双馈型风电场及送出系统的次同步振荡及其阻尼控制研究

There is a sub-synchronous oscillation (SSO) accident in a wind farm of doubly fed induction generator(DFIG) type in Texas, USA in 2009, which shows that there is a new oscillation mode of SSO in wind farms of DFIG type: the interactions between controllers of wind turbine and series compensated AC transmission system(SSCI). At the same time, There is a risk of sub-synchronous torsional interactions(SSTI) in a wind farm of DFIG type. Therefore it is great significance to explore the SSO problems under the mode of large capacity wind power with long distance transmission for safely and stably operation of power system. The key scientific problems on SSO of SSTI and SSCI between wind farms of DFIG type and series compensation AC transmission will be researched, which include the following: The model and method which is suitable for analyzing the SSO in wind farms of DFIG type is established through studying the characteristics of wind farms of DFIG type, for example the characteristics analysis of shaft, the accurate description of wind turbine control system, and the equivalents of distributed generators. The mechanism of SSTI between wind turbine shaft and power system is researched, and the influence of shaft parameters to SSTI is analyzed. The mechanism of SSCI between controllers of wind turbine and power system is revealed, and the parameter sensitivity of control system is analyzed. The damping control methods are designed to damp SSO. The project will provide a theoretical foundation for the analysis of SSO problem in wind farms of DIFG type.

2009年美国Texas州某双馈型风电场及送出系统发生了次同步振荡事故，并表现为一种次同步振荡新模式——风电机组控制与系统之间的次同步控制相互作用(SSCI)；同时，双馈型风电场还存在引发次同步扭振相互作用(SSTI)的潜在风险。因此探索大规模风电送出下的次同步振荡问题对系统安全稳定运行具有重要意义，具有理论和工程应用价值。本课题围绕双馈型风电场采用带串补交流线路外送电力时的次同步振荡这一关键科学问题，从SSTI和SSCI两方面开展研究，包括：通过双馈型风电场特征研究如轴系特性分析、机组控制精确描述、风电场多机等值等，建立适合双馈型风电场次同步振荡分析的模型和方法；研究风电机组轴系与系统的SSTI机理，分析轴系参数对SSTI的影响；揭示风电机组控制与系统的SSCI机理，分析控制系统参数敏感度；设计抑制次同步振荡的风电机组阻尼控制，为建立双馈型风电场次同步振荡问题分析体系奠定理论基础。

随着风电接入电网比例升高，局部地区由风电参与的电力系统次/超同步振荡问题逐渐突出。本项目围绕双馈型风电场采用带串补交流线路外送电力时的次同步振荡问题，研究了双馈型风电场并网次同步振荡分析的模型和方法，揭示了双馈型风电场经串补交流线路送出时发生次同步振荡的机理和主要影响因素，并提出了抑制次同步振荡的风电机组阻尼控制策略。主要工作及其成果包括：.（1）基于实际载荷测试数据分析了双馈风电机组轴系特性，表明轴系主导振荡频率主要为低频；分析了双馈型风电场与串补系统发生次同步扭振相互作用的机理，根据轴系特性分析结果，评估了双馈型风电场与串补系统一般不会发生由次同步扭振相互作用引起的次同步振荡问题；.（2）建立了较为准确反映双馈风电机组控制特性的电磁暂态模型，基于测试信号法提取了双馈风电机组的次同步频率等效阻抗特性；基于次同步频率等效阻抗和物理描述，分析了双馈型风电场与串补系统的次同步控制相互作用机理；.（3）仿真揭示了双馈风电机组控制对于次同步控制相互作用的影响，包括增加风电机组出力、减小机侧变流器电流控制环的增益系数、减小网侧变流器直流电容电压控制环的增益系数等，都可以对次同步振荡的阻尼起到优化的效果；.（4）在双馈风电机组网侧变流器中基于虚拟旁路电阻思路设计了一种附加次同步振荡阻尼控制策略，其控制参数设计对次同步振荡模态的依赖性小，且有利于降低机侧变流器控制策略的复杂性，仿真验证了附加阻尼控制的有效性；.项目成果对于应对双馈型风电场经串补线路送出时的次同步振荡问题，提供了较为全面的理论认识、仿真分析手段和控制策略。