双馈风电机组次同步谐振分析与抑制对策研究

双馈风电机组次同步谐振分析与抑制对策研究

张岩

国华（和硕）新能源有限公司 新疆维吾尔自治区和硕县  

摘要：双馈风电机组在风力发电中是非常重要的设备，我们要注意其控制器以及串补输电系统之间的关联，他们的相互作用可能会产生风电场次同步谐振现象，我为此翻看了诸多文献，对此进行了深入研究，想探究陷波器是否对双馈风电机组控制器与次同步谐振电路之间产生作用，在实现次同步谐振基础上结合陷波器以及阻尼控制器次同步谐振综合意识方法，希望为风电次同步谐振问题解决有所帮助。

关键词：风电机组；同步谐振；分析对策

在风电的传输过程中，通常情况下会对输电系统进行串联补偿，来实现电路的高效传输，但是我们都知道这其中的缺陷，电能在传输的过程中非常容易出现次同步谐振的问题，风电机组更多的是多项联合排列，这就对风电基地产生比较严重的影响，也对外送系统会产生比较大的问题，就比如华能伊敏发电厂有过出现次同步振荡的情况，甚至某地区风电场直接发生了次同步谐振的事故，后果是直接导致了部分风电机组脱离工作，危险系数是比较大的，正因为如此，对风电场次同步现象进行研究与对风电场次同步谐振抑制(sub-sychronous resonance, SSR )是显得十分重要。

1电力系统次同步谐振概述

电力系统次同步谐振，更多的是指发电机与具有串联补偿的输电线路进行耦合反应，从而两者产生的机电振荡行为，我们可以根据其产生的原因以及后果来分类，比如感应发电机（induction generator effect, IGE）效应，机电扭转相互作用，暂态力矩放大（transient torque amplification, TTA ），除了这些，还有我们本文章打算讨论的风电机组的次同步谐振现象，众所周知，风电机组与普通的火电机组是不一样的，这种现象的振荡速率是变流器控制以及电气系统结构影响的。我所查阅的文献1对三种不同的类型风电机组和它们分别有可能产生的次同步振荡问题进行研究，文献2其中介绍了利用频率扫描的方法对风电机组中风速，串流互补引起的IEG问题进行考证与分析，我翻看文献3和文献4，两部分都对我想探究的双馈风力发电机组进行了详细分析，对其模型进行的创新性的解读，其中有利用特殊值来进行分析，对次同步谐振产生的原因进行了分析，我在此总结出其三个特点，首先就是串补度的问题，其次就是风速与电流内环控制参数，文献2和文献4都对风力机组中定子，转子电磁转换与其变化量之间的阻尼特性，利用此来对双馈机组次同步谐振进行考量。文献5则是利用包含高通滤波器的转子侧附加阻尼控制器跟踪谐振电流信号,使次同步频率下的风电机组呈现正阻尼特性,从而有效抑制SSR的发生。此外，还可以使用FACTS设备,如SVC, TCSC, STATCOM, SSSC和UPFC等,实现对风电机组次同步振荡的抑制。

2次同步控制作用引发次同步谐振原理

我们对次同步谐振分析可以得出来，如下图所示。

这其中 是GSC滤波电抗器， 是变压器，R与X事故电阻与电感， 是电容，那么其自然谐振频率为

其实也可以化简为：

其中K<1,fer

2.1次同步谐振中电流与转子控制器的变化

假如认定风电机组产生了次同步谐振，那么电路中三相电路中表达式为：

这组序列式中， 代表其中三相电流的瞬间数值的采样，W0是电网频率，Is为定子电流数值，Ier为谐振电流，其表达式为。

根据上面这些序列式可以分析出，我们在特定环境下测量的定子，转子电流，比如在d或者q轴上，都呈现一定频率（w0-wer）中的干扰项，与次同步谐振频率互补，这就意味着转子控制器不是一直输入，而是发生了畸变，这就对PI控制器造成了影响，使其数值不准确，而风电机组更多的是闭环操作，在这个前提下，系统调制的电压使转子谐振增加，最终造成了风电机组的电压电流发散。

针对于双馈风电机组进行建模，可呈以下图所示。

在图中我们可以分析出， 是风电机组中的定子与转子电感器以及RSC控制器， 则是GSC控制器与滤波电抗器相连， 则作为阻抗，分布在风电机组出口以及内网回路上，我们以转子侧控制器为例进行建模，则其表达式能够是：

这其中， ， 是PI控制环节的控制比例， 就是d与q轴上电流值，除了这些以外Ws是滑差角频率，Wr是转子角频率。

这其中负向量表达式为：

3风电机组次同步谐振抑制策略

3.1陷波器

我翻阅文献可以看出，想要控制次同步谐振电流使用陷波器是比较有效的方法。我对此的看法是当闭环电路上出现次同步谐振电流的时候，转子控制器可能会出现以（ ， ）为基础频率的电流，通常都会产生一定程度的扰乱作用，从这个角度上来看，滤波的方式能够非常明显且有效的阻断谐振电流，实现对次同步谐振的抑制，为了展现陷波器对其进行控制的效果，其表达式为：

下图为ANF曲线

根据上图可以分析出来，利用控制器对转子侧电流进行控制滤除之后，剩下 就是单纯的输入量，这种方法简单有效，操作比较方便，只要线路出现了谐振频率，就可以利用转子控制器进行剔除，但是这种方法适用性是有限的，频率差的比较大的时候，就超出了普通陷波器使用的范围。

3.2转子控制器加阻尼抑制

针对转子控制器附加阻尼抑制也是一种非常成功的方法，可以在高通滤波器基础上进行阻尼控制器的加入，首先高通滤波器( high- pass filter, HPF，由比例-微分控制器构成proportional derivative , PD)能够对稳定的信号输入进行阻止，不改变谐振信号中的频率，根据这种作用就能完美的兼顾我们所需要的功能，对转子电流进行控制过滤。转子侧附加阻尼控制器控制框图如图所示。

转子附加阻尼控制器电流图

4结论

文章对双馈风电机组控制器产生的次同步控制进行简要的分析，我对此的看法是基本上首先先是双馈风电机组中的转子控制器与次同步谐振电流存在某种联系，我翻阅文献总结了陷波器的使用以及对控制器附加阻尼两种效果比较好的方法，本次研究的结果大概呈现出两个特点，其一就是次同步谐振会非常明显的影响相对应控制器的准确性，我们从中可以分析比较明显的是控制器对信号的输入影响到了次同步谐振频率，对此根据我的观察以及资料的搜索使用陷波器能够对频率进行有效的控制，使控制器受到的影响降低从而保证控制器的准确性。其二就是利用转子控制器附加阻尼的特性对电流进行控制，让系统产生次同步谐振的时候恢复正阻尼特性，实现控制次同步谐振。

参考文献：

[1]廖坤玉,陶顺,姚黎婷,肖湘宁,杨琳.双馈风机经串补并网引起的时变次同步谐振概率评估[J].电网技术,2020,44(03):863-870.

[2]高仕红. 双馈型风电机组变流器控制策略及转子暂态行为分析[D].华中科技大学,2019.

[3]陈雅皓. 考虑静止无功补偿器的风电并网系统次同步振荡问题研究[D].华中科技大学,2019.

[4]王贝. 双馈风电场等值建模及其并网系统的次同步振荡研究[D].华南理工大学,2019.

[5]程超. 双馈风电场串补并网的次同步振荡抑制策略研究[D].重庆理工大学,2019.