摘 要

本文研究了风电接入弱同步支撑柔性直流输电系统的次同步振荡分析及抑制方法，首先，建立了弱电网条件下双馈风电机组接入柔性直流输电系统在复频域下的阻抗模型，然后，结合简化分析后的系统整体等效阻抗模型，分析了风电接入弱同步支撑柔性直流输电系统中次同步振荡的产生机理，研究结果表明在弱电网下，由于长线路的等效阻抗与双馈风力发电机组的等效阻抗以及柔性直流输电系统的等效阻抗构成的谐振电路满足系统总阻抗中的等效电抗值为零且系统总阻抗中的等效电阻值为正的条件，在系统中产生了持续的自激振荡。基于以上分析，提出一种在柔性直流输电系统整流侧电流内环控制中附加反馈的补偿手段来应对风电接入弱同步支撑柔性直流输电系统中产生的次同步振荡影响。

关键词：弱电网、双馈风电机组、柔性直流输电系统、次同步振荡

ABSTRACT

In this paper, the subsynchronous oscillation analysis and suppression method of wind power access weak synchronous support flexible HVDC transmission system is studied. Firstly, the impedance model of the double-fed wind turbine connected to the flexible HVDC transmission system in the complex frequency domain under weak grid conditions is established. Combined with the simplified equivalent impedance model of the system, the mechanism of the subsynchronous oscillation in the weak synchronous support flexible HVDC transmission system is analyzed. The results show that under the weak grid, the equivalent impedance of the long line and the double The resonant circuit composed of the equivalent impedance of the wind turbine generator and the equivalent impedance of the flexible DC transmission system satisfies the condition that the equivalent reactance value in the total impedance of the system is zero and the equivalent resistance value in the total impedance of the system is positive. There is a continuous self-oscillation. Based on the above analysis, a compensation method for additional feedback in the rectifier inner current loop control of flexible DC transmission system is proposed to cope with the subsynchronous oscillation effect generated by the wind power connection weak synchronous support flexible DC transmission system.

Keywords: weak grid, doubly-fed wind turbine, flexible DC transmission system, subsynchronous oscillation

目录

1绪论 1

1 .1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.3本文主要研究内容以及章节安排 7

1.3.1本文主要研究内容 7

1.3.2本文的章节安排 8

2双馈风力发电系统结构、工作原理介绍及模型建立 9

2.1双馈风力发电系统介绍 9

2.1.1双馈风力发电机组的典型结构 9

2.1.2双馈异步风力发电机工作原理简介 9

2.2双馈风力发电机组模型建立 10

2.2.1双馈异步风力发电机数学模型 10

2.2.2双馈风力发电机组变流器的数学模型 11

2.2.3双馈异步风力发电机的阻抗模型 13

2.2.4双馈风力发电机组变流器的阻抗建模 13

3柔性直流输电系统构成及模型建立 16

3.1柔性直流输电系统介绍 16

3.1.1柔性直流输电系统的典型结构 16

3.1.2柔性直流输电系统的数学模型 16

3.1.3柔性直流输电系统的控制方法 17

3.2柔性直流输电系统阻抗模型建立 19

4风电接入弱同步支撑柔性直流输电系统的次同步振荡分析及抑制方法研究 21

4.1风电接入弱同步支撑柔性直流输电系统结构 21

4.2风电接入弱同步支撑柔性直流输电系统阻抗建模 21

4.3次同步振荡机理分析 23

4.4次同步振荡仿真验证 23

4.5次同步振荡抑制措施及仿真结果 25

4.5.1次同步振荡抑制措施 25

4.5.2次同步振荡抑制措施的仿真验证 26

5结论 27

参考文献 27

致谢 29

1绪论

1 .1研究背景与意义

近年来，我国的能源供给日益告急，在现阶段我国人民生活水平日益提高的大环境下，传统火力发电虽处于我国目前发电形式的主导地位，但是火力发电所引起的一系列与环境相关的问题已经不容忽视，在理论研究与生产建设中，可再生能源的开发与利用也受到了越来越多的关注与重视，其中风能是人们关注和探讨的热门话题^[1]。风能具有环保清洁、分布面积广、储存量大、能量密度较低以及不稳定的特点，与其他国家相比，我国幅员辽阔，气候条件丰富，因此风力资源相对充足。

风能是我国现阶段重要的新能源形式之一，风力发电技术也是当前我国新能源发电技术中发展运用较为成熟的一种方式，因此风力发电技术在实际生产建设中有着十分广泛的应用。在2018年，国家能源局为解决新能源发电的利用效率等问题，采取了一系列的方针政策，将工作重点放在如何高效地消纳可再生能源，保障新能源技术能够高标准、高质量地发展。以风能为例，图1.1展示了近两年来，我国可再生能源的发展趋势，图1.1中左侧为可再生能源装机容量发展趋势，在每一年度中，左侧数据为该年度风能装机总量，右侧为该年度可再生能源装机总量；右侧为可再生能源发电总量发展趋势，在每一年度中，左侧数据为该年度风力发电总量，右侧为该年度可再生能源发电总量。截止至2018 年底，我国的可再生能源装机总量已达到7.28 亿kW，相比于2017年增长了12%，占该年全部电力装机总量19亿kw的38.3%；其中，风力发电装机总量占可再生能源装机总量的25.3%，达到了1.84 亿kW，相比于2017年增长 12.4%；

截止至2018 年底，我国可再生能源发电总量已达到1.87 万亿kW·h，同比2017年增长了1 700 亿kW·h，占该年全部电力发电总量7万亿kW·h的26.7%；其中，风力发电总量占可再生能源发电总量的19.6%，达到了3 660 亿kW·h，相比于2017年增长了20% ^[2][3]。随着我国国力的发展以及科技的进步，清洁的可再生能源替代传统能源形式的作用也越来越明显。在现阶段，研究分析风力发电技术并网所产生的若干问题，是目前我国能源配置重组、环境质量改善以及人民生活水平提高的重要保障。在新能源发电技术的持续发展中，风力发电技术依然会是我国贯彻落实可持续发展战略的核心技术。

图1.1近两年我国以风电为参考对象的可再生能源发展趋势

在全球能源互联网的发展背景下，由于国民经济的飞速发展以及对能源供应的要求不断提升，电力系统在输电方面不断地迎接着全新的挑战。电网中送电距离加长、输送容量增大电能质量及稳定性提高等性能指标的提升对电力系统的发展提出了更高标准的要求，

在面对向无源负荷地带供电、远离负荷中心的可再生能源的发电并网以及微电网并网运行控制等问题时，传统的交流输电方式越来越难以满足要求，无法达到良好的效果^[4]-[5]。而随着电网中所运用的电力电子器件技术飞速发展、越来越多的可再生能源得到开发与利用，不仅促进了电力系统中能源配置的转变、能源结构的优化、能源效率的提高，并且还极大限度地提升了线路传输功率的能力，提高了可再生能源接入电网的占比。

随着新型大功率高电压全控电力电子器件（如IGBT）的诞生，使得PWM整流器技术逐渐趋于成熟，既可以实现整流的功能，又能够达到有源逆变的效果；同时，PWM整流器采用了控制更加灵活方便的软开关调制方法，减少了开通关断时的损耗；并且随着PWM整流器的功率等级逐渐升高电路结构越来越多样 ^[6]，PWM整流器技术在输电领域得到了更加广泛的应用。柔性直流输电（voltage source converter based HVDC, VSC-HVDC）正是基于此技术在输电领域发挥着十分强大的作用。

柔性直流输电技术（VSC-HVDC）具有能够对有功无功快速解耦控制、输出电压电流几乎不存在谐波分量、换相灵活方便、损耗小且成本低等优点，柔性直流输电能够对输电系统中的参数进行快速灵活地控制，具有良好的可控性与适应性，在促进大规模可再生能源接入电网、多端直流系统构建、向无源网络供电等场合发挥着独特的作用^[7]。柔性直流输电技术能有效地将直流电网与新能源技术并网相结合的输电方式，是现阶段研究与应用都较成熟的直流输电技术，在输电网络发展进程中也是构建全球能源互联网和实现输电网络智能化的关键技术。

随着风力发电技术的迅猛发展，大规模接入可再生能源的电力系统也面临着严峻的挑战，在风电接入弱同步支撑下的柔性直流输电系统时，由于系统中各部分的相互作用，会在系统中引发次同步振荡现象，为了保障风力发电的正常稳定运行，研究和分析由风电经弱同步柔性直流输电系统并网产生的此类不稳定现象具有很强的现实意义。根据现有研究表明，按照振荡时相互作用对象的不同，可以将风电并网系统中所产生的次同步振荡分为以下三类：第一类是次同步谐振（subsynchronousresonance，SSR），当风电机组轴系与电力系统串补电路构成谐振电路时，所引发的机电谐振现象，次同步谐振也可以分为感应发电机效应、扭转相互作用、暂态扭矩放大作用三种类型;第二类是装置引起的次同步振荡（subsynchronous torsional interactions，SSTI），SSTI是由于系统中采用了能快速控制能量流动的变流器之间的相互作用导致的风电机组轴系与电力电子控制器之间的振荡现象。第三类是次同步控制相互作用（sub-synchronous control interaction,SSCI），当系统中存在串补电路、或形成弱电网条件时，风力发电机组与其之间的相互作用所造成的次同步振荡;

现阶段研究远距离、高密度、大规模风电场并网时所产生的次同步振荡现象时，主要用到以下三种方法:第一，时域仿真法，此方法目的在于求解反映系统动态的微分方程组来得到各变量的响应曲线；第二，特征值分析法，此方法目的在于利用系统中状态矩阵的特征值来判断该系统的稳定性；第三，阻抗分析法，此方法目的在于根据复频域中的系统阻抗模型来分析系统的稳定性；对于远距离、高密度、大规模风力发电并网所产生的次同步振荡现象，现有的研究还存在以下几点局限性： 第一，目前研究中鲜有关于双馈风力发电机组经柔性直流输电并网系统次同步振荡产生机理的研究，而随着我国风能资源的开发与利用以及柔性直流输电系统的广泛应用，上述的输电结构在未来将会得到更为广泛地运用，因此需要对风电经弱同步支持下柔性直流输电系统中的若干问题进行深入调查研究；第二，现阶段关于风力发电并网稳定性的研究还仅限于分析风力发电机组侧产生的影响，若再考虑输电网络侧对系统并网稳定性的影响，则有在原有基础上出现与传统振荡机理相异的振荡的可能^[8]。

1.2国内外研究现状

我国风力资源充足的区域主要位于“三北”地区，大量的风力发电厂都建设在此地区，但“三北”地区的本身用电负荷小且地理位置偏远，会造成“三北”地区风电远距离并网的情况，而风电远距离并网则会导致电网变弱，因此需要采用诸如柔性直流输电的合理输电方式将电能传输到沿海地区的远距离用电负荷中心。针对弱电网这一概念，IEEE 输配电委员给出了明确的相关定义，本文研究内容背景建立在系统中的短路比参数大于2且小于3的弱电网条件下。

近年来，我国风力发电技术飞速发展，在实际生产建设中的得到了广泛的应用，因此对于风力发电机组在弱电网条件下运行控制所产生的若干问题不容忽视。当远距离风电接入柔性直流输电系统时，整个系统将呈现出弱同步支撑的状态，进而会在系统中产生次同步振荡现象，这种现象是指系统中振荡频率大于 2Hz 且小于 50Hz 的振荡现象，此类振荡现象会引起汽轮机组轴系的扭转振荡，对转子轴系的工作性能有着十分不利的影响，当振荡严重时还会致使转子轴系断裂，是电力系统安全稳定运行时的重大隐患。自上世纪70年代以来，国内外曾发生过多起因次同步振荡引起的事故，造成大型汽轮发电机组产生扭振致轴系损坏以及大规模的风力发电机组脱网；国内某柔性直流输电工程还因风电接入柔直时产生的次同步振荡导致电力系统停运，严重地危害到电力系统的安全运行，极大地影响了电能生产质量。因此，对于风电接入弱同步支撑柔性直流输电系统的次同步振荡分析及措施的研究具有重要的现实意义。

国内外众多学者对电力系统次同步振荡问题分析及其抑制措施做过大量的研究，国内外已发表的文献对于大规模风电并网系统的次同步振荡问题进行了大量的探讨与研究。文献[9]分析了大型风力发电场通过串补、弱电网以及直流输电系统并网所引起的次同步振荡的机理，并提出可以通过调整系统运行方式、设置合适的短路比等方法改变系统中的电气参数或是利用风电机组的转子变流器进行附加阻尼的控制手段使系统恢复正常稳定运行。但是文献仅提供理论方面研究，未给出实施方案后的结果。文献[10]分析并推导出在设计转子附加阻尼控制器时，风速以及风机输出有功功率对阻尼控制的灵敏度较大，应重点考虑；在设计电网参数时，应合理选择线路串补度、线路阻抗以及变压器上的电阻；在设计双馈风机变流器的参数时，应优先选择内外环控制中合理的比例参数。文中提出了一种适应不同风速的相位补偿控制方法，但是并未提供实施设计方案后的对比。文献[11]分析对比了双馈风电场中有功功率与无功功率的调节对系统中阻尼性质与大小的影响，得出有功功率与无功功率调节分别能为系统正阻尼所提供的相角范围，并比较了风电机组变流器控制中分别采用有功功率环附加阻尼控制与无功功率环附加阻尼控制后的效果，研究结果表明对双馈风力发电机组变流器中的无功功率环附加阻尼控制比对双馈风力发电机组变流器中的有功功率环附加阻尼控制有更好的为系统提供正阻尼的效果，且更不易导致风力发电机组轴系扭转波动，而对于有功和无功功率调节对系统阻尼系数的灵敏性分析还有待进一步研究。文献[12]分析并得出风速、双馈风机变流器控制参数及线路阻抗与风电并网系统中阻尼之间的关系，提出了一种在双馈风机转子侧变流器电流控制内环中附加阻尼控制器的方法来双馈风电并网时系统中的电气阻尼。研究结果表明当风速减小、双馈风电机组转子侧变流器电流内环控制的比例参数增大、积分时间常数减小以及线路阻抗中电阻减小时，双馈风电并网系统的电气阻尼会随着增大，从而加大触发SSCI的概率，但是对于设计方案实施后的对比，文献并未给出。

文献[13]研究得出双馈风电机组在经柔性直流输电系统并网时存在产生次同步振荡的风险，当并网系统中产生次同步振荡时，双馈风电机组呈现出负电阻与感性电抗的特征，柔性直流输电系统呈现出正电阻、容性电抗的特性，在一定条件下，两者之间的相互作用引发了次同步振荡。并且通过进一步的研究表明，当风电场中并网机组数增多、风速降低以及本地的容性负载增多时，整个风电经柔直并网系统产生次同步振荡的风险也会增大，同时，在次同步振荡产生的机理方面，柔性直流输电系统中变流器控制中的内外环比例系数与系统总阻尼呈现出正相关的关系，而风电机组变流器控制中的电流环的比例系数与系统总阻尼呈现出负相关的关系；柔性直流输电系统中变流器控制中的内外环比例系数以及风电机组变流器控制中的电流环的比例系数与系统产生的振荡频率均呈现出负相关的关系。但对于以上所提及的相关比例系数对系统阻尼与振荡频率的灵敏性还有待研究。

针对PWM整流器控制以及柔性直流输电系统控制的研究中，文献[14]综述了PWM整流器的基本原理、介绍了各种类别的PWM整流器并简述了其在电力系统等领域的相关应用，但现有的关于PWM整流器应用在大功率交一直一交变风电并网发电控制系统方面的研究还比较少。文献[15]分析了柔性直流输电在多端网络应用中的拓扑结构，简述了多端柔性直流输电系统拓扑结构的优缺点，介绍了多端柔性直流输电系统功率控制的优化策略以及附加阻尼控制的重要方法，提出基于稳定直流电压条件的多端柔性直流输电系统实现功率协调分配基础下，需要进一步考虑多个换流站之间潮流快速控制的相互作用，而针对复杂地区的交直流网络的协同控制方法还鲜有研究分析。

关于柔直高压输电系统次同步振荡及其抑制问题的研究中，文献[16]推导出系统中产生次同步振荡的原因在于柔性直流输电系统中变流器的快速控制作用，提出了一种用于交直流系统中的机网扭振稳定判据，并对次同步振荡阻尼控制器进行优化，使其能有效抑制某一振荡频率范围内的次同步振荡，但是未给出优化设计方案实施前后的效果对比。文献[17]揭示了系统中出现次同步振荡的原因是某一频率下的机组轴系阻尼与外电路阻尼的相互作用，并得出在一定范围内，柔性直流输电系统变流器控制中的比例系数增大，积分时间常数减小，系统中产生次同步振荡的风险就会增大，而文献中关于比例系数与积分时间常数的合理取值还未给出明确分析。

文献[18]指出柔性直流输电系统中换流站网侧的线路电感增大时，系统的稳定性将会降低。而当双馈风电经柔性直流输电并网系统中的线路电感设置不合理时，系统中也会出现振荡现象。文献还提到双馈风电机组的网侧变流器电流内环控制中的比例系数与系统的稳定性呈现出负相关的关系，比例系数越大，系统越容易发生振荡，但对于电流内环控制中比例系数的合理设置以及临界值等问题的研究比较少。

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