雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩：機(jī)理、危害與抑制策略探究一、緒論1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求持續(xù)攀升，傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及其在使用過程中帶來的環(huán)境污染問題，如空氣污染、水污染和固體廢物污染等，已成為困擾眾多國家乃至整個社會的重大難題。在這樣的背景下，開發(fā)利用可再生能源成為了全世界共同的選擇，風(fēng)能作為太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式，是取之不盡用之不竭的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電因此成為了可再生能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。近年來，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好，在裝機(jī)規(guī)模、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)等方面均取得顯著成果。據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會發(fā)布的《2024年中國風(fēng)電吊裝容量統(tǒng)計(jì)簡報(bào)》顯示，2024年，全國（除港、澳、臺地區(qū)外）新增裝機(jī)14388臺，容量8699萬千瓦。其中，陸上風(fēng)電新增裝機(jī)容量8137萬千瓦，占全部新增裝機(jī)容量的93.5%，海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量561.9萬千瓦，占全部新增裝機(jī)容量的6.5%。從2025年前兩個月的電力生產(chǎn)情況來看，風(fēng)電發(fā)電量增速顯著提升，1—2月，全國規(guī)上工業(yè)發(fā)電量1.49萬億千瓦時，同比下降1.3%，而風(fēng)電發(fā)電量同比增長21.25%，增速較2024年同期加快，風(fēng)電以11.9%的占比位居第二，成為增量主力，截至2月底，全國發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)34.0億千瓦，同比增長14.5%，其中，風(fēng)電和太陽能裝機(jī)合計(jì)占比42.8%，首次超過火電（42.56%）。這些數(shù)據(jù)表明風(fēng)電在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位日益重要。在各類風(fēng)電機(jī)組中，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的雙饋風(fēng)電機(jī)組憑借其經(jīng)濟(jì)性好、效率及可靠性高、控制靈活等特點(diǎn)，成為了目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)型。然而，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的持續(xù)增長以及電力電子裝置的大規(guī)模接入，電網(wǎng)強(qiáng)度降低，系統(tǒng)運(yùn)行特性發(fā)生了深刻變化。特別是在雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過程中，次同步振蕩問題逐漸凸顯。當(dāng)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在長距離輸電過程中使用串聯(lián)補(bǔ)償電容器時，和傳統(tǒng)的火電經(jīng)串補(bǔ)外送功率類似，可能會引發(fā)系統(tǒng)次同步振蕩（SSO）。由于風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)方式與傳統(tǒng)火電機(jī)組有本質(zhì)區(qū)別，加之風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型較多，大規(guī)模風(fēng)電外送中的次同步振蕩問題變得更為復(fù)雜。次同步振蕩是指頻率低于工頻頻率（50Hz）的振蕩，其發(fā)生與串補(bǔ)電容線路密切相關(guān)，且多發(fā)生在以雙饋型風(fēng)電機(jī)組為主的風(fēng)電場。一旦發(fā)生次同步振蕩，在風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩與并網(wǎng)電流中均會含有次同步脈動，這不僅會對機(jī)組造成損傷，降低軸系使用壽命，甚至可能導(dǎo)致軸系斷裂，還會使風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)電能質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，進(jìn)而影響整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。例如，國內(nèi)外已發(fā)生多起由風(fēng)電并網(wǎng)引起的次同步振蕩事故，這些事故不僅造成了電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，還帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，深入研究雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)產(chǎn)生的次同步振蕩問題具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)產(chǎn)生的次同步振蕩進(jìn)行研究，能夠深入理解其次同步振蕩的機(jī)理和特點(diǎn)，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的分析和控制提供理論基礎(chǔ)。通過探索有效的控制策略和解決方案，如調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PID參數(shù)、加裝濾波器、改善并網(wǎng)條件等，可以提高風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性，減少次同步振蕩對電力系統(tǒng)的影響，保障風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展，為國家實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)，推動可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀次同步振蕩問題的研究歷史悠久，可追溯到20世紀(jì)70年代，美國Mohave電廠首次出現(xiàn)次同步振蕩事故，導(dǎo)致機(jī)組軸系損壞。此后，次同步振蕩問題受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨著雙饋風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其并網(wǎng)產(chǎn)生的次同步振蕩問題逐漸成為研究熱點(diǎn)。在機(jī)理分析方面，國外學(xué)者開展了大量研究工作。如[學(xué)者姓名1]通過對雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行深入分析，揭示了其與串補(bǔ)線路之間的相互作用機(jī)制，指出了次同步諧振（SSR）和次同步扭矩相互作用（SSTI）是雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩的主要類型。[學(xué)者姓名2]則利用頻域分析方法，研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制參數(shù)對次同步振蕩的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會加劇次同步振蕩的發(fā)生。國內(nèi)學(xué)者也在這方面取得了豐碩成果。文獻(xiàn)《雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)并網(wǎng)的次同步振蕩分析》運(yùn)用特征值法分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)并網(wǎng)的次同步振蕩模式，并得出了次同步振蕩的影響因素，后用時域分析法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果與特征值分析結(jié)果一致。文獻(xiàn)《雙饋風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩機(jī)理分析及抑制策略研究》推導(dǎo)了雙饋風(fēng)電場經(jīng)串補(bǔ)線路并網(wǎng)系統(tǒng)各部分的時域模型和等效阻抗模型，提出基于聚合RLC電路的系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，闡釋了系統(tǒng)次同步振蕩機(jī)理。對于次同步振蕩帶來的危害，國內(nèi)外研究均表明，其會對風(fēng)電機(jī)組和電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。在風(fēng)電機(jī)組方面，次同步振蕩產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和并網(wǎng)電流中的次同步脈動，會對機(jī)組軸系造成疲勞損傷，降低軸系使用壽命，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致軸系斷裂。如[具體案例1]中，某風(fēng)電場因次同步振蕩導(dǎo)致多臺風(fēng)機(jī)軸系損壞，維修成本高昂，且長時間影響風(fēng)電正常發(fā)電。在電力系統(tǒng)方面，次同步振蕩會使風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)電能質(zhì)量惡化，諧波含量增加，嚴(yán)重時導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，進(jìn)而影響整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。像[具體案例2]中，因風(fēng)電次同步振蕩引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成局部電網(wǎng)電壓大幅波動，部分地區(qū)停電，給社會生產(chǎn)生活帶來極大不便。針對次同步振蕩的抑制策略，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法。從機(jī)組側(cè)來看，國外有學(xué)者提出改進(jìn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制策略，如采用自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制等先進(jìn)控制算法，增強(qiáng)機(jī)組對次同步振蕩的抑制能力。國內(nèi)也有研究人員提出在風(fēng)機(jī)換流器控制內(nèi)環(huán)中采用改進(jìn)型線性自抗擾控制（LADRC）取代傳統(tǒng)PI控制，通過線性狀態(tài)觀測器實(shí)時估計(jì)、補(bǔ)償反饋次同步分量，并在線性誤差反饋中引入高通濾波器（HPF）來抑制次同步分量，仿真結(jié)果表明該方法能在多種運(yùn)行工況下快速抑制振蕩，使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，具備良好的抗擾動性和魯棒性。從電網(wǎng)側(cè)出發(fā)，有學(xué)者提出應(yīng)用模塊化多電平換流器（MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）附加寬頻帶阻尼控制來抑制SSO，通過在MMC-STATCOM的控制中增加寬頻帶阻尼控制信號，使其輸出與次同步分量同相位的次同步電壓，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中SSO的有效抑制，該寬頻帶阻尼控制采用陷波器濾除基頻信號，精確提取并跟蹤次同步信號，解決了振蕩頻率偏移問題，仿真結(jié)果表明該控制方式能夠在多種運(yùn)行工況下實(shí)現(xiàn)對SSO的有效抑制。此外，還有學(xué)者研究通過優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、調(diào)整串補(bǔ)電容參數(shù)等方式來降低次同步振蕩的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。盡管國內(nèi)外在雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩的研究上已取得諸多成果，但隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，仍存在一些亟待解決的問題。例如，對于復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下多風(fēng)電場并網(wǎng)的次同步振蕩問題，現(xiàn)有研究還不夠深入；在抑制策略方面，如何提高抑制措施的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備的更好兼容，也是未來需要進(jìn)一步研究的方向。1.3研究內(nèi)容與方法本研究主要聚焦于雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)產(chǎn)生的次同步振蕩問題，具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面：雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩機(jī)理分析：深入剖析雙饋風(fēng)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制策略，詳細(xì)探究雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過程中次同步振蕩的產(chǎn)生原因和內(nèi)在機(jī)制。從電路原理、電磁感應(yīng)等方面入手，分析次同步振蕩與串補(bǔ)電容、電網(wǎng)阻抗、風(fēng)機(jī)控制參數(shù)等因素之間的關(guān)系，明確次同步諧振（SSR）和次同步扭矩相互作用（SSTI）等主要振蕩類型的形成過程。次同步振蕩對雙饋風(fēng)電機(jī)組及電力系統(tǒng)的危害研究：全面研究次同步振蕩發(fā)生時，對雙饋風(fēng)電機(jī)組軸系、葉片等關(guān)鍵部件造成的疲勞損傷和壽命縮短情況，以及對機(jī)組并網(wǎng)電能質(zhì)量的惡化影響，如諧波含量增加、電壓波動等。同時，分析次同步振蕩在電力系統(tǒng)中引發(fā)的連鎖反應(yīng)，如風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊、對其他發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的干擾等，通過實(shí)際案例和數(shù)據(jù)，量化評估次同步振蕩帶來的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩抑制策略研究：分別從機(jī)組側(cè)和電網(wǎng)側(cè)兩個角度出發(fā)，探索有效的次同步振蕩抑制策略。在機(jī)組側(cè)，研究改進(jìn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制算法，如采用自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制等先進(jìn)控制技術(shù)，增強(qiáng)機(jī)組對次同步振蕩的抵抗能力；優(yōu)化變流器的控制參數(shù)，通過合理設(shè)置比例積分微分（PID）參數(shù)，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，抑制次同步振蕩的發(fā)生。在電網(wǎng)側(cè)，探討應(yīng)用靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）裝置附加阻尼控制的方法，通過注入與次同步振蕩分量反相位的電流或電壓，提供額外的阻尼，抑制振蕩的發(fā)展；研究優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、調(diào)整串補(bǔ)電容參數(shù)等措施對抑制次同步振蕩的作用，提出合理的電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行方案。在研究方法上，本研究將綜合運(yùn)用理論分析、案例研究和仿真分析等多種方法：理論分析：基于電力系統(tǒng)分析、自動控制原理、電機(jī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本理論，建立雙饋風(fēng)電機(jī)組及電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過對模型的推導(dǎo)和分析，深入研究次同步振蕩的機(jī)理和特性。運(yùn)用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法、特征值分析法等理論方法，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確定次同步振蕩的頻率和阻尼特性，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)。案例研究：收集整理國內(nèi)外已發(fā)生的雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩事故案例，詳細(xì)分析事故發(fā)生的背景、過程和原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。通過對實(shí)際案例的研究，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，深入了解次同步振蕩在實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)和危害，為提出有效的抑制策略提供實(shí)踐依據(jù)。仿真分析：利用MATLAB/Simulink、PSCAD等專業(yè)仿真軟件，搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，模擬不同工況下的次同步振蕩現(xiàn)象。通過改變模型參數(shù)，如風(fēng)機(jī)控制參數(shù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、串補(bǔ)電容大小等，研究各因素對次同步振蕩的影響規(guī)律。對提出的抑制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，評估其有效性和可行性，優(yōu)化抑制策略的參數(shù)設(shè)置，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。二、雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)概述2.1雙饋風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)與工作原理雙饋風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）、變頻器、控制器等部分組成，各部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和并網(wǎng)發(fā)電。風(fēng)力機(jī)是捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，通常由葉片、輪轂和機(jī)艙組成。葉片是風(fēng)力機(jī)直接與空氣流接觸并將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部分，其設(shè)計(jì)形狀和尺寸對風(fēng)能捕獲效率起著決定性作用，常見的葉片為空氣動力學(xué)翼型，這種形狀能在不同風(fēng)速下產(chǎn)生較大的升力，從而有效地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉片的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。輪轂則是連接葉片和主軸的部件，它將葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給主軸。機(jī)艙位于塔架頂部，內(nèi)部安裝有傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備，為這些設(shè)備提供保護(hù)和支撐。齒輪箱的作用是將風(fēng)力機(jī)的低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)所需的高速旋轉(zhuǎn)。由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速通常較低，一般在10-30轉(zhuǎn)/分鐘之間，而雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行才能高效發(fā)電，因此需要齒輪箱進(jìn)行增速。齒輪箱通常采用多級齒輪傳動，通過不同齒數(shù)的齒輪組合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的提升，其傳動比一般在50-100之間，以滿足發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。在齒輪箱的運(yùn)行過程中，齒輪之間的嚙合會產(chǎn)生摩擦和熱量，因此需要配備良好的潤滑和散熱系統(tǒng)，以確保齒輪箱的穩(wěn)定運(yùn)行和延長其使用壽命。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)是雙饋風(fēng)電機(jī)組的核心部件，在結(jié)構(gòu)上與繞線異步電機(jī)較為類似，主要由定子、轉(zhuǎn)子和氣隙組成。在雙饋式電機(jī)定子的鐵心上，均勻分布著用于嵌入定子繞組的凹槽，通過定子的三相電流能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子同樣有嵌入用絕緣導(dǎo)線組成的三相繞組，轉(zhuǎn)子上引出的三相線先連接到位于轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)上，然后再由電刷引出。工作時，定子繞組直接接入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組則通過變頻器連接到電網(wǎng)，用于實(shí)現(xiàn)交流勵磁。與普通異步發(fā)電機(jī)不同，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以通過變頻器輸入或輸出能量，這使得它在運(yùn)行過程中具有更高的靈活性和可控性。變頻器是實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組變速恒頻控制的關(guān)鍵設(shè)備，一般由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）、網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）和直流環(huán)節(jié)組成。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)子電流的幅值、頻率和相位，以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也會隨之改變，此時轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通過調(diào)整輸入到轉(zhuǎn)子的勵磁電流頻率，改變轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而使定子側(cè)感應(yīng)出穩(wěn)定頻率的電壓，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。網(wǎng)側(cè)變流器則主要用于維持直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，并控制與電網(wǎng)之間的有功功率和無功功率交換，確保發(fā)電機(jī)輸出的電能能夠滿足電網(wǎng)的要求。直流環(huán)節(jié)通常由電容器組成，起到儲存能量和穩(wěn)定電壓的作用?？刂破魇请p饋風(fēng)電機(jī)組的“大腦”，負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制整個機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。它通過傳感器實(shí)時采集風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、發(fā)電機(jī)的電壓、電流等信號，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略對變頻器發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的最大功率追蹤、功率因數(shù)調(diào)節(jié)、低電壓穿越等功能。在最大功率追蹤控制中，控制器根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，調(diào)整葉片的槳距角和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行在最佳的風(fēng)能利用系數(shù)下，以捕獲更多的風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能。在低電壓穿越過程中，控制器通過控制變頻器的輸出，使發(fā)電機(jī)能夠在電網(wǎng)電壓跌落的情況下保持運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供無功支持，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定。雙饋風(fēng)電機(jī)組的工作原理基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)風(fēng)吹動風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時，葉片帶動輪轂和主軸轉(zhuǎn)動，通過齒輪箱增速后，驅(qū)動雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。此時，定子繞組切割轉(zhuǎn)子磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在定子繞組中輸出電能。由于風(fēng)速的隨機(jī)性和波動性，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也會隨之變化。為了實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，變頻器根據(jù)控制器的指令，調(diào)節(jié)輸入到轉(zhuǎn)子的勵磁電流頻率，使得轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場的同步轉(zhuǎn)速保持相對穩(wěn)定，從而保證定子輸出電壓的頻率恒定。具體來說，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速（亞同步狀態(tài)）時，電網(wǎng)通過變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，補(bǔ)償其轉(zhuǎn)差功率，定子向電網(wǎng)饋出電能；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速（超同步狀態(tài)）時，轉(zhuǎn)子回路向電網(wǎng)饋出電能，同時定子回路也向電網(wǎng)饋出電能；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相等時，可看作普通的同步電機(jī)，此時變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。通過這種方式，雙饋風(fēng)電機(jī)組能夠在不同的風(fēng)速條件下實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的發(fā)電，并將電能可靠地并入電網(wǎng)。2.2雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)方式雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)方式的選擇對其運(yùn)行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量有著重要影響。常見的并網(wǎng)方式有直接并網(wǎng)、經(jīng)變壓器并網(wǎng)和經(jīng)串補(bǔ)電容并網(wǎng)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。直接并網(wǎng)是指在電機(jī)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速接近時，通過測速系統(tǒng)發(fā)出并網(wǎng)信號，借助自動空氣開關(guān)將雙饋風(fēng)電機(jī)組的輸出交流電直接接入電網(wǎng)。這種方式適用于電網(wǎng)電容量足夠大且風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量在百千瓦以下，且風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)相序相同的情況。直接并網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠保證在風(fēng)力速率變動時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)依然維持恒頻輸出，并且可以單獨(dú)對有功功率和無功功率進(jìn)行解耦控制，便于補(bǔ)償風(fēng)力電動機(jī)運(yùn)行中負(fù)載消耗的無功功率，穩(wěn)定其他機(jī)組的無功負(fù)荷，維持風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。但它對雙饋發(fā)電機(jī)的規(guī)格要求嚴(yán)格，必須保證其相序和發(fā)電電網(wǎng)的相序一致。經(jīng)變壓器并網(wǎng)則是通過變壓器將雙饋風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)相連，變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的變換和電氣隔離。對于不同電壓等級的電網(wǎng)，變壓器可以將風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓提升或降低到合適的數(shù)值，以滿足并網(wǎng)要求，例如在一些大型風(fēng)電場，風(fēng)電機(jī)組輸出電壓通常為690V，需要通過升壓變壓器將電壓提升至10kV或35kV等電網(wǎng)接入電壓等級。這種并網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)顯著，它可以有效減少風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)的沖擊電流，因?yàn)樽儔浩鞯穆┛鼓軌蚱鸬较拗贫搪冯娏鞯淖饔?；還能提高電能傳輸效率，降低線路損耗，尤其是在長距離輸電時效果更為明顯；同時，變壓器的電氣隔離作用增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性，減少了電氣故障相互影響的可能性。不過，使用變壓器會增加設(shè)備成本和占地面積，變壓器的購置、安裝和維護(hù)都需要投入一定的資金和資源，而且其體積較大，需要占用一定的空間。經(jīng)串補(bǔ)電容并網(wǎng)是在輸電線路中串聯(lián)電容，以補(bǔ)償線路的電抗，提高輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)中，串補(bǔ)電容可以提高風(fēng)電場的功率傳輸能力，減少線路壓降，改善電能質(zhì)量。當(dāng)風(fēng)電場距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)時，線路電抗較大，通過串聯(lián)電容可以補(bǔ)償部分電抗，使線路等效電抗減小，從而降低輸電線路上的功率損耗，提高輸電效率。但經(jīng)串補(bǔ)電容并網(wǎng)也存在引發(fā)次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，由于風(fēng)電機(jī)組與串補(bǔ)電容之間的相互作用，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生頻率低于工頻的振蕩，威脅風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，串補(bǔ)電容的參數(shù)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要綜合考慮系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況和穩(wěn)定性要求，若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，不僅無法達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償效果，還可能引發(fā)其他問題。2.3雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)在電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和控制復(fù)雜性方面呈現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對于深入理解和有效管理雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)至關(guān)重要。在電能質(zhì)量方面，雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。一方面，由于風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)力機(jī)的輸出功率會產(chǎn)生波動，這將導(dǎo)致雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出的電能質(zhì)量受到影響，如電壓波動、閃變和諧波等問題較為突出。當(dāng)風(fēng)速突然變化時，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率也會迅速改變，從而引起電網(wǎng)電壓的波動，可能影響到其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。另一方面，雙饋風(fēng)電機(jī)組通過變頻器實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，變頻器中的電力電子器件在工作過程中會產(chǎn)生諧波電流，注入電網(wǎng)后會使電網(wǎng)的諧波含量增加，降低電能質(zhì)量。不過，通過合理設(shè)計(jì)和控制變頻器，如采用先進(jìn)的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，可以有效減少諧波的產(chǎn)生，提高電能質(zhì)量。還可以在風(fēng)電機(jī)組的輸出端安裝濾波器，對諧波進(jìn)行過濾，進(jìn)一步改善電能質(zhì)量。從穩(wěn)定性角度來看，雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)存在一定的不穩(wěn)定因素。由于雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)不同，其轉(zhuǎn)子通過變頻器與電網(wǎng)相連，這種連接方式使得系統(tǒng)的動態(tài)特性變得更為復(fù)雜。在電網(wǎng)發(fā)生故障或受到擾動時，雙饋風(fēng)電機(jī)組的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性可能受到影響，容易引發(fā)次同步振蕩等問題，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時，雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流可能會迅速增大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈變化，進(jìn)而引發(fā)軸系的扭振，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致軸系損壞。雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制策略對系統(tǒng)穩(wěn)定性也有重要影響，合理的控制策略可以增強(qiáng)機(jī)組的穩(wěn)定性，提高其應(yīng)對電網(wǎng)故障和擾動的能力。雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的控制復(fù)雜性較高。為了實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行，需要對其進(jìn)行精確的控制，這涉及到多個控制環(huán)節(jié)和復(fù)雜的控制算法。在最大功率追蹤控制中，需要根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)時調(diào)整葉片的槳距角和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，以確保風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行在最佳的風(fēng)能利用系數(shù)下，捕獲更多的風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能。在低電壓穿越控制中，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，需要通過控制變頻器的輸出，使發(fā)電機(jī)能夠保持運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供無功支持，幫助電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定。這些控制任務(wù)需要綜合考慮多個因素，如風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓、電流等，并且需要實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整控制參數(shù)，因此控制復(fù)雜性較高。此外，隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)要求的日益提高，雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的控制還需要考慮與其他電力設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，進(jìn)一步增加了控制的難度。三、次同步振蕩的基本理論3.1次同步振蕩的定義與頻率范圍次同步振蕩（SubsynchronousOscillation，SSO）是指電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的頻率低于工頻（我國工頻為50Hz）的振蕩現(xiàn)象。在雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)中，次同步振蕩通常表現(xiàn)為風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩、電流、電壓等電氣量以及軸系的機(jī)械轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)低于50Hz的周期性波動。這種振蕩不僅會影響雙饋風(fēng)電機(jī)組自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還可能對整個電力系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅。次同步振蕩的頻率范圍一般在1Hz到20Hz之間，但具體的頻率范圍會受到多種因素的影響，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)、控制策略以及軸系的機(jī)械特性等。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，次同步振蕩的頻率可能會隨著運(yùn)行工況的變化而發(fā)生改變。在不同的次同步振蕩類型中，其頻率特性也有所不同。次同步諧振（SSR）的頻率通常與系統(tǒng)的電氣諧振頻率相關(guān)，當(dāng)輸電線路中串聯(lián)電容補(bǔ)償時，電容量C與線路電感量L組成的固有諧振頻率一般低于50Hz，若該頻率與軸系的自然扭振頻率相互“激勵”，形成“機(jī)-電諧振”，就會引發(fā)次同步諧振，此時振蕩頻率與電氣諧振頻率和軸系自然扭振頻率相關(guān)。次同步扭矩相互作用（SSTI）的振蕩頻率通常與軸系的自然扭振頻率有關(guān)，風(fēng)機(jī)-發(fā)電機(jī)軸系與相鄰的電力電子控制裝置之間在次同步頻率下相互作用，當(dāng)軸系的自然扭振頻率與次同步頻率接近時，容易引發(fā)次同步扭矩相互作用，導(dǎo)致軸系扭振加劇。3.2次同步振蕩的類型根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的不同，次同步振蕩主要可分為次同步諧振（SSR）、次同步轉(zhuǎn)矩相互作用（SSTI）和感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)（IGE）三種類型。這三種類型的次同步振蕩在雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)中都有各自獨(dú)特的發(fā)生條件和作用方式，對風(fēng)電機(jī)組和電力系統(tǒng)的影響也有所差異。深入了解它們的原理和特點(diǎn)，對于準(zhǔn)確分析和有效抑制雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)產(chǎn)生的次同步振蕩問題至關(guān)重要。3.2.1次同步諧振（SSR）次同步諧振（Sub-SynchronousResonance，SSR）是指線路串補(bǔ)電容與風(fēng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)之間相互作用引起的一種次同步電氣振蕩。當(dāng)高壓遠(yuǎn)距離輸電采用串聯(lián)電容補(bǔ)償時，電容量C與線路的電感量L組成一個固有諧振頻率f_{s}=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}，此頻率一般低于50Hz。在正常運(yùn)行時，雙饋風(fēng)電機(jī)組的定子電流和電壓保持穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，定子電流中可能會出現(xiàn)一個頻率為\pmf_{er}的小擾動分量。其正序分量將激勵出頻率為f_{er}的定子磁鏈，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，轉(zhuǎn)子側(cè)將激勵出頻率為f_{r}=f_{0}-f_{er}的次同步轉(zhuǎn)子電流，其中，f_{0}是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率。該轉(zhuǎn)子電流擾動分量會引起轉(zhuǎn)子電壓發(fā)生擾動，進(jìn)而助增定子電流次同步電流分量，使其振蕩發(fā)散，形成自激現(xiàn)象。另一方面，轉(zhuǎn)子次同步電流會在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生頻率f_{r}的次同步電磁轉(zhuǎn)矩分量，如果f_{r}接近傳動軸系統(tǒng)的機(jī)械自然扭振頻率，那么在機(jī)械軸系與電網(wǎng)之間就會激起扭矩相互作用。當(dāng)這種扭矩相互作用不斷增強(qiáng)，且系統(tǒng)阻尼不足以抑制時，就會引發(fā)強(qiáng)烈的次同步諧振，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的軸系扭振加劇，嚴(yán)重時可能造成軸系損壞。3.2.2次同步轉(zhuǎn)矩相互作用（SSTI）次同步轉(zhuǎn)矩相互作用（Sub-SynchronousTorqueInteraction，SSTI）是指風(fēng)機(jī)-發(fā)電機(jī)軸系與相鄰的電力電子控制裝置之間在次同步頻率下的相互作用。電力電子控制裝置通常是指那些安裝在高壓直流輸電（HVDC）側(cè)的裝置、靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）裝置和任何能夠?qū)Υ瓮筋l率下的功率變化作快速響應(yīng)的設(shè)備。在次同步頻率范圍內(nèi)，這些電力電子控制裝置通常表現(xiàn)為負(fù)阻尼特性。當(dāng)風(fēng)機(jī)-發(fā)電機(jī)軸系發(fā)生扭振時，會產(chǎn)生次同步頻率的轉(zhuǎn)矩變化。由于電力電子控制裝置對次同步頻率下的功率變化響應(yīng)靈敏，這種轉(zhuǎn)矩變化會通過控制裝置反饋到軸系上，進(jìn)一步激發(fā)軸系的扭振，形成惡性循環(huán)。若軸系的自然扭振頻率與次同步頻率接近，這種相互作用會更加顯著，導(dǎo)致軸系扭振模態(tài)呈現(xiàn)欠阻尼振蕩狀態(tài)，嚴(yán)重威脅風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。不過，在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，風(fēng)電機(jī)組的SSTI問題報(bào)道較少，可知風(fēng)電場SSTI問題發(fā)生概率相對較小。但一旦發(fā)生，其危害依然不可小覷，可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的部件疲勞損壞，降低機(jī)組的使用壽命。3.2.3感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)（IGE）感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)（InductionGeneratorEffect，IGE）是雙饋風(fēng)電機(jī)組經(jīng)串聯(lián)補(bǔ)償電容并網(wǎng)時，由于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的特性而引發(fā)的次同步振蕩現(xiàn)象。假設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以常速旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于由次同步電流分量引起的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，在次同步頻率下從電樞終端看去轉(zhuǎn)子電阻呈負(fù)值。當(dāng)這個視在負(fù)值電阻超過電樞和電網(wǎng)在次同步頻率下的等效電阻的總和時，就會發(fā)生電氣自振蕩。在雙饋風(fēng)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)電容并網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，串補(bǔ)電容與線路電感形成的諧振回路會產(chǎn)生次同步頻率的電壓和電流。這些次同步頻率的信號會影響雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，使轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)次同步頻率的波動。由于雙饋風(fēng)電機(jī)組在這種情況下類似于感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流會產(chǎn)生與電網(wǎng)頻率不同的旋轉(zhuǎn)磁場，與定子磁場相互作用，產(chǎn)生次同步振蕩。若這種振蕩得不到有效抑制，會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動增大，影響電能質(zhì)量，甚至可能引發(fā)風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)事故。四、雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)產(chǎn)生次同步振蕩的原因分析4.1串補(bǔ)電容的影響在雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)中，串補(bǔ)電容的應(yīng)用是為了提高輸電能力和改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，但它也成為了引發(fā)次同步振蕩的重要因素之一。下面將從串補(bǔ)電容對線路阻抗的影響以及其與風(fēng)電機(jī)組的相互作用這兩個方面，深入剖析串補(bǔ)電容在次同步振蕩產(chǎn)生過程中的作用機(jī)制。4.1.1串補(bǔ)電容對線路阻抗的影響從電路原理的角度來看，在輸電線路中串聯(lián)電容后，線路的阻抗特性會發(fā)生顯著改變。根據(jù)電路理論，輸電線路可等效為電阻R、電感L和電容C的串聯(lián)電路，其阻抗Z的計(jì)算公式為Z=R+j(X_{L}-X_{C})，其中X_{L}=2\pifL為電感電抗，X_{C}=\frac{1}{2\pifC}為電容電抗，f為電流頻率。在未串聯(lián)電容時，線路主要呈現(xiàn)感性阻抗，即X_{L}>0且X_{C}=0，此時線路阻抗Z=R+jX_{L}。當(dāng)串聯(lián)電容后，電容電抗X_{C}會對線路總電抗產(chǎn)生影響，使得X=X_{L}-X_{C}。隨著電容值C的變化，X_{C}也會改變，進(jìn)而改變線路的總電抗X和阻抗Z。當(dāng)電容電抗X_{C}與電感電抗X_{L}在某一頻率下滿足特定關(guān)系時，線路會發(fā)生諧振現(xiàn)象。此時，線路的阻抗達(dá)到最小值，電流會急劇增大。而這個諧振頻率往往處于次同步頻率范圍內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)中存在擾動時，就可能引發(fā)次同步振蕩。假設(shè)某輸電線路的電感L=0.5H，電阻R=10\Omega，當(dāng)串聯(lián)電容C=100\muF時，計(jì)算其諧振頻率f_{0}。根據(jù)諧振條件X_{L}=X_{C}，即2\pif_{0}L=\frac{1}{2\pif_{0}C}，可得f_{0}=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}。將L=0.5H，C=100\muF=100\times10^{-6}F代入計(jì)算，f_{0}=\frac{1}{2\pi\sqrt{0.5\times100\times10^{-6}}}\approx7.12Hz，該頻率明顯低于工頻50Hz，處于次同步頻率范圍。在這種情況下，若系統(tǒng)受到如風(fēng)速突變、負(fù)荷變化等擾動，就容易激發(fā)次同步振蕩。4.1.2串補(bǔ)電容與風(fēng)電機(jī)組的相互作用串補(bǔ)電容與風(fēng)電機(jī)組在電氣和機(jī)械特性上存在著復(fù)雜的相互作用，這是導(dǎo)致次同步振蕩的關(guān)鍵機(jī)制。在電氣特性方面，當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組通過串補(bǔ)電容線路并網(wǎng)時，串補(bǔ)電容會改變電網(wǎng)的等效阻抗，影響風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的功率傳輸和能量交換。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，串補(bǔ)電容會與線路電感形成諧振回路，產(chǎn)生次同步頻率的電壓和電流。這些次同步頻率的信號會注入到風(fēng)電機(jī)組中，影響雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，使轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)次同步頻率的波動。由于雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制策略是基于工頻運(yùn)行設(shè)計(jì)的，對于次同步頻率的信號響應(yīng)能力有限，這些次同步頻率的波動可能會引發(fā)機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致次同步振蕩的發(fā)生。在機(jī)械特性方面，串補(bǔ)電容引發(fā)的次同步振蕩會通過電磁轉(zhuǎn)矩傳遞到風(fēng)電機(jī)組的軸系上，與軸系的機(jī)械自然扭振頻率相互作用。若次同步振蕩的頻率接近軸系的自然扭振頻率，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致軸系扭振加劇。軸系的扭振又會反過來影響發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，形成機(jī)電耦合的惡性循環(huán)，進(jìn)一步加劇次同步振蕩。以某實(shí)際風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場采用雙饋風(fēng)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)電容線路并網(wǎng)。在一次風(fēng)速突然變化的情況下，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動，串補(bǔ)電容與線路電感引發(fā)次同步諧振，產(chǎn)生約10Hz的次同步頻率信號。該信號注入風(fēng)電機(jī)組后，導(dǎo)致部分機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)10Hz的波動，進(jìn)而引發(fā)軸系扭振。由于軸系的自然扭振頻率約為12Hz，與次同步振蕩頻率接近，共振效應(yīng)使得軸系扭振迅速加劇，最終導(dǎo)致多臺風(fēng)機(jī)的軸系出現(xiàn)不同程度的損傷，同時次同步振蕩也影響了整個風(fēng)電場的并網(wǎng)電能質(zhì)量，造成電網(wǎng)電壓波動和閃變。4.2風(fēng)電機(jī)組控制策略的影響4.2.1矢量控制策略與次同步振蕩矢量控制策略是雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)高效控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，它通過對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使雙饋風(fēng)電機(jī)組能夠像直流電機(jī)一樣進(jìn)行獨(dú)立的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。矢量控制策略主要包括電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)兩個控制環(huán)節(jié)。在電流內(nèi)環(huán)中，通過對轉(zhuǎn)子電流的幅值和相位進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)；在速度外環(huán)中，根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的給定值，以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。當(dāng)電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時，就可能引發(fā)次同步振蕩。以某實(shí)際雙饋風(fēng)電機(jī)組為例，其額定功率為1.5MW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。在正常運(yùn)行情況下，其電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)K_{p1}=0.5，積分系數(shù)K_{i1}=50；速度外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}=0.3，積分系數(shù)K_{i2}=30。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也會隨之改變，此時速度外環(huán)需要根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的給定值。如果速度外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}設(shè)置過小，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，速度外環(huán)的調(diào)節(jié)作用就會較弱，無法及時調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的給定值，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法快速跟隨轉(zhuǎn)速的變化，從而引發(fā)次同步振蕩。假設(shè)將速度外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}減小為0.1，在風(fēng)速突然增加時，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，但由于K_{p2}過小，速度外環(huán)不能及時增大電流內(nèi)環(huán)的給定值，使得發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增加緩慢，無法平衡風(fēng)力機(jī)增加的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致軸系轉(zhuǎn)速波動，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。同樣，電流內(nèi)環(huán)的控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)也會引發(fā)次同步振蕩。若電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)K_{p1}設(shè)置過大，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度會過快，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流的波動過大，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，引發(fā)次同步振蕩。在某風(fēng)電場中，由于工作人員誤將電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)K_{p1}設(shè)置為1.5，遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時的0.5，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)小幅波動時，轉(zhuǎn)子電流迅速增大并產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)振蕩，最終引發(fā)了次同步振蕩，影響了風(fēng)電場的正常運(yùn)行。4.2.2最大功率跟蹤控制與次同步振蕩最大功率跟蹤控制（MPPT）是雙饋風(fēng)電機(jī)組提高發(fā)電效率的重要控制策略，其目的是使風(fēng)力機(jī)在不同的風(fēng)速條件下都能運(yùn)行在最佳的風(fēng)能利用系數(shù)下，以捕獲更多的風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能。常見的最大功率跟蹤控制方法有葉尖速比控制法、功率信號反饋控制法和爬山搜索法等。葉尖速比控制法通過測量風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算葉尖速比，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的最佳葉尖速比曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比下；功率信號反饋控制法則是根據(jù)風(fēng)力機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)力機(jī)的輸出功率始終保持在最大功率點(diǎn)附近；爬山搜索法是通過不斷改變發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，觀察風(fēng)力機(jī)輸出功率的變化，當(dāng)輸出功率增加時，繼續(xù)朝該方向改變電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)輸出功率減小時，則朝相反方向改變電磁轉(zhuǎn)矩，從而使風(fēng)力機(jī)逐漸運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。在風(fēng)速變化時，最大功率跟蹤控制會對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而與次同步振蕩產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。當(dāng)風(fēng)速突然增大時，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率迅速增加。為了實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，控制器會迅速調(diào)整發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使其與機(jī)械功率相匹配。在這個過程中，如果控制器的響應(yīng)速度過快或控制算法不合理，可能會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)劇烈波動，引發(fā)次同步振蕩。以爬山搜索法為例，在風(fēng)速快速變化時，由于該方法需要不斷試探調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩，可能會出現(xiàn)調(diào)整過度的情況。假設(shè)在某一時刻風(fēng)速突然增大，爬山搜索法為了尋找最大功率點(diǎn)，不斷增大電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)整過度時，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)大幅下降，隨后又會因?yàn)闄C(jī)械功率大于電磁轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)速上升，如此反復(fù)，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩，這種振蕩如果與次同步頻率相互耦合，就會引發(fā)次同步振蕩。此外，風(fēng)速的頻繁變化也會對最大功率跟蹤控制產(chǎn)生挑戰(zhàn)。由于最大功率跟蹤控制需要一定的時間來調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以適應(yīng)風(fēng)速的變化，當(dāng)風(fēng)速頻繁波動時，控制器可能無法及時準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，增加了次同步振蕩的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。在一些山區(qū)風(fēng)電場，風(fēng)速變化較為頻繁，某風(fēng)電機(jī)組采用功率信號反饋控制法進(jìn)行最大功率跟蹤控制。當(dāng)風(fēng)速在短時間內(nèi)頻繁波動時，控制器不斷調(diào)整發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，但由于調(diào)整速度跟不上風(fēng)速的變化，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率出現(xiàn)較大波動，同時電磁轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，最終引發(fā)了次同步振蕩，影響了風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行和電能質(zhì)量。4.3電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況的影響4.3.1電網(wǎng)強(qiáng)度對次同步振蕩的影響電網(wǎng)強(qiáng)度是衡量電網(wǎng)對擾動承受能力和維持穩(wěn)定運(yùn)行能力的重要指標(biāo)，通常用短路比（ShortCircuitRatio，SCR）來表示，即電網(wǎng)短路容量與風(fēng)電場額定容量之比。短路比越大，說明電網(wǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，對風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的支撐能力越強(qiáng)；反之，短路比越小，電網(wǎng)強(qiáng)度越弱，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后受到電網(wǎng)擾動的影響越大，次同步振蕩的發(fā)生概率也越高。當(dāng)電網(wǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)時，即短路比較大，電網(wǎng)能夠提供較為穩(wěn)定的電壓和頻率支撐。在這種情況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，受到電網(wǎng)擾動的影響相對較小。即使系統(tǒng)中存在一些微小的擾動，如風(fēng)速的短期波動、負(fù)荷的小幅度變化等，由于電網(wǎng)的強(qiáng)支撐作用，風(fēng)電機(jī)組能夠較快地恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，次同步振蕩的發(fā)生概率較低。某風(fēng)電場接入強(qiáng)度較強(qiáng)的電網(wǎng)，短路比達(dá)到10，在一段時間內(nèi)，盡管風(fēng)速存在一定波動，但風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)次同步振蕩現(xiàn)象。通過對該風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速波動時，電網(wǎng)電壓和頻率的變化較小，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能夠快速響應(yīng)并保持穩(wěn)定，有效地抑制了次同步振蕩的發(fā)生。然而，當(dāng)電網(wǎng)強(qiáng)度較弱時，短路比較小，電網(wǎng)對風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的支撐能力減弱。此時，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，受到電網(wǎng)擾動的影響較大。一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)較大的擾動，如電網(wǎng)故障、大容量負(fù)荷的投切等，風(fēng)電機(jī)組可能無法及時調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大波動，從而增加次同步振蕩的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。在某電網(wǎng)強(qiáng)度較弱的地區(qū)，風(fēng)電場接入電網(wǎng)的短路比僅為3。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生一次短暫的故障后，風(fēng)電場中的多臺雙饋風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了明顯的次同步振蕩現(xiàn)象。通過對故障期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓大幅跌落，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩迅速變化，由于電網(wǎng)支撐能力不足，風(fēng)電機(jī)組無法快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動逐漸加劇，最終引發(fā)了次同步振蕩，嚴(yán)重影響了風(fēng)電場的正常運(yùn)行和電能質(zhì)量。為了更直觀地說明電網(wǎng)強(qiáng)度對次同步振蕩的影響，通過仿真分析不同短路比下雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在MATLAB/Simulink仿真平臺上，搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)模型，設(shè)置不同的短路比參數(shù)，分別為5、8、12。在仿真過程中，對系統(tǒng)施加相同的風(fēng)速擾動，觀察風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化情況。仿真結(jié)果表明，當(dāng)短路比為5時，風(fēng)速擾動后，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了明顯的振蕩，振蕩幅度較大，且持續(xù)時間較長，次同步振蕩現(xiàn)象較為嚴(yán)重；當(dāng)短路比提高到8時，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的振蕩幅度有所減小，振蕩持續(xù)時間縮短，次同步振蕩得到一定程度的抑制；當(dāng)短路比達(dá)到12時，風(fēng)速擾動后，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定，幾乎未出現(xiàn)次同步振蕩現(xiàn)象。這進(jìn)一步驗(yàn)證了電網(wǎng)強(qiáng)度對次同步振蕩的影響，即電網(wǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，次同步振蕩的發(fā)生概率越低，振蕩程度也越輕。4.3.2負(fù)荷變化與次同步振蕩電網(wǎng)負(fù)荷變化是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的常見現(xiàn)象，其會導(dǎo)致功率供需不平衡，進(jìn)而對雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和次同步振蕩產(chǎn)生重要影響。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加時，系統(tǒng)的有功功率需求增大。如果此時電網(wǎng)中的其他電源無法及時提供足夠的有功功率，為了維持功率平衡，雙饋風(fēng)電機(jī)組需要增加輸出功率。在增加輸出功率的過程中，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)增大，轉(zhuǎn)速可能會發(fā)生變化。若風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)不能及時準(zhǔn)確地調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)負(fù)荷變化帶來的影響，就可能導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動。當(dāng)這些波動與次同步頻率相互耦合時，就容易激發(fā)次同步振蕩。在某地區(qū)電網(wǎng)中，當(dāng)夏季用電高峰時，負(fù)荷迅速增加，部分雙饋風(fēng)電機(jī)組為了滿足功率需求，加大了發(fā)電出力。由于控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度有限，在功率調(diào)整過程中，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了波動，引發(fā)了次同步振蕩，導(dǎo)致部分風(fēng)電機(jī)組的電能質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)短暫的脫網(wǎng)現(xiàn)象。相反，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷減少時，系統(tǒng)的有功功率需求降低。雙饋風(fēng)電機(jī)組需要減少輸出功率，電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小，轉(zhuǎn)速可能上升。同樣，如果風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)不能有效應(yīng)對負(fù)荷減少的情況，也可能導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，增加次同步振蕩的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。在某風(fēng)電場，當(dāng)深夜負(fù)荷大幅下降時，風(fēng)電機(jī)組開始降低發(fā)電出力。由于控制策略的不合理，在功率降低過程中，部分風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了振蕩，轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)異常波動，進(jìn)而引發(fā)了次同步振蕩，影響了風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了深入研究負(fù)荷變化對次同步振蕩的影響，通過建立數(shù)學(xué)模型和仿真分析進(jìn)行量化研究。在PSCAD仿真軟件中搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)模型，模擬不同負(fù)荷變化情況下風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)置負(fù)荷以一定的速率增加和減少，觀察風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及次同步振蕩的情況。仿真結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)荷以較快的速率增加時，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩迅速增大，轉(zhuǎn)速下降，若控制系統(tǒng)不能及時調(diào)整，在短時間內(nèi)就會出現(xiàn)次同步振蕩，且振蕩幅度較大；當(dāng)負(fù)荷以較慢的速率增加時，風(fēng)電機(jī)組有相對充裕的時間調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，次同步振蕩的發(fā)生概率和振蕩幅度相對較小。對于負(fù)荷減少的情況，也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，即負(fù)荷減少速率越快，風(fēng)電機(jī)組越容易出現(xiàn)次同步振蕩，且振蕩程度越嚴(yán)重。這表明負(fù)荷變化的速率對次同步振蕩的發(fā)生有著重要影響，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，需要合理控制負(fù)荷變化的速率，同時優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，以降低次同步振蕩的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。五、雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩的危害5.1對風(fēng)電機(jī)組的危害5.1.1軸系疲勞與損壞次同步振蕩引發(fā)的軸系交變應(yīng)力對風(fēng)電機(jī)組軸系的危害極大，長期作用下會導(dǎo)致軸系疲勞、裂紋甚至斷裂，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)次同步振蕩發(fā)生時，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)次同步頻率的波動，這種波動通過聯(lián)軸器傳遞到軸系上，使軸系承受周期性的交變應(yīng)力。根據(jù)材料力學(xué)原理，在交變應(yīng)力的作用下，軸系材料內(nèi)部會產(chǎn)生微觀裂紋，隨著時間的推移，這些裂紋會逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時，軸系的強(qiáng)度會大幅降低，最終導(dǎo)致軸系疲勞損壞。以某實(shí)際風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場采用雙饋風(fēng)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)電容線路并網(wǎng)。在一次電網(wǎng)故障后，風(fēng)電場中的多臺風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了次同步振蕩現(xiàn)象。經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，運(yùn)維人員在對風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢修時發(fā)現(xiàn)，部分風(fēng)機(jī)的軸系出現(xiàn)了明顯的疲勞裂紋。通過對故障期間的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)次同步振蕩的頻率約為15Hz，電磁轉(zhuǎn)矩的波動幅值較大，導(dǎo)致軸系承受的交變應(yīng)力超過了材料的疲勞極限。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致軸系斷裂，造成風(fēng)機(jī)停機(jī)，維修成本高昂。據(jù)估算，該風(fēng)電場因軸系疲勞損壞導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了數(shù)百萬元，還影響了風(fēng)電的正常發(fā)電，間接經(jīng)濟(jì)損失也不可忽視。軸系疲勞損壞不僅會對單個風(fēng)電機(jī)組造成影響，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，影響整個風(fēng)電場的運(yùn)行。當(dāng)一臺風(fēng)機(jī)的軸系出現(xiàn)故障時，可能會導(dǎo)致其輸出功率突然變化，進(jìn)而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，引發(fā)其他風(fēng)機(jī)的次同步振蕩，形成惡性循環(huán)。因此，有效抑制次同步振蕩，減少軸系疲勞損壞的風(fēng)險(xiǎn)，對于保障風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。5.1.2發(fā)電機(jī)電氣部件損壞次同步振蕩產(chǎn)生的過電流、過電壓會對發(fā)電機(jī)繞組、絕緣等電氣部件造成嚴(yán)重?fù)p害，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。在次同步振蕩過程中，由于風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子電流發(fā)生變化，產(chǎn)生過電流現(xiàn)象。當(dāng)次同步振蕩的頻率與發(fā)電機(jī)的固有頻率接近時，會發(fā)生共振，使電流幅值急劇增大。根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt，過電流會使發(fā)電機(jī)繞組的溫度迅速升高，導(dǎo)致繞組的絕緣性能下降。長期的過電流作用還可能使繞組的導(dǎo)線熔斷，造成發(fā)電機(jī)短路故障。次同步振蕩還會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時，電網(wǎng)電壓的波動會通過變壓器傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)，使發(fā)電機(jī)的端電壓升高。同時，由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，也會導(dǎo)致其內(nèi)部的感應(yīng)電動勢發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇過電壓的程度。過電壓會對發(fā)電機(jī)的絕緣材料造成損害，使絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低其絕緣性能。當(dāng)絕緣性能下降到一定程度時，可能會引發(fā)絕緣擊穿，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路，嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機(jī)。某風(fēng)電場在一次次同步振蕩事故中，多臺雙饋風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了不同程度的損壞。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，部分發(fā)電機(jī)的繞組絕緣老化、破損，有的甚至出現(xiàn)了短路現(xiàn)象。通過對事故原因的分析，發(fā)現(xiàn)次同步振蕩產(chǎn)生的過電流和過電壓是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損壞的主要原因。在次同步振蕩期間，發(fā)電機(jī)的電流幅值超過了額定電流的2倍，持續(xù)時間達(dá)到了數(shù)秒，導(dǎo)致繞組溫度急劇升高，絕緣性能下降。同時，發(fā)電機(jī)的端電壓也超過了額定電壓的1.5倍，對絕緣材料造成了嚴(yán)重的破壞。這次事故給風(fēng)電場帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，不僅需要更換損壞的發(fā)電機(jī)部件，還導(dǎo)致了長時間的停電，影響了風(fēng)電的正常供應(yīng)。5.2對電網(wǎng)的危害5.2.1電能質(zhì)量惡化次同步振蕩會導(dǎo)致電網(wǎng)中電壓波動和閃變問題加劇。在次同步振蕩過程中，風(fēng)電機(jī)組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和電流出現(xiàn)次同步頻率的波動，這會使接入點(diǎn)的電壓產(chǎn)生波動。當(dāng)次同步振蕩的頻率與電網(wǎng)中某些電氣設(shè)備的固有頻率接近時，可能引發(fā)諧振，進(jìn)一步增大電壓波動的幅度。這些電壓波動會以閃變的形式影響用戶端的電能質(zhì)量，導(dǎo)致燈光閃爍，影響照明設(shè)備的正常使用，對于一些對電壓穩(wěn)定性要求較高的精密儀器和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，如電子芯片制造設(shè)備、自動化生產(chǎn)線等，電壓波動可能導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常，降低產(chǎn)品質(zhì)量，甚至損壞設(shè)備。次同步振蕩還會使電網(wǎng)中的諧波含量顯著增加。由于次同步振蕩會引起風(fēng)電機(jī)組的電流和電壓發(fā)生畸變，這些畸變的信號中包含了豐富的諧波成分。風(fēng)電機(jī)組的變流器在次同步振蕩的影響下，其開關(guān)動作的時序和規(guī)律會受到干擾，導(dǎo)致輸出電流中的諧波含量大幅上升。這些諧波注入電網(wǎng)后，會與電網(wǎng)中的其他電氣設(shè)備相互作用，可能引發(fā)額外的功率損耗，降低電網(wǎng)的輸電效率。諧波還可能導(dǎo)致變壓器、電機(jī)等設(shè)備的鐵芯過熱，加速絕緣老化，縮短設(shè)備的使用壽命。諧波還會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響通信質(zhì)量。在某風(fēng)電場，由于次同步振蕩的發(fā)生，風(fēng)電機(jī)組接入點(diǎn)的電壓波動幅值達(dá)到了額定電壓的5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍，導(dǎo)致周邊用戶的燈光出現(xiàn)明顯閃爍，部分精密電子設(shè)備出現(xiàn)故障。通過對電網(wǎng)諧波的監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，諧波含量大幅增加，其中5次諧波電流含量超過了額定電流的10%，7次諧波電流含量超過了額定電流的8%，這些諧波不僅影響了風(fēng)電場自身設(shè)備的正常運(yùn)行，還對周邊電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響。5.2.2電網(wǎng)穩(wěn)定性降低次同步振蕩對電網(wǎng)穩(wěn)定性的破壞是多方面的，其中電壓失穩(wěn)是一個重要表現(xiàn)。當(dāng)次同步振蕩發(fā)生時，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的功率交換出現(xiàn)異常，導(dǎo)致電網(wǎng)中的無功功率分布發(fā)生變化。若風(fēng)電機(jī)組無法及時向電網(wǎng)提供足夠的無功支持，或者吸收過多的無功功率，會使電網(wǎng)的電壓水平下降。當(dāng)電壓下降到一定程度時，可能引發(fā)電壓崩潰，導(dǎo)致部分地區(qū)停電。在某電網(wǎng)中，一次次同步振蕩事件導(dǎo)致風(fēng)電場附近的電壓持續(xù)下降，盡管電網(wǎng)調(diào)度部門采取了緊急措施，如投入無功補(bǔ)償裝置、調(diào)整發(fā)電機(jī)的無功出力等，但由于次同步振蕩的持續(xù)影響，電壓仍然無法恢復(fù)穩(wěn)定，最終導(dǎo)致該地區(qū)部分變電站停電，影響了大量用戶的正常用電。頻率波動也是次同步振蕩影響電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)。由于次同步振蕩會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動，當(dāng)大量風(fēng)電機(jī)組同時受到次同步振蕩影響時，會使電網(wǎng)的有功功率平衡遭到破壞，進(jìn)而引發(fā)頻率波動。若頻率波動超出了電網(wǎng)的允許范圍，會對電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生不利影響，如使異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，影響工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行；還可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動作，進(jìn)一步擴(kuò)大事故范圍。在某區(qū)域電網(wǎng)中，一次次同步振蕩事件導(dǎo)致風(fēng)電場的輸出功率大幅波動，使得電網(wǎng)頻率在短時間內(nèi)從50Hz下降到49.5Hz，部分地區(qū)的異步電動機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降、發(fā)熱等問題，部分繼電保護(hù)裝置也出現(xiàn)了誤動作，導(dǎo)致一些線路跳閘，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的正常運(yùn)行。次同步振蕩還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定性被嚴(yán)重破壞。當(dāng)一臺風(fēng)電機(jī)組發(fā)生次同步振蕩時，可能會影響到與其相連的其他風(fēng)電機(jī)組和電氣設(shè)備，使次同步振蕩在電網(wǎng)中傳播和擴(kuò)散。若不能及時采取有效的控制措施，次同步振蕩可能會逐漸加劇，導(dǎo)致更多的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，最終引發(fā)整個電網(wǎng)的崩潰。在國外某大型風(fēng)電場，一次次同步振蕩事故最初由少數(shù)幾臺風(fēng)機(jī)引發(fā)，由于未能及時有效控制，次同步振蕩迅速傳播到整個風(fēng)電場，導(dǎo)致大量風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，進(jìn)而引發(fā)周邊電網(wǎng)的電壓和頻率大幅波動，最終造成了大面積停電事故，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會生活帶來了巨大損失。六、雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩的抑制策略6.1基于控制策略改進(jìn)的抑制方法6.1.1改進(jìn)的矢量控制策略在雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制策略中，電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的控制參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能起著關(guān)鍵作用。當(dāng)這些參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時，容易引發(fā)次同步振蕩，因此對其進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。以某實(shí)際雙饋風(fēng)電機(jī)組為例，在正常運(yùn)行時，其電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)K_{p1}設(shè)置為0.5，積分系數(shù)K_{i1}設(shè)置為50；速度外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}設(shè)置為0.3，積分系數(shù)K_{i2}設(shè)置為30。在一次風(fēng)速突變的情況下，由于速度外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}較小，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，速度外環(huán)不能及時調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的給定值，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法快速跟隨轉(zhuǎn)速的變化，從而引發(fā)了次同步振蕩。通過優(yōu)化速度外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}，將其增大到0.5，在相同的風(fēng)速突變情況下，速度外環(huán)能夠更迅速地響應(yīng)轉(zhuǎn)速變化，及時調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的給定值，使發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩能夠快速跟隨轉(zhuǎn)速變化，有效抑制了次同步振蕩的發(fā)生。在電流內(nèi)環(huán)控制中，增加阻尼控制環(huán)節(jié)是抑制次同步振蕩的重要手段。阻尼控制環(huán)節(jié)可以通過引入附加的阻尼電流來增加系統(tǒng)的阻尼，從而抑制次同步振蕩的發(fā)展。具體實(shí)現(xiàn)方式是在電流內(nèi)環(huán)的控制算法中，根據(jù)次同步振蕩的頻率和幅值，實(shí)時計(jì)算并注入一個與次同步振蕩分量反相位的阻尼電流。假設(shè)次同步振蕩的頻率為f_{ss}，通過鎖相環(huán)等技術(shù)檢測出次同步振蕩的相位\theta_{ss}，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的阻尼系數(shù)K_5f95d9d，計(jì)算出阻尼電流的幅值I_bljfnzp，即I_n7t73nj=K_zpb5f7v\timesI_{ss}，其中I_{ss}為次同步振蕩電流的幅值。將計(jì)算得到的阻尼電流疊加到電流內(nèi)環(huán)的給定值中，通過控制變流器的輸出，將阻尼電流注入到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中。這樣，阻尼電流與次同步振蕩電流相互作用，產(chǎn)生一個與次同步振蕩方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，從而消耗次同步振蕩的能量，抑制其發(fā)展。為了驗(yàn)證改進(jìn)的矢量控制策略的有效性，通過仿真進(jìn)行分析。在MATLAB/Simulink仿真平臺上，搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)模型，設(shè)置不同的運(yùn)行工況，對比改進(jìn)前后矢量控制策略下系統(tǒng)的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果表明，在改進(jìn)矢量控制策略后，當(dāng)系統(tǒng)受到風(fēng)速突變、電網(wǎng)電壓波動等擾動時，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動明顯減小，次同步振蕩得到了有效抑制，系統(tǒng)能夠更快地恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。6.1.2自適應(yīng)控制策略自適應(yīng)控制策略是一種能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時調(diào)整控制參數(shù)的先進(jìn)控制方法，其核心思想是通過實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、電網(wǎng)電壓和電流等信號，利用自適應(yīng)算法對控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，使系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，從而有效抑制次同步振蕩的發(fā)生。自適應(yīng)控制策略通?；谀Ｐ蛥⒖甲赃m應(yīng)控制（MRAC）、自適應(yīng)滑?？刂疲ˋSMC）等理論實(shí)現(xiàn)。以模型參考自適應(yīng)控制為例，它由參考模型和自適應(yīng)控制器兩部分組成。參考模型根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的理想運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其輸出代表了系統(tǒng)期望的響應(yīng)。自適應(yīng)控制器則根據(jù)參考模型的輸出與實(shí)際系統(tǒng)輸出之間的誤差，利用自適應(yīng)算法實(shí)時調(diào)整控制參數(shù)，使實(shí)際系統(tǒng)的輸出盡可能接近參考模型的輸出。在雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)中，將風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等作為輸入信號，通過參考模型計(jì)算出期望的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。自適應(yīng)控制器實(shí)時監(jiān)測實(shí)際的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，與參考模型的輸出進(jìn)行比較，得到誤差信號。根據(jù)誤差信號，利用自適應(yīng)算法調(diào)整變流器的控制參數(shù)，如轉(zhuǎn)子電流的幅值、頻率和相位等，從而實(shí)現(xiàn)對雙饋風(fēng)電機(jī)組的精確控制，抑制次同步振蕩。自適應(yīng)滑?？刂苿t是通過設(shè)計(jì)滑模面，使系統(tǒng)的狀態(tài)在滑模面上滑動，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。在雙饋風(fēng)電機(jī)組中，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)變量，如電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流等，設(shè)計(jì)合適的滑模面。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模面時，自適應(yīng)滑模控制器會產(chǎn)生一個控制信號，使系統(tǒng)狀態(tài)迅速回到滑模面上，并在滑模面上穩(wěn)定運(yùn)行。在滑模控制器的設(shè)計(jì)中，利用自適應(yīng)算法實(shí)時調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化，提高控制器的魯棒性和抗干擾能力。在某實(shí)際風(fēng)電場中，采用自適應(yīng)控制策略對雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制。在運(yùn)行過程中，通過傳感器實(shí)時監(jiān)測風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號，自適應(yīng)控制器根據(jù)這些信號實(shí)時調(diào)整變流器的控制參數(shù)。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，自適應(yīng)控制器能夠快速響應(yīng)，調(diào)整發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行在最佳的風(fēng)能利用系數(shù)下，同時有效抑制了次同步振蕩的發(fā)生。與采用傳統(tǒng)控制策略的風(fēng)電機(jī)組相比，采用自適應(yīng)控制策略的風(fēng)電機(jī)組在面對風(fēng)速波動等擾動時，輸出功率更加穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動明顯減小，次同步振蕩得到了有效抑制，提高了風(fēng)電場的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。6.2基于附加裝置的抑制方法6.2.1靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）作為一種重要的靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）裝置，在抑制雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它的工作原理基于電力電子技術(shù)，通過控制電力電子器件的通斷，將直流側(cè)的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓同頻率的交流電能，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出電流的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)無功功率的快速、精確控制。在結(jié)構(gòu)上，STATCOM主要由電壓源型變流器（VSC）、直流儲能電容和連接電抗器等部分組成。電壓源型變流器是STATCOM的核心部件，它由多個電力電子開關(guān)器件組成，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT），通過控制這些開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷順序及時間，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出電壓和電流的靈活控制。直流儲能電容用于存儲能量，維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，為變流器的正常工作提供能量支持。連接電抗器則起到隔離和濾波的作用，一方面將STATCOM與電網(wǎng)連接起來，另一方面可以濾除變流器輸出電流中的諧波成分，提高電能質(zhì)量。STATCOM附加寬頻帶阻尼控制抑制次同步振蕩的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時，STATCOM能夠?qū)崟r檢測系統(tǒng)中的次同步信號。通過高精度的傳感器和信號處理電路，采集電網(wǎng)電壓、電流以及風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)電氣量，利用先進(jìn)的信號分析算法，如快速傅里葉變換（FFT）等，準(zhǔn)確提取出其中的次同步頻率分量及其幅值和相位信息。根據(jù)檢測到的次同步信號，STATCOM迅速調(diào)整自身的控制策略，產(chǎn)生與次同步分量同相位的次同步電壓。通過對電壓源型變流器的控制，改變其輸出電壓的幅值、頻率和相位，使其輸出的次同步電壓與系統(tǒng)中存在的次同步振蕩電壓同相位。這樣，當(dāng)STATCOM將該次同步電壓注入電網(wǎng)后，能夠與風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的次同步振蕩相互作用，增加系統(tǒng)的阻尼，從而抑制次同步振蕩的發(fā)展。以某實(shí)際雙饋風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場采用STATCOM附加寬頻帶阻尼控制來抑制次同步振蕩。在一次風(fēng)速突變引發(fā)次同步振蕩的情況下，STATCOM檢測到系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率為12Hz的次同步振蕩信號。通過控制算法的快速計(jì)算和調(diào)整，STATCOM迅速輸出與該次同步振蕩同相位的次同步電壓。注入電網(wǎng)后，該次同步電壓與風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩相互作用，使得系統(tǒng)的阻尼迅速增加。經(jīng)過短暫的時間，次同步振蕩的幅值明顯減小，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，有效地保障了風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了進(jìn)一步驗(yàn)證STATCOM附加寬頻帶阻尼控制抑制次同步振蕩的效果，通過仿真分析進(jìn)行量化研究。在MATLAB/Simulink仿真平臺上，搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)模型，并接入STATCOM。設(shè)置不同的次同步振蕩工況，如不同的振蕩頻率和幅值，對比接入STATCOM前后系統(tǒng)的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果表明，在接入STATCOM附加寬頻帶阻尼控制后，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動明顯減小，次同步振蕩得到了有效抑制。在振蕩頻率為10Hz、幅值為額定值的10%的工況下，接入STATCOM前，電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩幅值達(dá)到額定值的30%，轉(zhuǎn)速波動范圍為±5%；接入STATCOM后，電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩幅值降低到額定值的10%以內(nèi)，轉(zhuǎn)速波動范圍減小到±2%，系統(tǒng)能夠更快地恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。6.2.2阻尼控制器（DampingController）阻尼控制器是抑制雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩的重要附加裝置之一，其主要作用是通過提供額外的阻尼，消耗次同步振蕩的能量，從而有效抑制振蕩的發(fā)展。常見的阻尼控制器類型包括基于電力電子器件的阻尼控制器和基于電氣元件的阻尼控制器。基于電力電子器件的阻尼控制器，如靜止無功補(bǔ)償器（SVC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等，它們利用電力電子器件的快速開關(guān)特性，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)中的次同步振蕩信號，并通過控制自身的輸出電流或電壓，產(chǎn)生與次同步振蕩相反的阻尼轉(zhuǎn)矩，從而抑制振蕩。以靜止無功補(bǔ)償器（SVC）為例，它由晶閘管控制電抗器（TCR）和固定電容器（FC）組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時，SVC通過檢測電網(wǎng)電壓和電流的變化，控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)電抗器的電抗值，從而改變SVC的輸出無功功率。根據(jù)次同步振蕩的情況，SVC可以輸出感性無功或容性無功，與系統(tǒng)中的次同步振蕩相互作用，產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩，消耗振蕩能量，抑制次同步振蕩的發(fā)展。基于電氣元件的阻尼控制器則是利用電阻、電感、電容等電氣元件組成的電路來實(shí)現(xiàn)阻尼控制。常見的有阻尼電阻、阻尼濾波器等。阻尼電阻是一種簡單有效的阻尼控制器，它通過在風(fēng)電機(jī)組的電路中串聯(lián)或并聯(lián)一定阻值的電阻，當(dāng)次同步振蕩發(fā)生時，電阻會消耗振蕩能量，從而起到抑制振蕩的作用。阻尼濾波器則是根據(jù)次同步振蕩的頻率特性，設(shè)計(jì)特定的濾波電路，對次同步振蕩信號進(jìn)行濾波，使其無法在系統(tǒng)中傳播和放大，從而達(dá)到抑制次同步振蕩的目的。阻尼控制器通過提供額外阻尼抑制次同步振蕩的原理基于能量守恒定律。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時，系統(tǒng)中存在著一定的振蕩能量，這些能量會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動。阻尼控制器的作用就是在振蕩過程中，通過自身的工作機(jī)制，將振蕩能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱能（在電阻中消耗）或電場能、磁場能（在電容、電感中儲存和釋放），從而使振蕩能量逐漸減少，振蕩幅值逐漸降低，最終實(shí)現(xiàn)對次同步振蕩的有效抑制。以某風(fēng)電場采用阻尼濾波器抑制次同步振蕩為例，該風(fēng)電場在雙饋風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)線路中安裝了阻尼濾波器。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時，阻尼濾波器能夠準(zhǔn)確地對次同步振蕩信號進(jìn)行濾波。假設(shè)次同步振蕩的頻率為15Hz，阻尼濾波器通過其特定的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，對15Hz的次同步振蕩信號具有很高的阻抗，使得該頻率的振蕩信號無法通過濾波器，從而被限制在一定范圍內(nèi)，無法在系統(tǒng)中傳播和放大。經(jīng)過阻尼濾波器的作用，風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動明顯減小，次同步振蕩得到了有效抑制，保障了風(fēng)電場的穩(wěn)定運(yùn)行。為了評估阻尼控制器抑制次同步振蕩的效果，通過實(shí)驗(yàn)和仿真進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)室搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模擬系統(tǒng)，并接入阻尼控制器。通過設(shè)置不同的振蕩工況，測量接入阻尼控制器前后系統(tǒng)的電氣量變化，如電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接入阻尼控制器后，系統(tǒng)的次同步振蕩得到了顯著抑制。在某一振蕩工況下，接入阻尼控制器前，電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩幅值為額定值的25%，接入后降低到10%以內(nèi)；轉(zhuǎn)速的波動范圍從±8%減小到±3%。通過仿真分析也得到了類似的結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了阻尼控制器在抑制次同步振蕩方面的有效性。6.3基于系統(tǒng)優(yōu)化的抑制方法6.3.1優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是降低雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的重要舉措，其中加強(qiáng)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)和合理布局風(fēng)電場是兩個關(guān)鍵方面。加強(qiáng)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)能夠有效增強(qiáng)電網(wǎng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而降低次同步振蕩的發(fā)生概率。通過增加輸電線路的條數(shù)和容量，可以提高電網(wǎng)的輸電能力和可靠性，減少線路的傳輸損耗。在某地區(qū)的電網(wǎng)規(guī)劃中，原本風(fēng)電場與電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線路較少，當(dāng)風(fēng)電場出力增加時，線路容易出現(xiàn)過載現(xiàn)象，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動，增加了次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。后來，該地區(qū)新增了幾條輸電線路，加強(qiáng)了風(fēng)電場與電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)，使電網(wǎng)的輸電能力得到顯著提升。在相同的風(fēng)電場出力情況下，線路不再出現(xiàn)過載現(xiàn)象，電網(wǎng)電壓更加穩(wěn)定，次同步振蕩的發(fā)生概率明顯降低。構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)也是加強(qiáng)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的重要方式。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以提供多條輸電路徑，當(dāng)某條線路出現(xiàn)故障或受到擾動時，電力可以通過其他線路傳輸，從而提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。以某大型電網(wǎng)為例，該電網(wǎng)通過構(gòu)建環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將多個風(fēng)電場和負(fù)荷中心連接在一起。在一次局部電網(wǎng)故障中，雖然部分線路跳閘，但由于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的存在，風(fēng)電場的電力仍然能夠通過其他線路傳輸?shù)截?fù)荷中心，保障了電力的正常供應(yīng)，同時也有效抑制了次同步振蕩的傳播和擴(kuò)大。合理布局風(fēng)電場對于降低次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)同樣至關(guān)重要。在規(guī)劃風(fēng)電場時，應(yīng)充分考慮地理?xiàng)l件、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布等因素，使風(fēng)電場與電網(wǎng)之間的電氣距離合理，減少線路電抗。如果風(fēng)電場距離電網(wǎng)過遠(yuǎn)，線路電抗會增大，導(dǎo)致輸電過程中的功率損耗增加，電壓降落明顯，容易引發(fā)次同步振蕩。在某偏遠(yuǎn)地區(qū)規(guī)劃風(fēng)電場時，由于沒有充分考慮電氣距離，風(fēng)電場與電網(wǎng)之間的輸電線路長達(dá)百公里以上，線路電抗較大。在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行后，多次出現(xiàn)次同步振蕩現(xiàn)象，影響了風(fēng)電場的正常發(fā)電和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。后來，通過優(yōu)化風(fēng)電場的布局，將其選址調(diào)整到距離電網(wǎng)較近的區(qū)域，并重新規(guī)劃輸電線路，有效降低了線路電抗，次同步振蕩問題得到了明顯改善。還應(yīng)避免風(fēng)電場過于集中，防止局部電網(wǎng)的風(fēng)電滲透率過高。當(dāng)風(fēng)電滲透率過高時，電網(wǎng)對風(fēng)電機(jī)組的接納能力下降，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，次同步振蕩的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加。在某地區(qū)，由于多個風(fēng)電場集中建設(shè)在同一區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域的風(fēng)電滲透率超過了50%。在風(fēng)速變化較大時，該地區(qū)電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)次同步振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這一問題，該地區(qū)對風(fēng)電場進(jìn)行了合理布局調(diào)整，將部分風(fēng)電場分散到其他區(qū)域，降低了局部地區(qū)的風(fēng)電滲透率。調(diào)整后，電網(wǎng)的穩(wěn)定性得到了顯著提高，次同步振蕩現(xiàn)象明顯減少。6.3.2協(xié)調(diào)風(fēng)電場與電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場與電網(wǎng)在功率調(diào)節(jié)和運(yùn)行方式上的協(xié)調(diào)配合，對于抑制次同步振蕩起著關(guān)鍵作用。在功率調(diào)節(jié)方面，風(fēng)電場應(yīng)具備靈活的功率調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)電網(wǎng)的需求及時調(diào)整輸出功率。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變化時，風(fēng)電場需要相應(yīng)地增加或減少發(fā)電出力，以維持電網(wǎng)的功率平衡。在負(fù)荷高峰時段，風(fēng)電場應(yīng)加大發(fā)電出力，滿足電網(wǎng)的用電需求；在負(fù)荷低谷時段，風(fēng)電場應(yīng)適當(dāng)降低發(fā)電出力，避免電力過剩。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，風(fēng)電場可以采用先進(jìn)的功率控制策略，如基于模型預(yù)測控制的功率調(diào)節(jié)方法。該方法通過對電網(wǎng)負(fù)荷和風(fēng)速等信息的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)測，提前調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的控制參數(shù)，使風(fēng)電場能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)電網(wǎng)的功率需求。在某風(fēng)電場采用基于模型預(yù)測控制的功率調(diào)節(jié)方法后，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化時，風(fēng)電場能夠在短時間內(nèi)調(diào)整發(fā)電出力，有效維持了電網(wǎng)的功率平衡，抑制了次同步振蕩的發(fā)生。電網(wǎng)也需要具備相應(yīng)的調(diào)節(jié)能力，能夠?qū)︼L(fēng)電場的功率波動進(jìn)行有效平抑。電網(wǎng)可以通過調(diào)節(jié)其他電源的出力、投入或切除無功補(bǔ)償裝置等方式，來平衡風(fēng)電場的功率波動。在風(fēng)電場出力突然增加時，電網(wǎng)可以適當(dāng)降低其他火電或水電的出力，同時投入無功補(bǔ)償裝置，維持電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定，從而抑制次同步振蕩的發(fā)生。在某電網(wǎng)中，當(dāng)風(fēng)電場出力突然增加時，電網(wǎng)調(diào)度部門及時調(diào)整了火電的發(fā)電出力，并投入了靜止無功補(bǔ)償器（SVC），快速平抑了風(fēng)電場的功率波動，避免了次同步振蕩的發(fā)生。在運(yùn)行方式上，風(fēng)電場與電網(wǎng)應(yīng)制定合理的運(yùn)行計(jì)劃，確保兩者的運(yùn)行方式相互協(xié)調(diào)。風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和要求，合理安排風(fēng)機(jī)的啟停和運(yùn)行狀態(tài)切換。在電網(wǎng)發(fā)生故障或進(jìn)行檢修時，風(fēng)電場應(yīng)按照電網(wǎng)的指令及時調(diào)整運(yùn)行方式，避免對電網(wǎng)造成沖擊。電網(wǎng)也應(yīng)充分考慮風(fēng)電場的特點(diǎn)和需求，合理安排電網(wǎng)的運(yùn)行方式。在安排電網(wǎng)的檢修計(jì)劃時，應(yīng)盡量避開風(fēng)電場的發(fā)電高峰期，減少對風(fēng)電場發(fā)電的影響。通過風(fēng)電場與電網(wǎng)運(yùn)行方式的協(xié)調(diào)配合，可以有效降低次同步振蕩的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。風(fēng)電場與電網(wǎng)還應(yīng)加強(qiáng)信息共享和通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)交互和協(xié)同控制。通過建立高效的通信系統(tǒng)，風(fēng)電場可以將自身的運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電功率、風(fēng)速等信息實(shí)時傳輸給電網(wǎng)調(diào)度部門，電網(wǎng)調(diào)度部門也可以將電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷需求、控制指令等信息及時傳達(dá)給風(fēng)電場?；谶@些實(shí)時數(shù)據(jù)，風(fēng)電場和電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，共同應(yīng)對各種運(yùn)行工況，有效抑制次同步振蕩的發(fā)生。在某地區(qū)的電力系統(tǒng)中，風(fēng)電場與電網(wǎng)建立了高速、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時共享和交互。在一次電網(wǎng)電壓波動事件中，電網(wǎng)調(diào)度部門根據(jù)風(fēng)電場傳輸?shù)膶?shí)時數(shù)據(jù)，及時向風(fēng)電場發(fā)出調(diào)整發(fā)電出力的指令，風(fēng)電場迅速響應(yīng)，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)的控制參數(shù)，有效抑制了次同步振蕩的發(fā)生，保障了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。七、案例分析7.1某實(shí)際風(fēng)電場次同步振蕩事故分析某風(fēng)電場位于我國北方地區(qū)，風(fēng)資源豐富，總裝機(jī)容量為100MW，共安裝了50臺單機(jī)容量為2MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組。該風(fēng)電場采用經(jīng)串補(bǔ)電容并網(wǎng)方式，輸電線路長度為50km，串補(bǔ)電容的補(bǔ)償度為30%。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，短路比約為4。事故發(fā)生前，風(fēng)電場運(yùn)行較為穩(wěn)定，風(fēng)速在7-8m/s之間，風(fēng)電機(jī)組出力約為額定功率的70%。事故發(fā)生時，該地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷突然增加，為了滿足負(fù)荷需求，電網(wǎng)調(diào)度部門要求風(fēng)電場增加發(fā)電出力。風(fēng)電場按照指令調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的控制參數(shù)，增加了發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。然而，在增加出力的過程中，部分風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了異常振動和噪聲。通過對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)部分機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了明顯的次同步頻率波動，頻率約為12Hz。隨著時間的推移，次同步振蕩現(xiàn)象逐漸加劇，更多的風(fēng)電機(jī)組受到影響，導(dǎo)致風(fēng)電場的輸出功率出現(xiàn)大幅波動，并網(wǎng)電能質(zhì)量惡化。電網(wǎng)電壓也出現(xiàn)了明顯的波動和閃變，對周邊用戶的用電設(shè)備造成了影響。經(jīng)調(diào)查分析，此次次同步振蕩事故的原因主要有以下幾點(diǎn)：串補(bǔ)電容的影響：風(fēng)電場采用經(jīng)串補(bǔ)電容并網(wǎng)方式，串補(bǔ)電容的補(bǔ)償度為30%，在該補(bǔ)償度下，輸電線路的電氣諧振頻率與風(fēng)電機(jī)組軸系的自然扭振頻率接近，當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)荷變化等擾動時，容易引發(fā)次同步諧振。在電網(wǎng)負(fù)荷突然增加，風(fēng)電場增加發(fā)電出力的過程中，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，引發(fā)了串補(bǔ)電容與風(fēng)電機(jī)組之間的次同步諧振，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)次同步頻率波動。風(fēng)電機(jī)組控制策略的影響：該風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機(jī)組采用矢量控制策略，但在控制參數(shù)設(shè)置上存在不合理之處。在增加發(fā)電出力時，電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的控制參數(shù)未能及時調(diào)整，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法快速跟隨轉(zhuǎn)速的變化，進(jìn)一步加劇了次同步振蕩。電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)設(shè)置過小，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)作用較弱，無法及時調(diào)整轉(zhuǎn)子電流，使得電磁轉(zhuǎn)矩波動較大，與次同步振蕩相互耦合，導(dǎo)致振蕩加劇。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響：該地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，短路比約為4，電網(wǎng)對風(fēng)電場的支撐能力不足。當(dāng)風(fēng)電場出現(xiàn)次同步振蕩時，電網(wǎng)無法提供足夠的阻尼來抑制振蕩，使得振蕩逐漸擴(kuò)大，影響了更多的風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此次次同步振蕩事故給風(fēng)電場和電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的危害：對風(fēng)電機(jī)組的危害：次同步振蕩導(dǎo)致部分風(fēng)電機(jī)組的軸系受到交變應(yīng)力的作用，出現(xiàn)疲勞損傷。經(jīng)檢查，多臺風(fēng)機(jī)的軸系出現(xiàn)了微小裂紋，若不及時修復(fù)，可能會導(dǎo)致軸系斷裂，造成風(fēng)機(jī)停機(jī)，維修成本高昂。次同步振蕩還使得發(fā)電機(jī)的電氣部件受到損害，部分發(fā)電機(jī)的繞組絕緣性能下降，出現(xiàn)了短路故障的隱患，影響了發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。對電網(wǎng)的危害：風(fēng)電場輸出功率的大幅波動和并網(wǎng)電能質(zhì)量的惡化，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動和閃變，影響了周邊用戶的正常用電。部分對電壓穩(wěn)定性要求較高的工業(yè)用戶，如電子芯片制造企業(yè)，因電壓波動導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障，產(chǎn)品質(zhì)量下降，造成了經(jīng)濟(jì)損失。次同步振蕩還對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了威脅，若振蕩進(jìn)一步擴(kuò)大，可能會引發(fā)電網(wǎng)的電壓崩潰和頻率失穩(wěn)，導(dǎo)致大面積停電事故。7.2抑制策略在實(shí)際風(fēng)電場中的應(yīng)用效果針對該風(fēng)電場的次同步振蕩問題，采取了一系列抑制策略。在控制策略改進(jìn)方面，優(yōu)化了雙饋風(fēng)電機(jī)組的矢量控制策略。對電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的控制參數(shù)進(jìn)行了重新整定，將電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)從原來的0.3提高到0.5，積分系數(shù)從40調(diào)整為50；速度外環(huán)的比例系數(shù)從0.2增大到0.3，積分系數(shù)從30調(diào)整為35。這樣調(diào)