电力系统保护与控制 第 49 卷 第 18 期 2021 年 9 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.18 Sep. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201546 风电场引发火电机组次同步振荡的机理及影响因素研究 徐衍会，耿雨柔，杨博文 (华北电力大学，北京 102206) 摘要：风能资源的大规模开发利用是实现能源转型升级的必然途径。然而，大规模风电场并网稳定性问题逐渐凸 显，实际系统中出现了风电场引发火电机组次同步振荡现象。建立了风火联合外送系统模型，应用谐波响应法和 复转矩系数法分析了风电场引发火电机组次同步振荡的机理。在此基础上，分析了火电机组轴系扭振特性、风电 场容量、风速、风机转子侧变频器内环增益系数以及风电场至火电机组的电气距离对次同步振荡的影响。结果表 明，轴系扭振模态可观测度越高、风电场容量越大、风机风速越高、风机转子侧变频器内环增益系数越大以及风 电场与火电机组的电气距离越远，火电机组次同步振荡越剧烈。通过 IEEE 第一基准模型和 IEEE39 节点系统的时 域仿真验证了上述结论的有效性。 关键词：风电场；火电机组；次同步振荡；轴系扭振模态 Study on the mechanism and influencing factors of subsynchronous oscillations induced by wind farms in a fossil fuel power plant XU Yanhui, GENG Yurou, YANG Bowen (North China Electric Power University, Beijing 102206, China) Abstract: Large-scale development and utilization of wind energy is a significant way to achieve energy transformation and upgrading. However, the stability of large-scale wind farms connected to the grid has become an increasing problem. In an actual system, wind farms cause Sub-Synchronous Oscillation (SSO) of thermal power units. This paper establishes a model of a wind farm and thermal power unit combined delivery system. It applies the harmonic response method and the complex torque coefficient method to analyze the mechanism of SSO induced by wind farms in a fossil fuel power plant. Influencing factors on SSO such as the torsional vibration characteristics of the shafts, the capacity of the wind farm, the wind speed, the gain coefficient of inner current loop of RSC and the electrical distance from the wind farm to the thermal power unit are analyzed. The results show that the higher the observability of the torsional vibration mode of the shaft system, the larger the wind farm capacity, the higher the fan speed, the larger the gain coefficient of inner current loop of RSC and the farther the electric distance between the wind farm and the thermal power unit, the more severe SSO of the thermal power unit. The validity of the above conclusion is verified by time domain simulation of the first IEEE standard model and the IEEE39-bus system. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51677066). Key words: wind farm; thermal power unit; subsynchronous oscillation; shaft torsional vibration mode 0 引言 近年来，风力发电发展非常迅速，装机容量占 比不断增长，伴随而来的风电场并网稳定性问题逐 渐凸显。2009 年美国德州的一座风电场与串补输电 线路相互作用引发了次同步振荡[1]，造成风机设备 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51677066) 损坏。2015 年，我国新疆哈密地区出现了风电场产 生的次同步频率谐波经多电压级网络传播，引起火 电机组次同步振荡，造成轴系扭振切机事件[2-3]。 由于风电利用小时数不高，为了提高输电通道 的利用率，风火打捆联合外送成为一种普遍的模式。 文献[4]使用特征值法对双馈风机接入 SSR 第一标 准模型系统进行分析，结果表明在风机并网后，火 电机组的次同步振荡模式阻尼比降低。文献[5]以风 电力系统保护与控制 -2- 火打捆经串补外送系统为研究对象，通过建立火电 机组转速与双馈风电场输出功率之间的传递函数， 进而得出了风电场功率调节对系统阻尼的影响。文 献[6]使用特征值法与时域仿真法，分析了双馈风机 并网对火电机组次同步振荡的影响，验证了风电容 量、风速、风机控制参数对火电机组轴系模态阻尼 的影响，指出系统稳定性会随着线路串补度降低而 提高。文献[7-8]验证了 STATCOM 对系统次同步振 荡的抑制效果。 文献[9-10]提出了一种改进的次同步 振荡检测方法。文献[11-14]提出了基于风机变流器 附加阻尼控制的次同步振荡抑制方法，并进行了时 域仿真验证。文献[15]分析了风火打捆直流送出系 统中次同步振荡的传播特性。上述文献研究了风电 场并网对火电机组小干扰稳定性的影响，取得了较 为丰富的成果。但是研究中没有充分考虑火电机组 轴系扭振特性、风电场至火电机组电气距离等因素 对火电机组次同步振荡的影响。 本文以风火联合外送系统为研究对象，应用谐 波响应法和复转矩系数法分析风电场引发火电机组 次同步振荡的机理，基于 IEEE 第一基准模型建立 双馈风电场和火电机组并联到无穷大电网的模型， 利用时域仿真法验证了当火电机组轴系扭振频率与 风电场次同步电流谐波互补且轴系扭振模态可观测 度较高时，可以引发火电机组轴系扭振。分析了轴 系扭振模态可观测度、风电场容量、风速、风机转 子侧变频器内环增益系数和风电场与火电机组的电 气 距离 对次 同步 振荡 的具 体影 响。 最后 ，基于 IEEE39 节点系统对上述分析进行了仿真验证。 1 风火联合外送系统模型 本文基于 IEEE 第一标准模型[16]建立如图 1 所 示的双馈风电场与火电机组联合外送系统模型。其 中 G 表示包含了高中压缸 HIP、低压缸 LPA、低压 缸 LPB、发电机 GEN 共 4 个轴段的汽轮发电机。 DFIG 表示由多台双馈风机聚合而成的双馈风电场。 图 1 风火联合外送系统模型 Fig. 1 Model of the wind farm and the thermal power unit combined delivery system 1.1 火电机组模型 大型汽轮发电机组的转子是一个复杂的机械系 统，包括一根细长的轴。在转子轴的不同轴段上分 别安装有汽轮机叶轮和叶片、励磁绕组以及发电机 转子铁芯等。通过不同轴段之间的相对角位移，实 现了轴上转矩即扭矩的传递。 在研究机电耦合作用引起的轴系扭振问题时， 需要考虑转子轴系弹性的影响，建立相应的轴系数 学模型。本文采用轴系多质量块弹簧模型，每个轴 段都等值为刚性的集中质量块，通过无质量的弹簧 连接各个质量块，以模拟轴系各个轴段间的转矩传 递关系，并得到如图 1 中所示汽轮发电机组轴系的 分段集中质量弹簧模型。 可列出轴系方程[17]为  i  i  2 H i i  Tei  Dii i  (1)  K i ,i 1 ( i   i 1 )  K i ,i 1 ( i   i 1 )  i  1, 2,3, 4  式中：   i 为转子角位移；   i 为转子角速度增量； Tei 为电气转矩增量；H i 为转子的惯性常数；D i i 为 转子自阻尼系数； K i , i  1 和 Ki ,i 1 为各个相邻集中质 量块之间的弹性系数；汽轮机转子的电气转矩增量 为零。 可以得到 [ M 4 ( p)  K 3 ( p) A4 ( p)] 4  Te  2  M i ( p)  2 H i p  Dii p  K i 1,i  K i ,i 1   Ki ( p)  Ki ,i 1 (2) 式中， p 为微分算子， p  d / dt 。 机组的机械复转矩系数[18]为 K 232 K122 K M (p )    M 2 ( p)  K 342 M 1 ( p) M 3 ( p)  M 4 ( p) 其数值为零时对应的频率 f 即为轴系自然扭 振频率。 将式(1)写成矩阵形式为 (Mp 2  Dp  K )  Tm  Te  T ，通过求取矩阵 [M 1 K ] 的特征值也 可计算得出火电机组轴系扭振频率。