直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析

郑泽天; 沈沉; 严鋆; 袁沐琛; 刘晔; 范辉

doi:10.7500/AEPS20230309001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析
- Mechanism Analysis of Oscillations Induced by Control Coupling of Voltage Source Converters in Wind Farms with Direct-driven Turbines
- 电力系统自动化 2023年47卷第17期页码：14-26
- 作者机构：
  
  1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084
  2.中国电力科学研究院有限公司,北京市 100192
  3.国网河北省电力有限公司,河北省石家庄市 050022
- 作者简介：
  
  郑泽天(1995—)，男，博士研究生，主要研究方向：含新能源电力系统的稳定性分析与控制。E-mail：zzt_thu@qq.com
  沈沉(1970—)，男，通信作者，博士，教授，主要研究方向：电力系统分析与控制。E-mail：shenchen@mail.tsinghua.edu.cn
  严鋆(1985—)，男，博士，讲师，主要研究方向：电力电子化系统的稳定性分析与控制。E-mail：yanjunnorton@126.com
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司科技项目(5100-202255002A-1-1-ZN)
- DOI：10.7500/AEPS20230309001
  中图分类号：
- 收稿：2023-03-09，
  
  修回：2023-06-12，
  
  网络出版：2023-08-07，
  
  纸质出版：2023-09-10
- 稿件说明：
移动端阅览
郑泽天,沈沉,严鋆等.直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析[J].电力系统自动化,2023,47(17):14-26.

ZHENG Zetian,SHEN Chen,YAN Jun,et al.Mechanism Analysis of Oscillations Induced by Control Coupling of Voltage Source Converters in Wind Farms with Direct-driven Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(17):14-26.
郑泽天,沈沉,严鋆等.直驱风电场多电压源型变流器控制耦合引发振荡的机理分析[J].电力系统自动化,2023,47(17):14-26. DOI： 10.7500/AEPS20230309001.

ZHENG Zetian,SHEN Chen,YAN Jun,et al.Mechanism Analysis of Oscillations Induced by Control Coupling of Voltage Source Converters in Wind Farms with Direct-driven Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(17):14-26. DOI： 10.7500/AEPS20230309001.

摘要

近年来，直驱风机风电场相关的电力系统电磁振荡现象已成为研究热点。文中对风电场中多台静止无功发生器(SVG)之间的耦合振荡机理以及由此引发风电场自持振荡的可能性进行了研究。考虑到直驱风机和风电场出口SVG同属电压源型变流器(VSC)，在控制结构上具有相似性，提出了定电压控制模式下双VSC耦合系统产生不稳定模式的机理及其电压参考值匹配判据，对运行方式发生变化（体现为与系统的连接电抗发生变化）导致发散振荡的概率给出了计算方法。结合算例分析和讨论可知，当定电压控制的2台SVG电气距离较近时，如不满足电压参考值匹配判据则系统存在不稳定模式。通过计算连接电抗大小变化时主导特征根实部的分布函数可知，该模式与连接电抗变化情况弱相关，与SVG控制模式强相关，且可能成为风电场内直驱风机非线性限幅自持振荡的激发条件。

Abstract

In recent years

electromagnetic oscillation in power systems related to wind farms with direct-driven wind turbines has become a hot research topic. This paper studies the coupling oscillation mechanism among multiple static var generators (SVGs) in wind farms and the possibility of self-sustaining oscillation in wind farms caused by coupling oscillation. Considering that both direct-driven wind turbines and SVGs at the terminal of wind farms are both voltage source converters (VSCs) and have similar control structure

this paper proposes the mechanism for the unstable mode generated by double-VSC coupling systems under the constant voltage control mode and the corresponding voltage reference matching criteria. The probability of diverging oscillation induced by changes in operation modes (reflected as changes in the connection reactance to the system) is also calculated. Through the case analysis and discussion

it is concluded that the system will have an unstable mode if the voltage reference matching criteria are not met when the electrical distance between the two SVGs under constant voltage control is close. By calculating the distribution function of the real part of dominant eigenvalues when the connection reactance changes

it is concluded that the mode is weakly correlated with the connection reactance changes but strongly correlated with the SVG control mode. Furthermore

it may become the excitation condition for the nonlinear limiting self-sustaining oscillation in wind farms with direct-driven wind turbines.

关键词

Keywords

references

李亚楼，张星，胡善华，等 . 含高比例电力电子装备电力系统安全稳定分析建模仿真技术［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 33 - 42 .

LI Yalou ， ZHANG Xing ， HU Shanhua ， et al . Modeling and simulation technology for stability analysis of power system with high proportion of power electronics ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 33 - 42 .

LIU H K ， XIE X R ， HE J B ， et al . Subsynchronous interaction between direct-drive PMSG based wind farms and weak AC networks ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 4708 - 4720 .

SHAIR J ， XIE X R ， WANG L P ， et al . Overview of emerging subsynchronous oscillations in practical wind power systems ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2019 ， 99 ： 159 - 168 .

薛峰，吴家龙，崔晓丹，等 . 基于阻抗辨识的沽源地区风电并网系统次同步振荡控制策略［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 5 ）： 200 - 207 .

XUE Feng ， WU Jialong ， CUI Xiaodan ， et al . Sub-synchronous oscillation control strategy based on impedance identification for wind power grid-connected system in Guyuan area of China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 200 - 207 .

李高翔 . 直驱风电场并网及其外送系统的次同步振荡抑制技术研究［D］. 长沙：湖南大学， 2021 .

LI Gaoxiang . Research on subsynchronous oscillation suppression technology of direct-driven wind farm grid-connected and its delivery system ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2021 .

谢小荣，刘华坤，贺静波，等 . 电力系统新型振荡问题浅析［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 10 ）： 2821 - 2828 .

XIE Xiaorong ， LIU Huakun ， HE Jingbo ， et al . On new oscillation issues of power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 10 ）： 2821 - 2828 .

吴天昊，谢小荣，姜齐荣 . 风电系统次同步等幅振荡的机理与特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 7 ）： 2689 - 2699 .

WU Tianhao ， XIE Xiaorong ， JIANG Qirong . On subsynchronous sustained oscillation issues of wind power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 7 ）： 2689 - 2699 .

齐金玲，李卫星，朱蒙，等 . 直驱风机低电压穿越行为对并网点电压的影响及优化控制［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 7 ）： 105 - 113 .

QI Jinling ， LI Weixing ， ZHU Meng ， et al . Impact of low voltage ride-through behavior of direct-driven wind turbine on voltage of grid-connected point and optimal control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 7 ）： 105 - 113 .

周佩朋，李光范，宋瑞华，等 . 直驱风机与静止无功发生器的次同步振荡特性及交互作用分析［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 15 ）： 4369 - 4378 .

ZHOU Peipeng ， LI Guangfan ， SONG Ruihua ， et al . Subsynchronous oscillation characteristics and interactions of direct drive permanent magnet synchronous generator and static var generator ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 15 ）： 4369 - 4378 .

胡鹏，艾欣，肖仕武，等 . 静止无功发生器序阻抗建模及对次同步振荡影响因素的分析［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 17 ）： 3703 - 3713 .

HU Peng ， AI Xin ， XIAO Shiwu ， et al . Sequence impedance of static var generator and analysis of influencing factors on subsynchronous oscillation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 17 ）： 3703 - 3713 .

薛安成，王永杰，付潇宇，等 . 含SVG的双馈系统切换型次同步振荡及其非光滑分岔特性分析［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 3 ）： 918 - 926 .

XUE Ancheng ， WANG Yongjie ， FU Xiaoyu ， et al . Analysis of switched subsynchronous oscillation and its non-smooth bifurcation characteristics in doubly-fed system with SVG ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 3 ）： 918 - 926 .

迟永宁，田新首，汤海雁，等 . 双馈风电机组与静止无功发生器交互作用原理及系统振荡特性研究［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 2 ）： 486 - 492 .

CHI Yongning ， TIAN Xinshou ， TANG Haiyan ， et al . Interactions between DFIGs and SVG and oscillation characteristics of power grid connected wind turbines ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 2 ）： 486 - 492 .

MOHARANA A ， VARMA R K ， SEETHAPATHY R . SSR alleviation by STATCOM in induction-generator-based wind farm connected to series compensated line ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2014 ， 5 （ 3 ）： 947 - 957 .

JIANG H L ， MA S Y ， SONG R H ， et al . Research on subsynchronous interaction between direct-drive PMSG based wind farm and static var generator ［C］// 5th Asia Conference on Power and Electrical Engineering （ACPEE）， June 4-7 ， 2020 ， Chengdu， China ： 1160 - 1165 .

TIAN Y C ， XIAO S W . Parameter sensitivity analysis and adjustment for subsynchronous oscillation stability of doubly-fed wind farms with static var generator ［C］// 7th International Conference on Intelligent Computing and Signal Processing （ICSP）， April 15-17 ， 2022 ， Xi'an， China ： 215 - 219 .

安之，沈沉，郑泽天，等 . 考虑风电随机性的直驱风机风电场等值模型评价方法［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 22 ）： 6511 - 6520 .

AN Zhi ， SHEN Chen ， ZHENG Zetian ， et al . Assessment method for equivalent models of wind farms based on direct-driven wind generators considering randomness ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 22 ）： 6511 - 6520 .

刘为杰，姜建国 . 直驱永磁同步风电机组次同步振荡建模与分析［J］. 电机与控制应用， 2017 ， 44 （ 1 ）： 97 - 103 .

LIU Weijie ， JIANG Jianguo . Modeling and analysis for direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine generator in sub-synchronous oscillation ［J］. Electric Machines & Control Application ， 2017 ， 44 （ 1 ）： 97 - 103 .

毛梓尘 . 基于环节相互作用的多尺度电力系统暂态过程分析方法［D］. 武汉：华中科技大学， 2021 .

MAO Zichen . Multi-scale power system transient process analysis method based on link interaction ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2021 .

ALAWASA K M ， MOHAMED Y A R I ， XU W . Active mitigation of subsynchronous interactions between PWM voltage-source converters and power networks ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 1 ）： 121 - 134 .

ALAWASA K M ， MOHAMED Y A R I ， XU W . Modeling， analysis， and suppression of the impact of full-scale wind-power converters on subsynchronous damping ［J］. IEEE Systems Journal ， 2013 ， 7 （ 4 ）： 700 - 712 .

黄碧月 . 直驱风电并网的电力系统动态特性分析与次同步振荡研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2021 .

HUANG Biyue . Dynamic characteristics analysis and subsynchronous oscillation research of power system with direct-drive wind power connected to grid ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2021 .

薛安成，付潇宇，乔登科，等 . 风电参与的电力系统次同步振荡机理研究综述和展望［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 118 - 128 .

XUE Ancheng ， FU Xiaoyu ， QIAO Dengke ， et al . Review and prospect of research on sub-synchronous oscillation mechanism for power system with wind power participation ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 118 - 128 .

于永军，张艺，黄碧月，等 . 考虑SVG的光伏电站次同步振荡问题［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 8 ）： 2720 - 2730 .

YU Yongjun ， ZHANG Yi ， HUANG Biyue ， et al . Research on subsynchronous oscillation of photovoltaic power station equipped with SVG ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 8 ）： 2720 - 2730 .

WANG Z W ， SHEN C ， LIU F . Probabilistic analysis of small signal stability for power systems with high penetration of wind generation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2016 ， 7 （ 3 ）： 1182 - 1193 .

ZHENG Z T ， AN Z ， SHEN C . Evaluation method for equivalent models of PMSG-based wind farms considering randomness ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 10 （ 3 ）： 1565 - 1574 .

王文勇，朱建红 . 串联补偿电容对线路保护的影响及其解决方案综述［J］. 科技创新导报， 2008 ， 5 （ 1 ）： 49 - 50 .

WANG Wenyong ， ZHU Jianhong . Influence of series compensation capacitor on line protection and its solutions ［J］. Science and Technology Innovation Herald ， 2008 ， 5 （ 1 ）： 49 - 50 .

陈武晖，王丹辉，宿端鹏，等 . 双馈风电场感应发电机效应的安全风险评估方法［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 3 ）： 854 - 862 .

CHEN Wuhui ， WANG Danhui ， SU Duanpeng ， et al . Risk-based security assessment method of IGE caused by doubly-fed wind farms ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 3 ）： 854 - 862 .

WU T H ， JIANG Q R ， SHAIR J ， et al . Inclusion of current limiter nonlinearity in the characteristic analysis of sustained subsynchronous oscillations in grid-connected PMSGs ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 3 ）： 2416 - 2426 .

SCHULLER T ， DUROX D ， CANDEL S . Self-induced combustion oscillations of laminar premixed flames stabilized on annular burners ［J］. Combustion and Flame ， 2003 ， 135 （ 4 ）： 525 - 537 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于静止无功发生器详细模型的机电暂态仿真适应性分析

基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略

直驱风机低电压穿越行为对并网点电压的影响及优化控制