禹華軍

（上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海200241）

雙饋風(fēng)電機組并網(wǎng)次同步振蕩研究

禹華軍

（上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海200241）

首先基于次同步振蕩理論，研究了雙饋風(fēng)電機組在弱電網(wǎng)并網(wǎng)情況下的機組脫網(wǎng)問題。研究發(fā)現(xiàn)，輸電線路的串補投入和變流器控制策略對低頻振蕩敏感的因素導(dǎo)致了次同步振蕩的發(fā)生；然后提出一種在網(wǎng)側(cè)變流器中加入帶阻尼特性的特定濾波器策略，該策略能夠有效抑制風(fēng)電機組與電網(wǎng)之間的振蕩；最后，仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。

雙饋風(fēng)電機組；次同步振蕩；濾波

引言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，有著良好的經(jīng)濟性和環(huán)境影響小的特點。但是，風(fēng)電裝機容量的不斷增加，也給電網(wǎng)帶來諸多問題。我國風(fēng)電資源與負荷中心逆向分布，風(fēng)電的大規(guī)模外送成為了亟待解決的問題，遠距離輸電和跨區(qū)間交流輸電系統(tǒng)受其暫態(tài)穩(wěn)定極限的制約，在提升傳輸容量這一發(fā)展水平遇到發(fā)展瓶頸。

目前提高穩(wěn)定極限的有效手段之一是利用串聯(lián)補償技術(shù)，通過在輸電線路中增添串聯(lián)電容器裝置，可有效地減小傳輸線路中的電抗值，進而縮小線路兩端相角差，可以得到較大的傳輸功率，并在穩(wěn)定裕度上有較大的提升。最近幾年，雙饋風(fēng)電場經(jīng)由串聯(lián)補償輸電線路接入電網(wǎng)的次同步諧振問題也開始受到關(guān)注［1-5］。采用串聯(lián)補償措施的輸電系統(tǒng)，加上原有的變壓器、線路等部件形成的輸電網(wǎng)絡(luò)，對風(fēng)電接入的整體線路阻抗產(chǎn)生了改變，可能會誘發(fā)風(fēng)電機組的次同步振蕩，影響風(fēng)電場以及外送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

本文結(jié)合華北某風(fēng)電場的低風(fēng)速脫網(wǎng)情況，研究了雙饋風(fēng)電機組在弱電網(wǎng)運行條件下的并網(wǎng)特性和次同步振蕩產(chǎn)生的原理，提出通過變流器控制策略優(yōu)化抑制次同步振蕩發(fā)生的方法，并進行了仿真對比分析。此方法在工程項目上已得到實際應(yīng)用和有效驗證。

1　雙饋風(fēng)電機組次同步振蕩特征

1.1現(xiàn)場實測故障特征

某風(fēng)電場發(fā)生批量脫網(wǎng)過程，其故障有以下幾個特征：

（1）脫網(wǎng)故障時風(fēng)場平均風(fēng)速在4～6 m/s，大風(fēng)時無此現(xiàn)象。

（2）故障時機組輸出表現(xiàn)為：①三相電流不平衡故障，伴隨變流器故障停機；②變流器報直流母線電壓高，Crowbar動作。這兩類故障不同時發(fā)生在一臺機組上，且沒有規(guī)律。

（3）故障發(fā)生時電網(wǎng)電壓未出現(xiàn)明顯異常。

圖1是在某次典型諧振過程中，風(fēng)電機組出口測得的電流波形。由圖可見網(wǎng)側(cè)變流器電流的振蕩現(xiàn)象明顯，頻率約為8 Hz；變流器轉(zhuǎn)子側(cè)電流并未觀察到振蕩現(xiàn)象，但波形畸變較為嚴重；直流母線電壓在此次振蕩過程中保持恒定，約為1.1 kV；電網(wǎng)電壓未出現(xiàn)振蕩。分析后發(fā)現(xiàn)，此風(fēng)電場出現(xiàn)低頻振蕩的現(xiàn)象與電網(wǎng)端串補的投入動作有直接相關(guān)性。

圖1　變流器錄波數(shù)據(jù)Fig.1 Record data in converter

1.2仿真分析故障特征

為研究此項目的故障特征，參照該項目電網(wǎng)接入以及風(fēng)電機組的等效模型，建立了風(fēng)電機組經(jīng)固定串補接入無窮大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，并用PSCADA建立了其仿真模型。

圖2　雙饋風(fēng)電機組接入無窮大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Sturcture of wind turbines connected into the infinity grid system

對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)注入畸變諧波，采用頻率掃描，在次同步振蕩頻率域內(nèi)連續(xù)改變注入電流的頻率對風(fēng)電系統(tǒng)進行頻率掃描。應(yīng)用Matlab進行快速傅立葉變換FFT（fast fourier transform）分析，得到頻率阻抗特性曲線，如圖3所示。由圖得到，串補度為7.6%、總等效串補度為2.6%時，諧振頻率為8 Hz，串補度和諧振頻率與實際情況相近。進一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速降低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低，此時系統(tǒng)阻尼會減??；而隨著串補容抗的增加，系統(tǒng)的諧振頻率會升高，但整個系統(tǒng)阻尼也會減小。這一特征也符合實際運行時風(fēng)速小更容易故障脫網(wǎng)的現(xiàn)象。

圖3　系統(tǒng)頻率阻抗曲線Fig.3 Curves of system frequency impedance

2　次同步振蕩的形成機理

對于風(fēng)電-串補輸電系統(tǒng)中的次同步振蕩SSO （sub-synchronous oscillation）問題，通常根據(jù)其主導(dǎo)固有頻率及表征將SSO分為3種形態(tài)，即感應(yīng)發(fā)電機效應(yīng)IGE（induction generator effect）、次同步扭振相互作用SSTI（sub-synchronous torque interaction）和次同步控制相互作用SSCI（sub-synchronous control interaction）［6，7］。

2.1感應(yīng)發(fā)電機效應(yīng)

感應(yīng)發(fā)電機效應(yīng)源于發(fā)電機轉(zhuǎn)子對次同步頻率電流所表現(xiàn)出的視在負電阻特性，當轉(zhuǎn)子對次同步電流的等效負值電阻大于定子和輸電系統(tǒng)在該諧振頻率下的等效電阻之和時，就會產(chǎn)生電氣自激振蕩。

圖4　感應(yīng)發(fā)電機效應(yīng)機理分析等效電路Fig.4　Equivalent circuit of mechanism analysis of IGE

根據(jù)目標對象風(fēng)場發(fā)生的歷次次同步諧振背景的分析，諧振均發(fā)生于風(fēng)速較低情況下，也就是發(fā)生在滑差s為負的次同步狀態(tài)。在該風(fēng)況下，轉(zhuǎn)子等效電阻導(dǎo)致的負阻尼特性使得系統(tǒng)諧振，具有IGE的基本特征。但是，IGE并不能完全解釋目標風(fēng)場的諧振機理。一方面，根據(jù)IGE的原理，只有在系統(tǒng)諧振頻率fer與轉(zhuǎn)子頻率fr接近時，負阻尼的絕對值最大。而在目標對象諧振中，fer約為8 Hz，而即便在最低轉(zhuǎn)速下，fr達到最小值約33 Hz，二者相差較大。另一方面，雙饋風(fēng)機變流器的控制參數(shù)對諧振現(xiàn)象也有影響，控制系統(tǒng)在其中發(fā)揮了不可忽視的作用。因此，IGE機理能夠部分解釋目標對象風(fēng)電-串補輸電系統(tǒng)次同步諧振機理，但還不能完全的利用該機理來進行分析。

2.2次同步扭振相互作用

次同步軸系扭振相互作用是由于高壓直流輸電HVDC（high voltage direct current）及柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS（flexible AC transmission system）等電力電子裝置控制器參數(shù)設(shè)置不合理引起［8］。電力電子控制器在次同步頻率下對功率、電流等的快速控制或響應(yīng)，會影響到發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相位差，如果電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相位差超過90°，這些裝置就會給發(fā)電機引入負阻尼，從而引起發(fā)電機軸系的次同步增幅振蕩。與火電機組不同，風(fēng)機的軸系自然扭振頻率較低，需要很高的串補度才能激發(fā)軸系扭振模態(tài)。

機組振蕩時的8 Hz頻率與機組傳動鏈固有頻率（2～3 Hz）差別較大，所以排除了次同步扭振作用因素。

2.3次同步控制相互作用

次同步控制相互作用是風(fēng)力發(fā)電機組的變流器與串補線路之間的相互作用。SSCI與發(fā)電機組的軸系扭振頻率無關(guān)，振蕩頻率完全取決于變流器控制以及電氣輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，因此不存在固定的振蕩頻率。此外，由于與機械系統(tǒng)無關(guān)，其電壓和電流的振蕩發(fā)散速度遠快于傳統(tǒng)的次同步振蕩。當系統(tǒng)發(fā)生擾動產(chǎn)生諧波電流后，如果變流器的控制不能在第一時間檢測識別到干擾信號的存在并加以控制，則變流器與線路之間就可能產(chǎn)生振蕩電流。

該風(fēng)場風(fēng)電機組所用變流器采用的是傳統(tǒng)的SVPWM控制方式。在此種控制模式下，當系統(tǒng)發(fā)生擾動時，電網(wǎng)電壓的諧波分量在經(jīng)過dq變換后會總用在矢量控制的有功分量上，從而使得最終的輸出電流（網(wǎng)側(cè)電流）中含有了某種諧波或者振蕩的波動特性。而這種波動電流在經(jīng)過dq變換后，并不能在具有直流特性的控制環(huán)路中實現(xiàn)精確有效的控制，因此會加劇輸出電流的振蕩，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)而故障停機。

3　抑制次同步振蕩的方法

根據(jù)次同步振蕩產(chǎn)生的機理，抑制次同步振蕩可以從2種途徑著手。第1種是改變次同步作用回路特性的方法，是調(diào)整線路上串聯(lián)補償電容器的運行方式，但是串補電容的取值與輸電線路的輸送能力密切相關(guān)，系統(tǒng)等效串補度過低不利于系統(tǒng)的安全性能穩(wěn)定，因此不作為本文研究內(nèi)容；第2種改變次同步作用回路特性的方法，是優(yōu)化變流器的控制策略。而優(yōu)化控制策略中一種直接的方法是優(yōu)化控制器的參數(shù)，分析表明風(fēng)電場次同步振蕩對網(wǎng)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)電流環(huán)的PI控制參數(shù)十分敏感。

圖5　網(wǎng)側(cè)變流器改進控制框圖Fig.5 Block diagram of improved control for grid side converter

為了抑制低頻擾動帶來的網(wǎng)側(cè)變流器控制不穩(wěn)定問題，本文提出一種變流器網(wǎng)側(cè)控制的改進方案。變流器網(wǎng)側(cè)電流的波動將會以雙倍頻方式體現(xiàn)在直流母線電壓上，因此在直流側(cè)電壓控制的PI輸出加低通濾波LPF，通過dq0變換得到參考補償電流，對網(wǎng)側(cè)電流波動起到抑制作用。傳統(tǒng)的dq控制法對振蕩電流的跟蹤控制誤差較大，此改進方案中將兩相電流跟蹤改為三相瞬時電流跟蹤，可以有效提升跟蹤精度。改進后的控制框圖如圖5所示。其中，Udc為直流母線電壓，Usa、Usb、Usc分別為網(wǎng)側(cè)三相電壓，iabc為網(wǎng)側(cè)電流，LPF為一階低通濾波器。

為驗證該控制策略的有效性，在第1節(jié)提到的PSCAD仿真模型中建立了變流器網(wǎng)側(cè)控制的詳細模型。根據(jù)前述現(xiàn)場故障特征和仿真模型頻率掃頻結(jié)果，該機型對8 Hz的低頻擾動最為敏感。圖6為仿真100臺機組在4～6 m/s風(fēng)速并網(wǎng)發(fā)電的網(wǎng)側(cè)電流波形，在仿真第1.0 s時模擬電網(wǎng)串補投入，由圖6（a）可以看到，網(wǎng)側(cè)電流上逐漸疊加出現(xiàn)了約8 Hz的低頻分量，此時變流器網(wǎng)側(cè)控制采用傳統(tǒng)的dq變換控制。圖6（b），為提取A相電流中出現(xiàn)低頻分量的局部放大波形。此時，網(wǎng)側(cè)電流不僅出現(xiàn)一定的畸變成份，同時在50 Hz波形上又疊加了約8 Hz的低頻分量。這說明該變流器控制模型對8 Hz的低頻量敏感，出現(xiàn)次同步控制相互作用的特征。

圖7為變流器網(wǎng)側(cè)控制改進后網(wǎng)側(cè)三相電流波形。同樣，在仿真第1.0 s時模擬電網(wǎng)串補投入。由圖可知，圖7（a）中網(wǎng)側(cè)電流未出現(xiàn)低頻分量的疊加，圖7（b）中局部放大波形無畸變。說明改進控制策略后的網(wǎng)側(cè)電流波形得到了很好的改善，對電網(wǎng)中可能存在的8 Hz低頻分量產(chǎn)生有效抑制。同時，此方法對網(wǎng)側(cè)電流的畸變也起到很好的同步抑制作用。

由上述給出的改進控制策略的仿真波形可得到如下結(jié)論：網(wǎng)側(cè)變流器對次同步振蕩的影響大，采用改進網(wǎng)側(cè)變流器的控制算法，能對振蕩產(chǎn)生有效的阻尼作用，改進網(wǎng)側(cè)變流器的三相電流波形，從而達到抑制次同步振蕩的作用。雖然在串補投入瞬間仍可能產(chǎn)生振蕩，但是新的策略能阻止其進一步擴展。

圖6　100臺機組并網(wǎng)時網(wǎng)側(cè)電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of grid side current for 100 wind turbines

4　結(jié)語

雙饋風(fēng)電機組接入弱電網(wǎng)時，如果變流器的控制策略設(shè)置不當，將可能導(dǎo)致次同步振蕩的出現(xiàn)。本文在研究了風(fēng)電機組接入網(wǎng)絡(luò)和機組本身的控制特性基礎(chǔ)上，提出了通過變流器控制策略中加入特定濾波環(huán)節(jié)的方式，能夠有效抑制振蕩的形成。此方法在某風(fēng)場得到批量應(yīng)用，在運行中有效解決了風(fēng)電場頻繁脫網(wǎng)問題。但是，由于輸電線路的串補特性也可能隨著風(fēng)電接入容量的變化而發(fā)生改變，因此在設(shè)計變流器濾波環(huán)節(jié)時需考慮一定的適用范圍。

圖7　網(wǎng)側(cè)逆變器改進后網(wǎng)側(cè)電流波形Fig.7 Waveforms of grid side current for improved control converter

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Research on Sub-synchronous Oscillation of Double-fed Wind Turbine

YU Huajun （Shanghai Electric Wind Power Equipment Co.，Ltd.Shanghai 200241，China）

First，the abnormal off-grid failure of double-fed wind turbine connected into weak power grid is researched based on the theory of sub-synchronous oscillation.The excessive serial compensation used in the transmission system and the control of converter sensitive factor to the low frequency components in grid led to the subsynchronous oscillation.One filter with the damping of sub-synchronous oscillation is designed in the control of grid side converter.The oscillation between the wind turbine and the grid can be suppressed by this new control strategy，which is validated with the simulation results.

double-fed wind turbine；sub-synchronous oscillation；filter

禹華軍

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.147

TM921

A

2016-05-23

禹華軍（1977-），男，博士，高級工程師，從事風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域電氣與控制方面的研究，E-mail：yuhjsh@163.com