中板厂《电气自动化》2021年第43卷第1期
T heN ew E ner.y Power Control Technology
钱纹，赵岳恒，胡凯，陈宇
(云南电网有限责任公司电网，云南昆明650051)
摘要：针对风电场引发的 振荡问题，了生，并提出了抑制方法。建了双馈风电并网的小信 型，基于特征值分析法和相关因子对振荡模态和 进行分析。表，度高是引振荡的 因。提出采用避 振点、提高电气阻尼的方法抑制 振荡。
关键词：双馈风机；次同步振荡；小信号模型；模态分析；振荡抑制
D O I：10.3969/j.issn.1000 -3886.2021.01.013
[中图分类号]T M712 [文献标志码]A[文章编号]1000 -3886(2021)01 -0041 -04
Analysis of Grid Connection Sub-synchronous Oscillation and
Research of Suppression Method in Doubly-fed Wind Farnns
Qian W en, Zhao Yueheng, Hu K ai, Chen Yu
(Yunnan Power Grid C) !L td !Kunming Yunnan 650051! China)
A b s tr a c t：The generation m echanism fo r sub-synchronous o scilla tio n o ccu rring at w in d farm s was studied and a suppression method was
proposed.A sm a ll-signal m odel was establislied fo r g rid connection realized through series com pensation c irc u it at a do ubly-fe d w in d fa rm.Based on the eigenvalue analysis method and related fa c to rs，the o scilla tio n mode and m echanism were analyzed.The results showed that sub-synchronous o scilla tio n was m a in ly attril^utable to excessively h ig h series com pensation o f the lin e.It was proposed that sub-synchronous o scilla tio n should be suppressed by evading resonance p o in t and ra isin g e le ctrica l da m ping.
K e y w o r d s：do ubly fed in d u ctio n genera tor(D FIG-) ;sub-synchronous o s c illa tio n;sm all signal m o d e l;m odal an a lysis;o scilla tio n suppression
0引言
双馈异步风力发电机（do ubly fed in d u ctio n ge nera tor,D F IG)是一种变 频的 型异步发电机，能够实现定转 向电网反馈能量。双馈风力发电机的能量转换效率高，但需要输电线备强大的远 输电能力，一般通 联补偿电 柔 .流输电进行功率外送。由此引发的次同步振荡（sub - synchronous o s c illa tio n，SSO)问题往往成为风电并网的重要制约因素。 次问步振汤指电力系统中出现低于工频的有功功率振汤现 象，会引发系统稳定性及电能质量问题，危及电力系统 运行。随 球范围内风机装机量的上升，国风电 振荡问频发[1]。 目前常用的次同步振荡分析方法 有阻抗分析法、复转矩系数法、特征值分析法及时域 法等。本文采用特征值分析法对双馈风电 并网系统的振荡特性进行分析。特征值分析法基于系统在给定工况下的小信号模型，求特征值分析系统 ，能够获得系统在给定工况下的 度、振荡频率和阻尼比等关键信息[2]。建了基于三质量块的双馈风：串补并网状态 型，了电气系统参数和转 制器对扭振态的影响[3]。通过阻抗分析 馈风电 M M C柔 ：流输电（m o dular m u lti-le v e l converter based H*D C，M M C-H V D C)并网的振荡机理，当端口阻抗呈现负阻尼特性且相位裕度不足时 引起振荡现象。
本文建立了双馈风电场经串补并网的小信号模型，采用特征 值方法分析系统中存在的振荡模态，并提出振荡抑制方法。
定稿日期：2020 -03 -261双馈风电场并网数学模型
实际风电场中同一片区的风电机运行工况一致度较高，可以 进行统一控制，将馈风电并网系统简化为单机无穷大 系统进行 ，如图1所。
1.1风机轴系模型
馈 风 发 电系 统 中，风
力机桨叶、轮毂对应的大惯量
质量块 馈电机转子对应的
计算机光盘小惯量质量块通过齿轮箱和联
等设备进行联接，传
动轴系统具有较小的刚度。
采用两质量块传动轴模型
能够有效反映轴系动态特
[4]，一质量块代表风轮、风
转子及齿轮箱，另一个质
量块代表 馈电 转 ，如 2
所。
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建立两质量块的线性化方程如下：-(#1 W ("1
j
. 2 ⑴
J # ()# — (T w —D # ("# —D 12 (("# — ("2) ~ Y 12 ((## —($2)
LZ 2("2 W (0" _ !2("2 _ !
12 ( ("2 _ ("1 ) _ Y 12 ( (#2 _ (#1 )式中：T w 为风机桨叶的机械转矩；T 为发电机的电磁转矩;J 为 质
量块〖的转动惯量;！为质量块〖的自阻尼系数;Q 为质量块^ 和J '之间的刚度系数;！.为质量块j k j
'之间的互阻尼系数;（#.
为质量块〖的机械转角微增量;（".为质量块〖的机械角速度微
增量。
1.1异步发电机模型
双馈感应发电机的电机部分是传统的绕线型异步发电机。 按照异步电机建模方法在=-U
坐标中建 馈发电机的模型。
该坐标以同步速在 转，U 轴超前=轴90。，定义发电
吸收有功功率为正方向[6]，
异
应电机的数
型为：
U d 4 二 R id S _"S 'V + '
"V
=R
4 U 4 +" 'u +-"1
<
r
•丄 I 丄'
(
2)
U qr
^R
r l qr +s " s 'dr + —
V
'V
- (N +N m )
l +N m 'q r
'd 4 - (N
4 +N m )l +N m 'd r
'q r - ( N r + ) •% +'d r - ( N r +
) • +
r p _ _dS 'qS + l ^'d 4 ~ 4d r 'qr + 4qr 'dr
，=
式中:'q 、'd 4、'q r
分别为定子和转子磁链的d #q 轴分量;
分别为 电流的d 、9轴分量;U q s、U d 、Uqr 、Ud I ^分别为定子和转子电压的d 、g 轴分量;T 为发电机输出的电磁转矩;—、—和—分 别为转
拟步甲科
度、
度和基准
度；4〇为态转差率；
R
、R 为定转子内阻;N 、N 、N m 分别为定转
组电抗和励
组电抗。
1.3 流器模型
双馈风力发电机的换流器结构如图3所示，由转子侧换流 器、网换流器和连接这两部分的直流侧电容组成，分别对这三 部分进行分析建模。
图3
双馈风力发电机换流器电路原理图
1.3.1转子侧换流器控制模型
转
换流器采用定发电机的有功功率和机端电压控制，发
电机的有功跟随转子上机械转矩提供的输入功率，
电
.持
在给定值。控制框图如图4所示，其中:Q P 1、Q 分别为有功外环 控制的比例系数和积分系数;Q 2、Q 2分别为电流 制的比例
系数和积分系数;Q p 、Q %分别为电压外环控制的比例系数和积分
系数;F _；f 、\_；：分别为有功和无功控制的参考值。
图4
转子侧换流器控制框图
1.3.2网侧换流器控制模型
网侧换流器采用定直流电压和无功功率控制，网侧电流的d 轴分量控制直流侧电容的电压，网侧电流的9轴分量控制输出无
功功率，将9轴电流的参考值设为0以小损耗。网换流器的 制
如图5所示，其中:Q d /、Qd /分别为电
的比例系数和
分系数;Q /、Q •分别为电
的比例系数和积分系数；2DC_；f
为直流侧电容器电压的参考值;l _；f 为轴电流的参考值，通常设 为0;3为连接变换器和网络的变
电抗。
图5
网侧换流器控制框图
1.3.3直流侧电容模型
根据双馈风力发电机换流器两端的功率平衡方程：
F )C =F
-P g (%)
式中:F dm 、F 、F 分别为直流侧电容、转子侧和网侧的有功功率。
苏教版教材插图
流侧电容的功率平衡方程如下：
82DC 2D C — U d g ^d g + U q g \g _ ( U d r r d r + U q r ^ q r )
(4)
1.4输电线路模型
将 阻抗、变
阻抗和串补电容综合考虑，等效为:R L C
模型，
准形式状态方程为：
{ % R L C — ：R L C %R L C +；R LC &R L C
(()
'rlc = 8R L C %R L C +
!
RLL &R L C
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Automation
新能源发电控制技术
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式中，％R L C W(
&R L C = [(u dr(u di '
B W
00
0丄
J di-(Ud'(=.]r l c-[(d r(d
—J r丄
J dr J d r
t;a-
v1r l c_
1
1
丄R i
J di J di -
-10 0 --0
0-;8-
010
;!-
00
-00 1--00-
式中:R=，，8分别为线路电阻、电感对地电容的集中参数
包括平波电 $u=为 中点电压；下标中的『和〖分别为整流侧和逆变侧。
1.5双馈风电机经串补并网系统模型
将上述数 型的方程联立，馈风机经串补线路并网系统的小信 型：
% w A x+B u(6)式中:％=&%> %_LC%> %>S C%>SC]T。
通过对 件的输入输 相互连接得到的双馈风电并网系统模型如图6所。
图6双馈风电机经串补并网小信号模型
1双馈风电场经串补并网振荡模态分析
基于M A T L A B\S im u lin k建立双馈风电场经串补并网的仿真 模型，计算系统的特征值，其分如表1所。
(2) 模态2的次同步振荡与输电线路参数强相关，是输电线
路和 引起的谐振模态。
(3) 模态3的低频振荡与风机轴系的低速轴强相关，高速对其也有一定影响，可以断该振荡模式是风电机组轴系的固有
振荡频率。质量块模型的固有频率个数等于质量块个数减一，因
此在两质量块模型中只存在这一个固有振荡频率。
表2系统相关因子表
相状态振荡式
件变量1234
0.004 4000
网侧出口电感及变压器
0.004 4000
变流器直流侧(C。0.004 80.011 20.000 50
A l50000
网侧换流器(L60000
A l0000
A'u0.729 80.358 40.054 40
A'd40.725 20.604 70.019 30异步感应发电机
商君书锥指A'u0.002 30.884 20.010 40.000 2
A'd r0.003 00.316 60.042 50
A i0.201 11.505 30.157 70
A i0.203 40.409 50.152 70
线路模型
A uc x00.358 70.378 00
A ii-00.060 40.333 30
(U c0.000 1000转换电容
A U c0.000 1000
A c0000
A c0000
转换流
(%0000
Ac$0000
a#0000.500 1
a#00.000 100.000 2风系
A"10000.500 1
a"0.000 20.591 10.011 80
表1系统特征值分析
序特征值振荡频率/H z阻尼比
1-54 789.81 ±829. 73i132.055 1.000
2885.34 ±93.03i14.810-0.995
3-280. 10 ±303.65i48.3300.678
4-0. 105 ±5. 88i0.9400.018
振荡模式1是稳定的超同步振荡模态，振荡模式2是不稳定 的 振荡 态，振荡 式 3 的 振荡 态，振荡模式4 的低频振荡模态。态变量与特征值的相关因子如表2所示，表2发现：
(1)模态1的 振荡与风机轴系、发电机以及输电线路参数 有相 ，是风 系和 相互作用引起的
步谐振作用。由1=*槡N N可知当前的串补度为8.77%。3次同步振荡抑制方法
3.1避开谐振点
下面分析一种通过优化控制器参数抑制次同步振荡的方法，此方法已在工程中得到应用[7]。
采用如图7所 制结构代替原来的电流内环控制。图7中：2。、为直流电压和直流电压的参考值;2sa、2k、2。为网侧 电压;W u：，B〇为坐标系下的电流参考值；为三相
电流及其参考值;L P F为一阶低通滤波器。
换流 流侧的电流波动会以二倍频的形式体现在直流电
压上，因此在电 制环后加一低通滤波器，通过坐标变换
得到三相电流参考值，抑制网侧电流波动的影响。将两相电
流跟 制改进为$&三相电流跟制，可以有效提高跟
制 度。
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3.2提高电气阻尼
风电
柔
流输电系统可能的负阻尼特性会降低系统
的稳定性，附加励磁阻尼控制器（supplem entary e xcita tion dam ping
c o n tro l ，S E D C )在发电机的励磁系统中
制模块，当系统出
现 振时，通过调节控制参数来提高机组阻尼。图'给出
了 S E D C 的结构框图。
这种方式
适合于S S R 风险不是非常大的系统，对于SSR
风险较大的系统，其作用有限。S E D C 的优点是造价较低，能在一
件下提高风机阻尼，但遇到发电机励磁绕组 数大的情
况时，应用
<
不明显，一般作为 
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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