基于频域阻抗模型的双馈风电场次同步振荡研究

基于频域阻抗模型的双馈风电场次同步振荡研究

李中飞沈杨李圣言张阳

（国网安徽省电力公司检修公司安徽省合肥市230601）

摘要：本文建立考虑网侧换流器和转子换流器在内的DFIG等效频域阻抗模型，然后推导出了适用于双馈风电经串补外送时风电次同步振荡的频域阻抗分析方法，并在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了模型，验证了该分析方法的合理性。最后研究了双馈风电经串补外送系统SSO特性的影响因素。结果表明，串补度、风速、风机并网台数以及DFIG控制回路参数均会对系统SSO特性造成影响。

关键词：DFIG；串联电容补偿；风电次同步振荡；等效频域阻抗

1概述

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[1-3]。关于火力发电系统次同步振荡问题的研究已经较为普遍，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[4，5]。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双馈风力发电机建模

图2-1所示为转子侧换流器的级联控制结构，内环实现电流跟踪，外环分别完成定子无功控制和转子转速控制。

转子侧换流器主要有两个作用，即控制DFIG定子侧所发出的有功功率和调节DFIG定子侧无功功率。控制DFIG定子侧所发出的有功功率是通过控制DFIG的转速，实现最大功率追踪，从而控制DFIG定子侧所发出的有功功率；而调节DFIG定子侧无功功率通过控制DFIG转子励磁电流实现。

图2-1转子侧控制框图

图2-2所示为网侧变流器的级联控制结构，内环实现电流跟踪，外环则分别完成直流电压控制和机端电压控制。

网子侧换流器主要有两个作用，即保证换流器良好的输入特性和直流母线电压的稳定。网侧换流器能够获得任意可调的功率因数，而直流母线电压的稳定则是通过对输入电流的控制实现

图2-2网侧控制框图

3基于频域阻抗模型的双馈风电场次同步振荡分析研究

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SSO收敛；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。

选取工况为3m/s时，认为风电场所有风机输入功率均对应3m/s时的功率大小，此时单台DFIG频域阻抗的特性曲线如图3-1所示。

图3-1风速为3m/s时算例系统单台DFIG等效频域阻抗频率特性

分析图3-1可知，在次同步频率范围内，DFIG等效频域阻抗的虚部在某些频率范围内表现为负值，，而在其他次同步频率范围内表现为正值；而对应的在一些频率范围内，DFIG等效频域阻抗的实部在某些频率范围内表现为负值，而在其他次同步频率范围内表现为正值。这就可能在某种工况下，系统等效阻抗虚部为0，且虚部过零点对应的频率在次同步频率范围内，对应的系统等效阻抗实部为负时，系统将会出现次同步振荡发散，若对应的系统等效阻抗实部为正时，系统将会出现次同步振荡收敛。若系统等效阻抗虚部在次同步频率范围内不存在过零点，系统则没有次同步振荡的风险。

图3-2风速为3m/s时算例系统等效频域阻抗Z（s）频率特性曲线

图3-2所示，由Matlab计算得到的风速为3m/s时算例系统等效频域阻抗Z（s）频率特性曲线，由此可以看出，在系统等效频域阻抗Z（s）虚部过零时，即图中红色直线所示频率点处，系统等效频域阻抗Z（s）实部对应的值为负，那么就可以判断，此种工况下，系统存在次同步振荡发散的风险，通过接下来仿真分析也验证了这点。

4算列分析

4.1风速对系统SSO的影响

4.1.1频域阻抗法分析结果

假设有1200台DFIG并网运行，且RSC控制器PI增益参数为0.08，在不同风速工况下，基于分析方法采用数值计算得到系统频域等效阻抗虚部是否存在过零点，以及存在过零点时实部正负随风速变化的情况，结果如下表。

表4-1系统等效阻抗特性随风速变化情况

4.1.2时域仿真验证

采用PSCAD/EMTDC仿真分析风速对SSO特性的影响，仿真时间为10s，并网DFIG台数为1200台，RSC电流跟踪控制器PI增益为0.08。仿真刚开始时串补退出运行，5s时投入串补，通过设置不同的风速，观察在不同风速条件下系统SSO的收敛情况。

图4-1风速分别为4m/s、6m/s、8m/s、15m/s时串补线路

电流SSO分量示意图

通过对比数值计算的结果和仿真分析FFT的结果，可以看到随着风速的增大，系统次同步振荡由发散逐渐收敛，而系统等效频域阻抗的虚部过零点对应的实部也由负变正，两种分析结果一致。

4.2DFIG并网台数对系统SSO的影响

4.2.1频域阻抗法分析结果

假设风速为6m/s，且RSC控制器PI增益参数为0.08，在不同并网风机台数下，基于分析方法采用数值计算得到系统频域等效阻抗虚部是否存在过零点，以及存在过零点时实部正负随风速变化的情况。

表4-2系统等效阻抗特性随风速变化情况

4.2.2时域仿真验证

采用PSCAD/EMTDC仿真分析并网风机台数对SSO特性的影响，仿真时间为10s，风速为6m/s，RSC电流跟踪控制器PI增益为0.08。仿真刚开始时串补退出运行，5s时投入串补，通过设置不同的并网风机台数，观察在不同并网风机台数下系统SSO的收敛情况。

图4-2并网风机台数分别为800、1200、1600、2000时串补线路

电流SSO分量示意图

通过对比数值计算的结果和仿真分析FFT的结果，可以看到随着并网风机台数的增大，系统次同步振荡收敛速度变慢。

4.3RSC控制回路参数对系统SSO的影响

4.3.1频域阻抗法分析结果

假设风速为6m/s，并网风机台数为1200台，在不同PI增益参数下，基于分析方法采用数值计算得到系统频域等效阻抗虚部是否存在过零点，以及存在过零点时实部正负随风速变化的情况。

表4-3系统等效阻抗特性随PI增益参数变化情况

4.3.3时域仿真验证

采用PSCAD/EMTDC仿真分析并网风机台数对SSO特性的影响，仿真时间为10s，风速为6m/s，并网风机台数为1200台。仿真刚开始时串补退出运行，5s时投入串补，通过设置不同的PI增益参数，观察在不同PI增益参数下系统SSO的收敛情况。

图4-3PI增益参数分别为0.02、0.04、0.08、0.12时串补线路

电流SSO分量示意图

通过对比数值计算的结果和仿真分析FFT的结果，可以看到随着PI增益参数的增大，系统次同步振荡收敛速度逐渐变小，且由收敛逐渐发散，而系统等效频域阻抗的虚部过零点对应的实部也由正变负，两种分析结果一致。

5结语

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]宋少帅.双馈风力发电机次同步轴系扭振作用研究[D].北京.华北电力大学.2015.

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