风电场次同步振荡非线性行为及稳定域的研究

Under certain operating conditions, subsynchronous oscillations will arise in wind farms that are connected to the power systems with fixed series capacitors. Subsynchronous oscillations could induce trip-off of generation units and fault of generators. Therefore, it seriously endangers the safety and stability of power system. Electric devices, such as iron cores, lightning arresters, and control loops, possesses strong nonlinearity over the entire operating area. With the increased amplitude of oscillation, these devices will run into nonlinear areas. As a result, the system damping characteristics and oscillation behaviors will be changed. Existing subsynchronous oscillation analysis methods, such as eigenvalue analysis, frequency scanning, and time-domain simulation cannot analyze these nonlinear behaviors effectively. Therefore, this research project induce nonlinear qualitative theory and Lyapunov direct method into the analysis of subsynchronous oscillations in wind farms. The nonlinear behaviors and characteristics of subsynchronous oscillation will be analyzed in details. Stable operating zones of power system will be calculated also. Further, universal techniques and methods will be summarized in the analysis and stable zone calculation of subsynchronous oscillations in wind farms when nonlinear components are taken into consideration. This project will provide valuable basic theory analysis for the stability of wind farms and contribute to the reliability of power system.

风电场接入含有固定串联电容补偿的电力系统后，在某些工况下会发生次同步振荡。次同步振荡将导致机组脱网和发电设备的损坏，严重威胁着电力系统的安全稳定运行。在全局运行范围内，铁芯、避雷器和部分控制器等电气设备具有强非线性。随着次同步振荡幅值的增大，这些设备将进入非线性工作区，使得系统的阻尼特性和振荡行为发生改变。特征值分析、频率扫描和时域仿真等已有次同步振荡分析方法难以有效地分析系统的这些非线性行为。因此，本课题将非线性系统定性理论和李雅普诺夫直接法应用于风电场次同步振荡的分析，研究整个运行域内次同步振荡的非线性行为及特性，并求解系统的稳定域。在此基础上，归纳总结计入非线性环节后风电场次同步振荡特性分析、稳定域计算等方面具有普适性的技巧和方法。本课题的研究将为风电场的稳定运行提供有价值的基础理论研究，有助于提高电力系统的可靠性。

实际运行经验表明，在某些工况下风电场会发生次同步振荡。美国德克萨斯州CREZ地区的风电场发生的由于固定串补引起的次同步振荡事故，造成了大量风力发电机脱网以及部分机组撬棒电路的损坏。我国河北省沽源地区风电场、吉林省瞻榆地区风电场和新疆自治区哈密地区风电场均发生过次同步振荡，造成了大量风机脱网，哈密地区风电场的振荡还导致附近火电机组跳闸，给电网造成了严重的冲击，威胁着电力系统的稳定运行。. 本课题主要研究了应用于次同步振荡分析的大规模风电场的聚合建模方法、风电场次同步振荡的非线性行为的特点和分析方法、不同类型风力发电机对次同步振荡的影响以及风电场次同步振荡的抑制方法。本课题提出了一种基于次同步电流分配系数的风电场聚合建模方法、提出了一种可抑制次同步振荡的双馈型风力发电机直接转速控制策略、提出了一种基于数值计算的迭代式风机阻抗建模方法、提出了基于STATCOM的风电场次同步振荡抑制及优化方案并研究了硬件设备应容量限幅导致的系统稳定域的分析方法。研究成果包括：发表和录用SCI论文3篇、EI论文3篇、核心论文1篇、受理发明专利1项、培养硕士研究生8名。. 本课题的研究成果对分析风电场的次同步振荡行为具有重要的理论价值，尤其是基于STATCOM的风电场次同步振荡抑制方案不仅成本低抑制效果明显，而且是基于已有设备，便于推广和应用，有望在未来5年内实现工程应用。