為風(fēng)電機組的開環(huán)振蕩模式和留數(shù)的波動。因此，風(fēng)速變化可能為開環(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)國家重點實驗室（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)電機組受風(fēng)速影響的振蕩模式：雙饋風(fēng)機定轉(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)生強相互作用的條件——開環(huán)模式耦合。最后，基于雙饋風(fēng)機-串補輸電系統(tǒng)和混合風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)算例，采用模式分析和非線性仿真，演示了風(fēng)速變化過程中模式交互作用的強弱變化導(dǎo)致的頻率漂移的現(xiàn)象。

由此得出，風(fēng)速的隨機性使得開環(huán)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(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(fā)生漂移。
• 3）在混合風(fēng)電場中，DFIG EMO模式會隨著風(fēng)速變化依次與不同的其他風(fēng)電機組的控制模式發(fā)生強交互作用，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(dǎo)致弱阻尼或負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)機數(shù)量決定了風(fēng)電場動態(tài)特性的時變性，本文研究的是風(fēng)速這一因素引發(fā)的開環(huán)模式耦合。類比本文結(jié)論，并網(wǎng)風(fēng)機數(shù)量的變化也可能存在類似現(xiàn)象，這將有可能拓展現(xiàn)有文獻關(guān)于并網(wǎng)風(fēng)機數(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)電機組在多風(fēng)速下的安全穩(wěn)定運行。

以上研究成果已發(fā)表在2020年第1期《電工技術(shù)學(xué)報》，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題”，作者為王洋、杜文娟、王海風(fēng)。