基于DFIG風(fēng)電場(chǎng)功率振蕩的成因分析

王興亮，姚鋼，周荔丹，王豐華，顧臨峰，王杰

（1．上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 202157；2.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240；3.上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200030）

基于DFIG風(fēng)電場(chǎng)功率振蕩的成因分析

王興亮1，姚鋼2，周荔丹2，王豐華2，顧臨峰3，王杰2

（1．上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 202157；2.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240；3.上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200030）

為更加全面、深入研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象，提高DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，基于某公司風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)故障的研究背景，引入了電力系統(tǒng)間諧波振蕩的新概念來(lái)描述DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象。首先從間諧波的角度對(duì)雙饋風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩機(jī)理進(jìn)行研究分析，其次通過(guò)PSCAD仿真模擬實(shí)際的脫網(wǎng)故障，最后利用MATLAB對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而驗(yàn)證了相應(yīng)頻率風(fēng)速的振蕩也是DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)振蕩的成因之一，由于風(fēng)速存在一定頻率的振蕩導(dǎo)致DFIG系統(tǒng)中產(chǎn)生了間諧波，以至于間諧波與基波的相互疊加造成了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生振蕩現(xiàn)象。提出的間諧波振蕩對(duì)今后風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析提供了一種新的思路。

風(fēng)電場(chǎng)；諧波振蕩；PSCAD；MATLAB

現(xiàn)階段以太陽(yáng)能、風(fēng)能為代表的大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能的不穩(wěn)定特性，所以把它們歸屬于波動(dòng)性電源。隨著其接入量的逐漸增大，勢(shì)必對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、電能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男б嫘砸约靶履茉绰?lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性造成重大影響[1-2]。

引起DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)振蕩的因素較多。文獻(xiàn)[3]針對(duì)風(fēng)電接入潮流不變或是改變，研究了風(fēng)電場(chǎng)不同運(yùn)行工況、接入容量以及是否參與無(wú)功調(diào)度對(duì)系統(tǒng)區(qū)域間、局部振蕩模態(tài)以及風(fēng)電機(jī)組軸系振蕩模態(tài)的影響。文獻(xiàn)[4]分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組不同運(yùn)行狀態(tài)下輸出與機(jī)端電壓控制環(huán)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩模態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)[5]利用頻率掃描法分析不同風(fēng)速和串補(bǔ)度引起的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)（IGE），分析了風(fēng)速、線路串補(bǔ)度和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制參數(shù)等對(duì)于系統(tǒng)次同步振蕩特性的影響。文獻(xiàn)[6]則采用測(cè)試信號(hào)法，揭示風(fēng)速、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制參數(shù)、輸電線路串補(bǔ)度及線路電阻對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電氣阻尼的影響，進(jìn)而研究了DFIG的電氣阻尼對(duì)于風(fēng)電機(jī)組控制器或是機(jī)組軸系相互作用而引發(fā)的次同步振蕩的作用。文獻(xiàn)[7]基于為系統(tǒng)提供的正阻尼范圍以及對(duì)相應(yīng)的比例積分微分PID相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)及控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)，研究雙饋風(fēng)電場(chǎng)在不同控制策略優(yōu)化前后的幅頻特性和電氣阻尼系數(shù)大小對(duì)于系統(tǒng)次同步振蕩的改善效果。

風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間機(jī)械零部件軸系扭振需要特定的激發(fā)源，本文研究的內(nèi)容具備隨機(jī)性和一般性的特點(diǎn)，因此簡(jiǎn)化了風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間機(jī)械零部件軸系扭振模態(tài)頻率等其他因素對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)振蕩的影響，主要研究系統(tǒng)穩(wěn)定性與風(fēng)速的隨機(jī)性振蕩之間的相應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證風(fēng)速的振蕩是引起DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)振蕩的原因之一。文章以含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的波動(dòng)性電源系統(tǒng)為例進(jìn)行模態(tài)分析和數(shù)字仿真，著重分析了電力系統(tǒng)間諧波對(duì)于DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)振蕩的影響，并提出了一種新的概念：將間諧波引起的振蕩稱之為間諧波振蕩。本文利用頻域模型對(duì)雙饋電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，充分研究了隨風(fēng)速的波動(dòng)振蕩而產(chǎn)生間諧波的機(jī)理以及間諧波引起系統(tǒng)振蕩的原因；并且在PSCAD仿真平臺(tái)中搭建模型，通過(guò)時(shí)域仿真分析的結(jié)果驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)振蕩的背景與現(xiàn)象

根據(jù)（國(guó)華沽源恒泰風(fēng)電場(chǎng)）某公司風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)故障，研究成立了關(guān)于電網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的科研項(xiàng)目。本項(xiàng)目為國(guó)華能源投資公司的科技項(xiàng)目，針對(duì)1.25 MW風(fēng)機(jī)在沽源恒泰風(fēng)場(chǎng)頻發(fā)脫網(wǎng)故障，分析電網(wǎng)故障諧波類型和電網(wǎng)諧波對(duì)SEG變流器控制策略的影響，從而改進(jìn)控制策略，減小電網(wǎng)電壓諧波對(duì)定子電流的影響，達(dá)到變流器在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)情況下不脫網(wǎng)，并且改造后變流器各項(xiàng)性能不低于改造前的水平。

項(xiàng)目系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)會(huì)使風(fēng)機(jī)脫離并網(wǎng)狀態(tài)，這對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全性造成了十分嚴(yán)重的影響。風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)故障會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，降低清潔能源的利用率，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)造成極大損失。

圖1 項(xiàng)目研究系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 The system schematic of the project under study

如圖2所示，從脫網(wǎng)故障時(shí)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄波曲線以及頻譜圖。分析表明定子電流和網(wǎng)側(cè)電流中明顯存在8 Hz左右的電流間諧波，項(xiàng)目中通過(guò)改變系統(tǒng)線路的串補(bǔ)度來(lái)得到系統(tǒng)的頻率阻抗特性曲線。在此基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中加入小擾動(dòng)模擬風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)的8 Hz左右的電流間諧波，根據(jù)頻率阻抗特性分析比較變流器控制作用下擾動(dòng)前后的響應(yīng)，從而通過(guò)改變變流器的控制策略來(lái)降低電網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩。本文通過(guò)控制風(fēng)速的變化，模擬出電網(wǎng)系統(tǒng)線路中存在的8Hz左右的電流間諧波，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理分析和仿真分析。

2 基于DFIG風(fēng)電系統(tǒng)振蕩的機(jī)理分析

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。其發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電路具有功率雙向流動(dòng)的能力，這使得發(fā)電機(jī)既能運(yùn)行在次同步模式，也能夠運(yùn)行在超同步模式。在不同的運(yùn)行工況具有不同的功率傳遞關(guān)系，其中Pw，Pr，Ps分別表示發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率、轉(zhuǎn)子回路功率和定子回路功率。不同運(yùn)行狀態(tài)下雙饋機(jī)的實(shí)際功率流向如圖3所示。

圖2 脫網(wǎng)故障典型事例Fig.2 The typical examples of network faults

圖3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)Fig.3 The doubly fed of wind power generator system

2.2 定轉(zhuǎn)子耦合分析

為了快速評(píng)估由風(fēng)速波動(dòng)引起的系統(tǒng)振蕩，當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值較小時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行線性化處理[8]。由于實(shí)際的風(fēng)速波動(dòng)可能是周期性波動(dòng)也可能非周期性波動(dòng)，鑒于本文的研究背景為線路中含有8 Hz的振蕩，因此僅對(duì)風(fēng)速周期性波動(dòng)的工況進(jìn)行分析，并且為了模擬真實(shí)項(xiàng)目中出現(xiàn)的8 Hz振蕩，在風(fēng)源處給定周期波動(dòng)頻率為42 Hz。定轉(zhuǎn)子示意圖如圖4所示。

風(fēng)速的波動(dòng)振蕩會(huì)引起機(jī)械轉(zhuǎn)矩的振蕩，而轉(zhuǎn)矩的振蕩進(jìn)一步引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子電流的振蕩，最終致使定子電流產(chǎn)生了間諧波電流。當(dāng)定子間諧波電流注入到電網(wǎng)后，會(huì)引起電壓、電流、功率的波動(dòng)。周期性波動(dòng)的風(fēng)速會(huì)引起感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩周期性波動(dòng)，而周期性波動(dòng)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩可以被設(shè)定為直流分量Tm0和一個(gè)正弦波分量（即間諧波分量）之和，可表示為

圖4 定轉(zhuǎn)子耦合關(guān)系示意圖Fig.4 The schematic diagram of the coupling relationship between stators and rotors

機(jī)械轉(zhuǎn)矩中頻率為ωz的正弦波分量會(huì)使轉(zhuǎn)子電角速度中也響應(yīng)出相同頻率的正弦量，并會(huì)導(dǎo)致三相定子電流中耦合出頻率為ωz的間諧波電流。dq軸上定子電流的表達(dá)式為[9-10]：

式中：ids0，iqs0為定子電流中的基頻電流分量，而Idsz，Iqsz，ωz，θds，θqs分別為dq軸上定子電流中所包含間諧波電流的幅值、頻率和初相位。

從式（2）可以推斷出間諧波電流的頻率為

式中：ωs=2πfs，fs為供電頻率。因此當(dāng)風(fēng)速以一定頻率的波動(dòng)振蕩時(shí)，例如風(fēng)速的振動(dòng)頻率為42Hz或是58Hz，在定子電流中分別會(huì)耦合出8 Hz和92 Hz、8 Hz和108 Hz的間諧波電流。因此風(fēng)源處不同的風(fēng)速波動(dòng)頻率會(huì)因定轉(zhuǎn)子的耦合引發(fā)定子電流中產(chǎn)生相應(yīng)不同頻率的間諧波電流，如表1所示。

表1 不同風(fēng)速頻率對(duì)應(yīng)的電流頻率Tab.1 Current frequency corresponding to different wind speed frequency Hz

2.3 變流器對(duì)直流側(cè)紋波電流的調(diào)制

雙饋型風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)組由雙饋異步發(fā)電機(jī)和變頻系統(tǒng)組成。變頻系統(tǒng)基本采用交直交電壓型雙PWM變流器，不僅能為發(fā)電機(jī)提供交流勵(lì)磁，而且能夠穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。雙PWM變流器系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

變頻調(diào)速裝置由整流器、直流環(huán)節(jié)以及逆變器三部分所組成。理想情況下，對(duì)于整流器來(lái)說(shuō)其直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流滿足

而對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō)，其直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流滿足

式中：sua、sub、suc與sia、sib、sic分別對(duì)應(yīng)a、b、c三相的電壓、電流開(kāi)關(guān)函數(shù)。

對(duì)于一個(gè)雙向PWM變流器來(lái)說(shuō)，考慮能量由直流側(cè)經(jīng)過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)的過(guò)程，其開(kāi)關(guān)函數(shù)可以表示為[11]

式中：k表示各次分量系數(shù)；ω表示網(wǎng)側(cè)變流器的調(diào)制波頻率。b、c相可同理表示。

為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，設(shè)直流環(huán)節(jié)中的電流含有直流分量Id，頻率為fz、幅值為Iz的紋波分量，則直流側(cè)電流表達(dá)式為

對(duì)公式（6）、（7）進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)電源側(cè)的三相電流進(jìn)行計(jì)算，選取某一任意頻率fz的紋波電流進(jìn)行分析，以A相電流為例可得到

展開(kāi)可以得到

式（9）中，第一項(xiàng)是開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì)理想直流電流的調(diào)制，其結(jié)果與常規(guī)的諧波調(diào)制一致，如果直流紋波分量的角頻率為系統(tǒng)基波角頻率的整數(shù)倍，即ωz=λω（λ=1，2，3，…）則電源側(cè)電流含有[（6a±1）±λ]ω的非特征諧波分量，其中（a=1，2，3，…）；當(dāng)ωz≠λω（λ=1，2，3，…）時(shí)，那么電源側(cè)電流除了含有以系統(tǒng)頻率為基頻的整數(shù)倍諧波分量外，還含有ω±ωz，（6b±1）·ω±ωz的間諧波分量[12]（b=1，2，3，…）。

若直流側(cè)系統(tǒng)中含有42 Hz或是58 Hz的紋波電流，根據(jù)上述的機(jī)理分析，由于變流器的調(diào)制在電源側(cè)電流中必定存在除了基頻電流之外的8 Hz、92 Hz或者108 Hz的間諧波電流。

3 含風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)間諧波振蕩的仿真分析

本文依據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)振蕩機(jī)理分析在PSCAD中搭建了含有雙饋發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定風(fēng)速的波動(dòng)頻率42 Hz，使線路上出現(xiàn)8 Hz的間諧波電流，從而通過(guò)仿真分析驗(yàn)證之前的理論分析。

3.1 系統(tǒng)間諧波振蕩波形的理論分析

DFIG風(fēng)電系統(tǒng)中的間諧波比較復(fù)雜。本文通過(guò)單一間諧波（頻率fz）對(duì)電流波動(dòng)的影響分析，從而對(duì)含間諧波的風(fēng)電系統(tǒng)電流特性以及含一對(duì)間諧波對(duì)系統(tǒng)電流波動(dòng)的影響有了更加深入的認(rèn)識(shí)。

假設(shè)含一個(gè)間諧波的波形表示為

式中：I0、f0分別為基波有效值、頻率；n、fz、θz分別為間諧波的相對(duì)幅值、頻率、初始相位。

由數(shù)學(xué)分析可知，該波形的幅值為可調(diào)的。這里令fz=hf0+Δfz（其中h為臨近fz的諧波次數(shù)h=0，1，2，3，…），為了分析的簡(jiǎn)便需要，假設(shè)該電力間諧波的初始相位為0，則該電力間諧波的波形可以表示為

由式（11）可知，該波形中包含了兩種頻率的諧波成分，一種頻率為Δfz，另一種為hf0。如果Δfz為0，則其幅值不會(huì)按照一定的頻率波動(dòng)；而當(dāng)其不為0時(shí)，這些成分將引起頻率為|Δfz|的電壓波動(dòng)。根據(jù)對(duì)波形的機(jī)理分析，當(dāng)電力間諧波的頻率接近偶數(shù)次諧波頻率92 Hz時(shí)，即電流包絡(luò)線波形呈現(xiàn)波峰對(duì)波谷、波谷對(duì)波峰的變化形態(tài)，如圖5（a）所示。而當(dāng)電力間諧波頻率接近奇數(shù)次諧波58 Hz時(shí)，其電流波形的包絡(luò)線在縱向呈現(xiàn)波峰對(duì)波峰，波谷對(duì)波谷的變化規(guī)律，如圖5（b）所示。

圖5 波形振蕩規(guī)律Fig.5 The rule of Wave oscillation

在電力系統(tǒng)中，間諧波總是成對(duì)出現(xiàn)，如變頻器產(chǎn)生的間諧波。當(dāng)系統(tǒng)中含有高頻間諧波時(shí)，振蕩波形會(huì)引發(fā)更加明顯的畸變[13]。

3.2 系統(tǒng)間諧波振蕩仿真波形

為了驗(yàn)證風(fēng)電系統(tǒng)振蕩的機(jī)理分析的正確性，需要根據(jù)風(fēng)速波形的波動(dòng)頻率來(lái)驗(yàn)證是否在定子側(cè)電流、直流側(cè)紋波電流和線路電流中含有間諧波的成分，從而引起電網(wǎng)系統(tǒng)線路上的間諧波振蕩。為了直觀地體現(xiàn)出各波形的頻率分布，本文通過(guò)PSCAD搭建模型得到仿真波形，仿真參數(shù)如表2所示，再利用matlab對(duì)波形進(jìn)行FFT分析得到相應(yīng)的頻譜圖。

表2 仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of the simulation system

3.2.1 系統(tǒng)線路電流

通過(guò)控制設(shè)定風(fēng)源處的風(fēng)速使風(fēng)速含量中含有一個(gè)恒定風(fēng)速的直流量和具有一定頻率的正弦擾動(dòng)分量，使系統(tǒng)線路出現(xiàn)間諧波振蕩。本文以振蕩頻率42 Hz、振蕩幅值為1%的風(fēng)速模型為例進(jìn)行仿真。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速以及線路電流如圖6和圖7所示（以A相為例）。

圖6 風(fēng)速波形Fig.6 Wind velocity waveform

根據(jù)線路電流的波形可以看出，電流波形以8 Hz進(jìn)行振蕩，與之前項(xiàng)目中脫網(wǎng)故障時(shí)錄波數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)到的線路電流中存在有8 Hz左右的電流間諧波情況相吻合。從圖7（b）可以看出，線路電流中含有50 Hz基頻分量和8 Hz、92 Hz間諧波分量。

圖7 線路電流Fig.7 The current of line

3.2.2 定子側(cè)電流

基于轉(zhuǎn)子與定子的耦合關(guān)系，42 Hz的風(fēng)速振蕩頻率在定子側(cè)電流中必定會(huì)耦合出8 Hz、92 Hz間諧波的電流分量，而系統(tǒng)仿真也證實(shí)了上述結(jié)論。定子側(cè)電流波形和頻譜如圖8所示。

圖8 定子側(cè)電流Fig.8 The current of Stator

3.2.3 直流側(cè)紋波電流和網(wǎng)側(cè)電流

通過(guò)分析，直流側(cè)如果存在42 Hz的紋波電流，經(jīng)過(guò)變流器的調(diào)制，在網(wǎng)側(cè)變流器電流中肯定存在8 Hz和92 Hz的間諧波分量。直流側(cè)電流波形和頻譜圖如圖9所示。

圖9 直流側(cè)電流Fig.9 The current of the DC side

根據(jù)仿真波形和頻譜分析，直流側(cè)由于風(fēng)速的波動(dòng)而存在相對(duì)應(yīng)的紋波電流分量（42 Hz），因此需要對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行分析，驗(yàn)證變流器對(duì)于直流側(cè)紋波電流的調(diào)制作用。相應(yīng)的波形和頻譜如圖10所示。

從網(wǎng)側(cè)電流波形和頻譜圖的分析中可以看出，網(wǎng)側(cè)變流器電流中除了含有的主要電流分量為50 Hz，還含有8 Hz和92 Hz的間諧波電流分量。即直流側(cè)因?yàn)轱L(fēng)速的振蕩而導(dǎo)致產(chǎn)生了紋波電流，通過(guò)變流器的調(diào)制使線路中存在了間諧波電流，最后因間諧波和基波的疊加導(dǎo)致了系統(tǒng)線路電流的間諧波振蕩。

3.3 系統(tǒng)間諧波振蕩的功率分析

含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)系統(tǒng)，由于風(fēng)速的波動(dòng)振蕩引起了線路電流中存在8 Hz以及其他頻率分量的間諧波電流，從而導(dǎo)致線路電流的間諧波振蕩。電流的振蕩肯定會(huì)引起功率的振蕩，本節(jié)分析風(fēng)速的特定頻率的波動(dòng)對(duì)于直流側(cè)功率以及線路上有功功率的影響。直流側(cè)功率、線路有功功率的波形和頻譜圖如圖11、圖12所示。

圖10 網(wǎng)側(cè)電流Fig.10 The current of the network side

圖11 直流側(cè)功率Fig.11 The power of the DC side

從波形圖中可以看出，風(fēng)速以42 Hz頻率波動(dòng)時(shí)引起系統(tǒng)直流側(cè)和線路側(cè)的有功功率振蕩，進(jìn)而分析頻譜圖圖11（b）、圖12（b）可知，直流側(cè)和線路上的功率振蕩頻率與風(fēng)速的波動(dòng)頻率一致。

電網(wǎng)系統(tǒng)功率的穩(wěn)定性程度是衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。DFIG風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)速的波動(dòng)振蕩直接導(dǎo)致線路上的功率以相同頻率振蕩。由于風(fēng)速的隨機(jī)性和不確定性，若風(fēng)速的振蕩為多分量、高頻率、大波動(dòng)時(shí)，勢(shì)必引發(fā)各種故障以及電網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定從而造成工業(yè)生產(chǎn)、居民生活等發(fā)生難以想象的混亂。

圖12 線路有功功率Fig.12 The active power of the line

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

通過(guò)控制風(fēng)速的振蕩頻率，使搭建的雙饋風(fēng)電模型系統(tǒng)能夠模擬出科研項(xiàng)目中脫網(wǎng)故障的實(shí)際情況，即線路中存在8 Hz的間諧波電流。這樣使文章的理論分析和仿真分析更加貼近實(shí)際情況，使本文對(duì)于解決實(shí)際風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩有著更加重要的參考價(jià)值。通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)如果線路中存在8 Hz的間諧波電流時(shí)必定存在相對(duì)應(yīng)的92 Hz或是108 Hz間諧波電流，同時(shí)相應(yīng)頻率的風(fēng)速振蕩也引起了系統(tǒng)功率相同頻率的振蕩。當(dāng)風(fēng)速振蕩頻率為58 Hz時(shí)同樣滿足本文的機(jī)理分析和仿真分析。

本文的研究分析表明含雙饋電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生的振蕩確實(shí)是由于風(fēng)速的振蕩所引起的，并與風(fēng)速的振蕩頻率所相對(duì)應(yīng)，從而證明了風(fēng)速的振蕩也是DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)振蕩的成因之一。因風(fēng)速的振蕩導(dǎo)致了DFIG風(fēng)電系統(tǒng)中產(chǎn)生間諧波電流，再則間諧波在電力系統(tǒng)中一般都是成對(duì)出現(xiàn)。當(dāng)成對(duì)產(chǎn)生的間諧波電流和線路中的工頻電流疊加時(shí)，就導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生了間諧波振蕩。如果系統(tǒng)振蕩進(jìn)一步加劇時(shí)，可能會(huì)迫使風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，造成風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)故障，甚至造成電網(wǎng)不可估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。

4.2 展望

本文對(duì)DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)振蕩分別從理論分析和仿真分析2個(gè)方面去分析研究。雖從一個(gè)新的角度（即電力系統(tǒng)間諧波）去分析闡釋了DFIG風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的振蕩成因，但由于風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，構(gòu)建系統(tǒng)模型時(shí)本文只考慮了風(fēng)速的變化對(duì)于系統(tǒng)的影響，理想化了其他因素的影響。對(duì)于間諧波的振蕩，本文初步設(shè)定從2個(gè)方面去抑制：一是改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制策略；二是系統(tǒng)中加裝有源濾波器。

為此在接下來(lái)的時(shí)間里將對(duì)以下難題進(jìn)行研究與攻破：

1）含雙饋風(fēng)電系統(tǒng)間諧波分量的檢測(cè)。間諧波的檢測(cè)是間諧波問(wèn)題分析的前提。間諧波與諧波具有類似的性質(zhì)，但由于間諧波含量小，頻譜范圍廣，易頻譜泄露和受相鄰頻次間的影響等特點(diǎn)，導(dǎo)致了間諧波的檢測(cè)是現(xiàn)在學(xué)者的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)[14-15]。

2）間諧波的抑制。鑒于間諧波的特點(diǎn)，它的檢測(cè)有一定的難度，這自然對(duì)于間諧波的抑制造成了相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)。對(duì)于間諧波的抑制方法現(xiàn)在通常采用串聯(lián)補(bǔ)償、無(wú)源濾波器和有源濾波器3種方式。在后續(xù)研究中將選擇合適的抑制方法從而有效地抑制電網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩[16]。

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Analysis of Causes of Oscillation in the Wind Farm System Based on DFIG

WANG Xingliang1，YAO Gang2，ZHOU Lidan2，WANG Fenghua2，GU Linfeng3，WANG Jie2
（1.College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 202157，China；2.Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；3.The Urban Power Supply Company of SMEPC，Shanghai 200030，China）

In order to make a more comprehensive and deep study on the phenomenon of oscillation in the doubly-fed induction generation system，and improve the stability and reliability of the DFIG wind farm system connected to the grid，this paper introduces a new concept of the power system to describe the oscillation of the DFIG wind farm system based on the study on the off-grid faults of wind turbines of a certain company.First，the paper studies and analyzes the oscillation mechanism of the DFIG system from the perspective of inter harmonics，and then simulates the off-grid faults by PSCAD and finally analyzes the simulation data using MATLAB to verify that the wind speed oscillation of the corresponding frequency is also one of the causes of the DFIG wind farm system oscillation.Because the wind speed oscillates to a certain frequency，inter harmonic generation appears in the DFIG system，and the superposition of the inter harmonics and fundamental wave gives rise to the DFIG system oscillation phenomenon.The inter harmonic oscillation proposed in this paper provides a new idea for the stability analysis of wind power generation system in the future.

wind farm； harmonic oscillation； PSCAD；MATLAB

1674-3814（2017）07-0097-08

TM712

A

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61374155）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（61374155）.

2016-12-27。

王興亮（1991—），男，通訊作者，碩士研究生，主要從事電能質(zhì)量分析、風(fēng)力發(fā)電低頻振蕩等方面的研究工作；

姚 鋼（1977—），男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用；

周荔丹（1973—），女，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用和電能質(zhì)量分析。

（編輯 馮露）