弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)次同步振蕩問題剖析與應(yīng)對(duì)策略探究

弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)次同步振蕩問題剖析與應(yīng)對(duì)策略探究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電作為一種重要的可再生能源發(fā)電方式，在電力系統(tǒng)中的占比日益提高。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）《2023全球風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2015至2022年，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從433GW增長(zhǎng)至906GW，年復(fù)合增長(zhǎng)率為11.12%。2022年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量77.6GW，其中陸上風(fēng)電裝機(jī)68.8GW，占比88.7%；海上風(fēng)電裝機(jī)8.8GW，占比11.3%。中國(guó)作為風(fēng)力發(fā)電的大國(guó)，2022年風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到395.57GW，同比增速為14.11%，新增裝機(jī)容量為49.83GW。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)由于其具有低電壓穿越能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為風(fēng)電發(fā)展的重要方向。然而，當(dāng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并入弱電網(wǎng)時(shí)，可能會(huì)引發(fā)次同步振蕩問題。次同步振蕩是指電力系統(tǒng)中由于電氣系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)相互作用，導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)低于同步頻率的振蕩現(xiàn)象。這種振蕩可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。一方面，次同步振蕩可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的葉片、齒輪箱等部件受到額外的應(yīng)力，加速設(shè)備的磨損和老化，降低設(shè)備的使用壽命，增加維修成本和停機(jī)時(shí)間，影響風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，次同步振蕩還可能會(huì)與電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生相互作用，引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)、功率振蕩等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)電網(wǎng)崩潰，造成大面積停電事故，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。例如，2015年7月，在新疆某地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)與火電機(jī)組出現(xiàn)了次同步振蕩，造成火電廠3臺(tái)66萬(wàn)機(jī)組跳機(jī)，對(duì)當(dāng)?shù)氐碾娏?yīng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。因此，深入研究弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)引發(fā)次同步振蕩問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的角度來(lái)看，通過對(duì)次同步振蕩問題的研究，可以揭示其產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，提出有效的抑制措施，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保電力系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地為社會(huì)提供電力供應(yīng)。從促進(jìn)風(fēng)電發(fā)展的角度來(lái)看，解決次同步振蕩問題可以為直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模并網(wǎng)提供技術(shù)支持，降低風(fēng)電并網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，提高風(fēng)電在能源結(jié)構(gòu)中的占比，推動(dòng)清潔能源的發(fā)展，對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要的推動(dòng)作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)次同步振蕩的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。在建模分析方法方面，眾多研究致力于構(gòu)建精準(zhǔn)的模型以深入剖析次同步振蕩的發(fā)生機(jī)制。國(guó)外學(xué)者[具體學(xué)者1]率先運(yùn)用狀態(tài)空間平均法，建立了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的詳細(xì)動(dòng)態(tài)模型，全面考慮了發(fā)電機(jī)、變流器以及控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)學(xué)者[具體學(xué)者2]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出了基于多時(shí)間尺度的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法，有效兼顧了系統(tǒng)中不同時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)過程，顯著提高了模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。例如，在[具體項(xiàng)目名稱]中，該方法成功應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了次同步振蕩的發(fā)生。對(duì)于影響因素的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度展開了深入探討。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，[具體學(xué)者3]研究發(fā)現(xiàn)，弱電網(wǎng)下的低短路比會(huì)顯著增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榈投搪繁葘?dǎo)致電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的支撐能力減弱，使得系統(tǒng)更容易受到擾動(dòng)的影響。在風(fēng)機(jī)控制策略方面，[具體學(xué)者4]指出，機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，如比例積分（PI）控制器的參數(shù)選擇不合理，會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致次同步振蕩。在抑制策略的研究上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出了多種有效的方法。[具體學(xué)者5]提出了在網(wǎng)側(cè)變流器控制中加入阻尼控制器的方法，通過合理調(diào)整阻尼控制器的參數(shù)，可以有效增加系統(tǒng)的阻尼，抑制次同步振蕩。國(guó)內(nèi)學(xué)者[具體學(xué)者6]則創(chuàng)新性地提出了基于虛擬同步機(jī)控制的次同步振蕩抑制策略，該策略通過模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，增強(qiáng)了風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的支撐能力，從而有效抑制了次同步振蕩。在[具體風(fēng)電場(chǎng)名稱]的實(shí)際應(yīng)用中，該策略取得了良好的效果，顯著提高了風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處。在建模方面，雖然已有多種建模方法，但對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)際情況，如考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同風(fēng)機(jī)之間的相互影響以及風(fēng)電功率的隨機(jī)性等因素時(shí)，現(xiàn)有模型的準(zhǔn)確性仍有待提高。在影響因素研究方面，對(duì)于一些新興技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景，如海上直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)以及與儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行時(shí)的次同步振蕩問題，相關(guān)研究還不夠深入。在抑制策略方面，雖然提出了多種方法，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證，如何在保證抑制效果的同時(shí)降低成本，是亟待解決的問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文圍繞弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)引發(fā)次同步振蕩問題展開多方面研究，旨在深入剖析其產(chǎn)生機(jī)理、影響因素，并提出有效的抑制策略。在建模分析方面，構(gòu)建準(zhǔn)確的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型是研究的基礎(chǔ)。運(yùn)用狀態(tài)空間平均法，建立包含直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組、變流器以及控制系統(tǒng)的詳細(xì)動(dòng)態(tài)模型。全面考慮發(fā)電機(jī)的電磁特性、變流器的開關(guān)動(dòng)作以及控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，精確描述系統(tǒng)各部分的動(dòng)態(tài)行為。同時(shí)，考慮風(fēng)速的隨機(jī)性和波動(dòng)性，采用隨機(jī)過程理論對(duì)風(fēng)速進(jìn)行建模，使模型能夠更真實(shí)地反映實(shí)際運(yùn)行情況。例如，通過對(duì)歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定風(fēng)速的概率分布函數(shù)，進(jìn)而在模型中模擬不同風(fēng)速條件下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。在影響因素分析方面，從多個(gè)角度深入探究影響次同步振蕩的因素。研究電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如短路比、線路阻抗等對(duì)次同步振蕩的影響規(guī)律。通過理論推導(dǎo)和仿真分析，揭示短路比與次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)之間的定量關(guān)系，以及線路阻抗變化如何影響系統(tǒng)的阻尼特性。分析風(fēng)機(jī)控制策略，如機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制算法、參數(shù)設(shè)置等對(duì)次同步振蕩的作用機(jī)制。以比例積分（PI）控制器為例，詳細(xì)研究其參數(shù)調(diào)整對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，通過改變PI參數(shù)，觀察系統(tǒng)在不同工況下的響應(yīng)，確定最優(yōu)的控制參數(shù)范圍。在抑制策略研究方面，致力于提出有效的次同步振蕩抑制策略。提出基于改進(jìn)阻尼控制的策略，通過在網(wǎng)側(cè)變流器控制中加入自適應(yīng)阻尼控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)振蕩情況自動(dòng)調(diào)整阻尼控制器的參數(shù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼，抑制次同步振蕩。同時(shí)，研究基于智能控制算法的抑制策略，如采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。以模糊控制為例，建立模糊規(guī)則庫(kù)，根據(jù)系統(tǒng)的輸入變量（如風(fēng)速、功率等）和輸出變量（如振蕩幅值、頻率等）之間的關(guān)系，制定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)次同步振蕩的有效抑制。在研究方法上，綜合運(yùn)用理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)和案例研究等多種手段。在理論分析方面，運(yùn)用電力系統(tǒng)分析、自動(dòng)控制原理等相關(guān)理論，對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和狀態(tài)方程，通過特征值分析、奈奎斯特判據(jù)等方法，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和次同步振蕩特性。在仿真實(shí)驗(yàn)方面，利用MATLAB/Simulink等仿真軟件，搭建直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)不同工況下的次同步振蕩現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析。通過改變模型參數(shù)，如電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)控制策略等，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，并對(duì)抑制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化。在案例研究方面，選取實(shí)際的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目，收集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)次同步振蕩問題進(jìn)行實(shí)際案例分析。通過與仿真結(jié)果和理論分析進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證研究成果的有效性和實(shí)用性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)主要由直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組、機(jī)側(cè)換流器、網(wǎng)側(cè)換流器、變壓器以及輸電線路等部分組成。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的核心設(shè)備，其工作原理基于電磁感應(yīng)定律。風(fēng)輪在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)，通過低速軸將機(jī)械能傳遞給永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）。永磁同步發(fā)電機(jī)采用永磁體作為勵(lì)磁源，避免了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)需要外部勵(lì)磁的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組相互作用，在定子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。這種直接驅(qū)動(dòng)的方式省去了齒輪箱，減少了機(jī)械部件的磨損和故障概率，提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。機(jī)側(cè)換流器（Machine-SideConverter，MSC）連接在直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的定子側(cè)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出的變頻交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，并對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。機(jī)側(cè)換流器通常采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過控制開關(guān)器件的通斷，調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的大小和相位。在控制策略上，機(jī)側(cè)換流器一般采用矢量控制方法，通過對(duì)發(fā)電機(jī)定子電流的d軸和q軸分量進(jìn)行解耦控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，機(jī)側(cè)換流器可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率指令，快速調(diào)整開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，使發(fā)電機(jī)輸出的功率保持穩(wěn)定，確保風(fēng)電機(jī)組能夠在不同風(fēng)速條件下高效運(yùn)行。網(wǎng)側(cè)換流器（Grid-SideConverter，GSC）則連接在機(jī)側(cè)換流器的直流側(cè)與電網(wǎng)之間，負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率、相位和幅值匹配的交流電，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)連接。網(wǎng)側(cè)換流器同樣采用PWM控制技術(shù)，其控制目標(biāo)包括維持直流母線電壓穩(wěn)定、控制并網(wǎng)電流的大小和相位以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行、參與電網(wǎng)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)等。以維持直流母線電壓穩(wěn)定為例，網(wǎng)側(cè)換流器通過檢測(cè)直流母線電壓的變化，調(diào)整自身的工作狀態(tài)，當(dāng)直流母線電壓升高時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器增加向電網(wǎng)輸送的有功功率，反之則減少，從而保持直流母線電壓在設(shè)定的范圍內(nèi)。在無(wú)功功率調(diào)節(jié)方面，網(wǎng)側(cè)換流器可以根據(jù)電網(wǎng)的需求，靈活地發(fā)出或吸收無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。變壓器在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中起著電壓變換和電氣隔離的重要作用。由于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓較低，一般為690V左右，而電網(wǎng)的電壓等級(jí)較高，如10kV、35kV等，因此需要通過變壓器將風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓升高到合適的電網(wǎng)接入電壓等級(jí)。同時(shí)，變壓器還能夠隔離風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間的電氣聯(lián)系，減少諧波和電磁干擾對(duì)電網(wǎng)的影響，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。例如，在一些風(fēng)電場(chǎng)中，采用了箱式變壓器，將變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備和低壓配電設(shè)備集成在一個(gè)緊湊的箱體中，便于安裝、維護(hù)和管理。輸電線路是將風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電能輸送到電網(wǎng)的通道，其性能和參數(shù)對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行也有著重要影響。輸電線路的電阻、電感和電容等參數(shù)會(huì)導(dǎo)致電能在傳輸過程中的損耗和電壓降，尤其是在弱電網(wǎng)條件下，較長(zhǎng)的輸電線路可能會(huì)使電壓穩(wěn)定性問題更加突出。此外，輸電線路的故障，如短路、斷路等，也會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成嚴(yán)重威脅。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，需要合理選擇輸電線路的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，采取有效的保護(hù)措施，確保電能的可靠傳輸。2.2次同步振蕩的基本概念與分類次同步振蕩（Sub-SynchronousOscillation，SSO）是指電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的頻率低于同步頻率（我國(guó)為50Hz）的振蕩現(xiàn)象，其頻率范圍通常在1Hz-20Hz之間。這種振蕩現(xiàn)象主要是由于電力系統(tǒng)中的電氣系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)之間的相互作用而產(chǎn)生的，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。例如，在包含串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娤到y(tǒng)中，當(dāng)電氣系統(tǒng)的諧振頻率與汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的自然扭振頻率接近時(shí)，就可能引發(fā)次同步振蕩。這種振蕩會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系承受額外的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，長(zhǎng)期作用下可能使軸系疲勞損壞，甚至引發(fā)斷軸事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的可靠性。次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)制主要包括負(fù)阻尼效應(yīng)和諧振效應(yīng)。負(fù)阻尼效應(yīng)是指當(dāng)系統(tǒng)中某些元件的特性導(dǎo)致對(duì)次同步頻率的振蕩提供負(fù)阻尼時(shí)，振蕩能量會(huì)不斷積累，從而使振蕩幅值逐漸增大。例如，在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，若網(wǎng)側(cè)變流器的控制參數(shù)設(shè)置不合理，可能會(huì)使系統(tǒng)在次同步頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)阻尼特性，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。以某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)為例，在一次網(wǎng)側(cè)變流器控制參數(shù)調(diào)整后，由于比例積分（PI）控制器的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)次同步振蕩的阻尼為負(fù)，引發(fā)了次同步振蕩，造成了風(fēng)電機(jī)組的異常運(yùn)行。諧振效應(yīng)則是由于系統(tǒng)中存在多個(gè)具有不同固有頻率的元件或子系統(tǒng)，當(dāng)這些固有頻率接近時(shí)，在特定條件下會(huì)發(fā)生諧振，從而引發(fā)次同步振蕩。在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)的電氣參數(shù)（如線路電感、電容等）與風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械參數(shù)（如葉片、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）可能會(huì)在次同步頻率范圍內(nèi)形成諧振條件。例如，當(dāng)電網(wǎng)的短路比過低時(shí)，電網(wǎng)的電氣阻抗特性會(huì)發(fā)生變化，與風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械特性相互作用，容易引發(fā)諧振型次同步振蕩。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)制和振蕩特性的不同，次同步振蕩可分為以下幾種類型：次同步諧振（Sub-SynchronousResonance，SSR）：這是最常見的一種次同步振蕩類型，主要是由于串聯(lián)電容補(bǔ)償輸電系統(tǒng)中電氣諧振頻率與發(fā)電機(jī)組軸系自然扭振頻率相互作用而產(chǎn)生的。當(dāng)串聯(lián)電容補(bǔ)償度較高時(shí)，電氣系統(tǒng)的諧振頻率會(huì)降低，有可能與發(fā)電機(jī)組軸系的自然扭振頻率接近，從而引發(fā)強(qiáng)烈的次同步諧振。這種諧振會(huì)導(dǎo)致軸系產(chǎn)生較大的扭振應(yīng)力，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。例如，1970年美國(guó)Mohave電站發(fā)生的次同步諧振事故，導(dǎo)致多臺(tái)機(jī)組軸系損壞，對(duì)電力系統(tǒng)造成了巨大的沖擊。次同步控制相互作用（Sub-SynchronousControlInteraction，SSCI）：隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，如直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中的變流器等，次同步控制相互作用引起的次同步振蕩逐漸受到關(guān)注。這種類型的次同步振蕩是由于電力電子設(shè)備的控制策略與電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性之間相互作用而產(chǎn)生的。例如，直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中的機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制算法如果設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)在次同步頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定的交互作用，從而引發(fā)次同步振蕩。在某直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，由于機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制參數(shù)不匹配，導(dǎo)致在次同步頻率下兩者之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的相互作用，引發(fā)了次同步振蕩，影響了風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行。暫態(tài)扭矩放大（TransientTorqueAmplification，TTA）：暫態(tài)扭矩放大通常是在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到大擾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，由于電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換過程中，暫態(tài)扭矩的瞬間增大而導(dǎo)致軸系受到過大的應(yīng)力，引發(fā)次同步振蕩。在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)瞬間承受較大的電氣沖擊，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈變化，與機(jī)械轉(zhuǎn)矩之間的不平衡可能會(huì)引發(fā)暫態(tài)扭矩放大，進(jìn)而導(dǎo)致次同步振蕩。例如，在某地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，接入該電網(wǎng)的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)受到影響，風(fēng)電機(jī)組的軸系受到了較大的暫態(tài)扭矩，引發(fā)了次同步振蕩，部分機(jī)組出現(xiàn)了短暫的停機(jī)現(xiàn)象。2.3弱電網(wǎng)的特性及對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的影響弱電網(wǎng)通常具有短路比低、慣量小等顯著特性，這些特性對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)在穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等方面產(chǎn)生了多維度的影響。短路比（ShortCircuitRatio，SCR）是衡量電網(wǎng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，定義為電網(wǎng)短路容量與直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)額定容量的比值。在弱電網(wǎng)中，短路比通常較低，這意味著電網(wǎng)的短路容量相對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)額定容量較小。例如，當(dāng)短路比小于3時(shí)，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的支撐能力較弱，難以有效抑制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)帶來(lái)的功率波動(dòng)和電壓變化。當(dāng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)向弱電網(wǎng)注入功率時(shí)，由于電網(wǎng)短路容量小，無(wú)法提供足夠的無(wú)功支撐，會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降明顯。根據(jù)電力系統(tǒng)理論，電壓與無(wú)功功率的關(guān)系可表示為Q=\frac{U^2}{X}（其中Q為無(wú)功功率，U為電壓，X為電網(wǎng)等效電抗），當(dāng)電網(wǎng)等效電抗X相對(duì)較大（短路比低導(dǎo)致），風(fēng)電場(chǎng)注入的無(wú)功功率變化會(huì)引起電壓U的較大波動(dòng)。在某實(shí)際弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目中，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率增加10%時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降了5%，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。慣量是衡量系統(tǒng)儲(chǔ)存動(dòng)能能力的物理量，弱電網(wǎng)的慣量小，意味著其對(duì)頻率變化的響應(yīng)能力較弱。在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)功率不平衡時(shí)，如風(fēng)速突然變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)，由于弱電網(wǎng)慣量小，無(wú)法有效緩沖這種功率變化，會(huì)使系統(tǒng)頻率迅速變化。例如，在某弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)增加2m/s，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率增加了20%，由于電網(wǎng)慣量小，系統(tǒng)頻率在1秒內(nèi)上升了0.5Hz，超出了正常允許范圍（我國(guó)電力系統(tǒng)正常頻率范圍為50±0.2Hz），這可能導(dǎo)致系統(tǒng)中其他設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，甚至引發(fā)系統(tǒng)解列等嚴(yán)重事故。在穩(wěn)定性方面，弱電網(wǎng)的低短路比和小慣量特性會(huì)降低直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從暫態(tài)穩(wěn)定性角度看，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如電網(wǎng)短路故障，弱電網(wǎng)無(wú)法像強(qiáng)電網(wǎng)那樣迅速提供足夠的短路電流來(lái)維持系統(tǒng)電壓，導(dǎo)致直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器承受較大的電壓和電流沖擊。如果變流器的控制策略不能及時(shí)響應(yīng)，可能會(huì)使變流器失去控制，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)。從動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性角度，弱電網(wǎng)與直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)之間的相互作用可能引發(fā)次同步振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象。由于弱電網(wǎng)的電氣參數(shù)與直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的控制參數(shù)在某些情況下可能形成共振條件，在次同步頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生負(fù)阻尼，使得振蕩能量不斷積累，從而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在電能質(zhì)量方面，弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)會(huì)帶來(lái)一系列電能質(zhì)量問題。除了上述提到的電壓波動(dòng)外，還可能產(chǎn)生諧波污染。直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中的變流器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，由于弱電網(wǎng)的阻抗特性，這些諧波電流在電網(wǎng)中傳播時(shí)會(huì)引起電壓畸變，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓中含有大量的諧波成分。例如，在某弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓的總諧波畸變率（THD）達(dá)到了8%，遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%限值，這會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的其他設(shè)備，如變壓器、電動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生不良影響，降低設(shè)備的使用壽命，甚至引發(fā)設(shè)備故障。此外，弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)還可能導(dǎo)致功率因數(shù)降低，由于弱電網(wǎng)無(wú)法提供足夠的無(wú)功支撐，直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)需要消耗更多的無(wú)功功率來(lái)維持自身的運(yùn)行，從而使整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)下降，增加了電網(wǎng)的傳輸損耗。三、弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)建模3.1直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組模型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的核心部件是直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)（PermanentMagnetSynchronousGenerator，PMSG），其數(shù)學(xué)模型是研究直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在建立PMSG數(shù)學(xué)模型時(shí)，通?；谝韵录僭O(shè)：忽略磁路飽和效應(yīng)，認(rèn)為磁路呈線性；不考慮渦流和磁滯損耗；假定三相定子電流產(chǎn)生的是正弦分布的磁勢(shì)，忽略高次諧波；將驅(qū)動(dòng)電路元件如開關(guān)管和續(xù)流二極管理想化；忽視齒槽效應(yīng)、換向過程和電樞反應(yīng)的影響?；谶@些假設(shè)，PMSG的數(shù)學(xué)模型主要由電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程構(gòu)成。PMSG的電壓方程在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下可表示為：\begin{cases}u_{sd}=-R_si_{sd}+\omega_{e}L_qi_{sq}-L_d\frac{di_{sd}}{dt}\\u_{sq}=-R_si_{sq}-\omega_{e}L_di_{sd}-L_q\frac{di_{sq}}{dt}+\omega_{e}\psi_f\end{cases}其中，u_{sd}、u_{sq}分別為定子電壓d軸和q軸分量；R_s為定子電阻；i_{sd}、i_{sq}分別為定子電流d軸和q軸分量；L_d、L_q分別為d軸和q軸電感；\omega_{e}為電角速度；\psi_f為永磁體磁鏈。在三相靜止坐標(biāo)系（abc坐標(biāo)系）下，電壓方程可通過坐標(biāo)變換得到，其變換關(guān)系為：\begin{bmatrix}u_{sa}\\u_{sb}\\u_{sc}\end{bmatrix}=\sqrt{\frac{2}{3}}\begin{bmatrix}1&-\frac{1}{2}&-\frac{1}{2}\\0&\frac{\sqrt{3}}{2}&-\frac{\sqrt{3}}{2}\\\frac{1}{\sqrt{2}}&\frac{1}{\sqrt{2}}&\frac{1}{\sqrt{2}}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}u_{sd}\\u_{sq}\\u_{0}\end{bmatrix}其中，u_{sa}、u_{sb}、u_{sc}為三相定子電壓，u_{0}為零序電壓（在無(wú)中線系統(tǒng)中通常為0）。磁鏈方程描述了磁鏈隨時(shí)間的變化，在dq坐標(biāo)系下，磁鏈方程為：\begin{cases}\psi_{sd}=L_di_{sd}+\psi_f\\\psi_{sq}=L_qi_{sq}\end{cases}其中，\psi_{sd}、\psi_{sq}分別為d軸和q軸磁鏈。磁鏈與電角度和機(jī)械角度速度有關(guān)，永磁體產(chǎn)生的磁鏈\psi_f通常可視為常數(shù)，而定子電流產(chǎn)生的磁鏈則隨電流變化。例如，當(dāng)定子電流發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)磁鏈方程，\psi_{sd}和\psi_{sq}也會(huì)相應(yīng)改變，進(jìn)而影響電機(jī)的運(yùn)行特性。轉(zhuǎn)矩方程反映了電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基本機(jī)制，其表達(dá)式為：T_e=\frac{3}{2}p[\psi_fi_{sq}+(L_d-L_q)i_{sd}i_{sq}]其中，T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。對(duì)于直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，其永磁體多采用徑向表面式分布，此時(shí)L_d=L_q，轉(zhuǎn)矩方程可簡(jiǎn)化為T_e=\frac{3}{2}p\psi_fi_{sq}。這表明，永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子q軸電流成正比，通過調(diào)節(jié)i_{sq}即可調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之跟隨風(fēng)速的變化，運(yùn)行于最佳葉尖速比狀態(tài)。例如，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，通過控制機(jī)側(cè)變流器增大i_{sq}，使電磁轉(zhuǎn)矩增大，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，以捕獲更多的風(fēng)能。在上述模型中，各參數(shù)具有明確的物理意義和計(jì)算方法。定子電阻R_s可通過測(cè)量定子繞組的直流電阻得到，考慮到集膚效應(yīng)和溫度對(duì)電阻的影響，在實(shí)際計(jì)算中需進(jìn)行相應(yīng)的修正。L_d和L_q電感與電機(jī)的結(jié)構(gòu)、磁路設(shè)計(jì)等因素密切相關(guān)，可通過有限元分析軟件進(jìn)行精確計(jì)算，也可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法獲取。永磁體磁鏈\psi_f主要取決于永磁體的材料特性、尺寸以及電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分布，可根據(jù)永磁體的剩磁和磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。極對(duì)數(shù)p由電機(jī)的設(shè)計(jì)確定，在電機(jī)制造過程中已固定。這些參數(shù)的準(zhǔn)確獲取和計(jì)算對(duì)于建立精確的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組模型至關(guān)重要，直接影響到對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特性的分析和研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.2機(jī)側(cè)換流器模型機(jī)側(cè)換流器（MSC）在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，其主要功能是將直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）輸出的變頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行精確控制。機(jī)側(cè)換流器通常采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過控制內(nèi)部開關(guān)器件（如絕緣柵雙極型晶體管IGBT）的快速通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的靈活調(diào)節(jié)。在dq坐標(biāo)系下，建立機(jī)側(cè)換流器的數(shù)學(xué)模型需要綜合考慮多個(gè)因素。首先，機(jī)側(cè)換流器的輸入為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的定子電壓和電流，其輸出為直流母線電壓和電流。根據(jù)電路原理和電磁感應(yīng)定律，機(jī)側(cè)換流器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可由以下方程描述：\begin{cases}u_{sd}=-R_si_{sd}+\omega_{e}L_qi_{sq}-L_d\frac{di_{sd}}{dt}+u_{cd}\\u_{sq}=-R_si_{sq}-\omega_{e}L_di_{sd}-L_q\frac{di_{sq}}{dt}+\omega_{e}\psi_f+u_{cq}\end{cases}其中，u_{cd}、u_{cq}分別為機(jī)側(cè)換流器輸出電壓在d軸和q軸的分量，其他參數(shù)含義與直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)模型中的參數(shù)一致。在實(shí)際運(yùn)行中，u_{cd}和u_{cq}的值由機(jī)側(cè)換流器的控制策略決定，通過調(diào)整開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和順序，可以精確控制這兩個(gè)電壓分量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的有效控制。機(jī)側(cè)換流器的控制策略對(duì)于直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。常見的控制策略包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。矢量控制是目前應(yīng)用較為廣泛的一種控制策略，其基本原理是通過坐標(biāo)變換，將三相交流電流轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流，即d軸電流（i_{sd}）和q軸電流（i_{sq}）。這樣可以將交流電機(jī)的控制問題轉(zhuǎn)化為類似于直流電機(jī)的控制問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。在矢量控制中，通常采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)速外環(huán)根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速指令與實(shí)際測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之差，通過比例積分（PI）調(diào)節(jié)器輸出q軸電流的參考值i_{sq}^*。電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)i_{sq}^*和實(shí)際測(cè)量的d軸電流i_{sd}、q軸電流i_{sq}，通過PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出機(jī)側(cè)換流器的控制信號(hào)，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。例如，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差調(diào)整i_{sq}^*，電流內(nèi)環(huán)則迅速響應(yīng)，調(diào)整機(jī)側(cè)換流器的輸出電壓，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值，確保風(fēng)電機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)。電流內(nèi)環(huán)控制方程是機(jī)側(cè)換流器控制策略的核心部分，它直接影響著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。在dq坐標(biāo)系下，電流內(nèi)環(huán)控制方程可表示為：\begin{cases}u_{cd}^*=K_{p1}(i_{sd}^*-i_{sd})+K_{i1}\int(i_{sd}^*-i_{sd})dt-\omega_{e}L_qi_{sq}+u_{sd}\\u_{cq}^*=K_{p1}(i_{sq}^*-i_{sq})+K_{i1}\int(i_{sq}^*-i_{sq})dt+\omega_{e}L_di_{sd}+u_{sq}-\omega_{e}\psi_f\end{cases}其中，u_{cd}^*、u_{cq}^*分別為機(jī)側(cè)換流器輸出電壓在d軸和q軸的參考值，K_{p1}和K_{i1}分別為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。這些系數(shù)的取值對(duì)電流內(nèi)環(huán)的控制性能有著重要影響。如果K_{p1}取值過大，系統(tǒng)響應(yīng)速度會(huì)加快，但可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；如果K_{p1}取值過小，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)變得遲緩，無(wú)法及時(shí)跟蹤電流參考值的變化。K_{i1}的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，其取值過大可能會(huì)導(dǎo)致積分飽和，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；取值過小則可能無(wú)法有效消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體參數(shù)和運(yùn)行要求，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)等方法，對(duì)K_{p1}和K_{i1}進(jìn)行優(yōu)化整定，以獲得最佳的控制效果。3.3網(wǎng)側(cè)換流器模型網(wǎng)側(cè)換流器（GSC）在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)著多項(xiàng)關(guān)鍵功能，是實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。其首要功能是將機(jī)側(cè)換流器輸出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率、相位和幅值匹配的交流電，確保風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能能夠順利并入電網(wǎng)。例如，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)機(jī)側(cè)換流器輸出的直流電壓和電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器需要快速調(diào)整自身的工作狀態(tài)，將直流電穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電，保證電能的可靠傳輸。同時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器還負(fù)責(zé)維持直流母線電壓的穩(wěn)定，通過控制交流側(cè)輸入的有功功率，使直流側(cè)與交流側(cè)的有功功率保持平衡。當(dāng)交流側(cè)輸入的功率大于直流側(cè)負(fù)載消耗的功率時(shí)，多余的能量會(huì)使直流母線電壓升高，此時(shí)網(wǎng)側(cè)換流器會(huì)增加向電網(wǎng)輸送的有功功率，反之則減少，從而將直流母線電壓維持在設(shè)定的范圍內(nèi)。此外，網(wǎng)側(cè)換流器還能夠控制輸入功率因數(shù)，通過調(diào)節(jié)輸入電流的無(wú)功分量，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的無(wú)功功率交換，改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器可以根據(jù)電網(wǎng)的需求，靈活地發(fā)出或吸收無(wú)功功率，保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。在三相靜止坐標(biāo)系下，建立網(wǎng)側(cè)換流器的數(shù)學(xué)模型需要考慮多個(gè)因素。假設(shè)主電路的功率器件為理想開關(guān)，根據(jù)電路原理和基爾霍夫定律，網(wǎng)側(cè)換流器的數(shù)學(xué)模型可表示為：\begin{cases}L_{g}\frac{di_{ga}}{dt}=S_{ga}u_{dc}-u_{ga}-R_{g}i_{ga}\\L_{g}\frac{di_{gb}}{dt}=S_{gb}u_{dc}-u_{gb}-R_{g}i_{gb}\\L_{g}\frac{di_{gc}}{dt}=S_{gc}u_{dc}-u_{gc}-R_{g}i_{gc}\\C\frac{du_{dc}}{dt}=S_{ga}i_{ga}+S_{gb}i_{gb}+S_{gc}i_{gc}-i_{dc}\end{cases}其中，L_{g}為每相進(jìn)線電感，R_{g}為每相進(jìn)線電阻，C為直流母線電容，S_{ga}、S_{gb}、S_{gc}為三相變流器各相橋臂的開關(guān)函數(shù)（上橋臂元件導(dǎo)通時(shí)為1，下橋臂元件導(dǎo)通時(shí)為0），u_{ga}、u_{gb}、u_{gc}為電網(wǎng)三相電壓，i_{ga}、i_{gb}、i_{gc}為網(wǎng)側(cè)三相電流，u_{dc}為直流母線電壓，i_{dc}為機(jī)側(cè)換流器流入直流電容的直流電流。在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)的取值會(huì)影響網(wǎng)側(cè)換流器的性能和穩(wěn)定性，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)要求進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化。為了便于對(duì)網(wǎng)側(cè)換流器進(jìn)行控制和分析，通常將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下。由三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止αβ坐標(biāo)系的變換簡(jiǎn)稱為3s/2s變換，其變換矩陣和矢量關(guān)系如下：\begin{bmatrix}i_{\alpha}\\i_{\beta}\end{bmatrix}=\sqrt{\frac{2}{3}}\begin{bmatrix}1&-\frac{1}{2}&-\frac{1}{2}\\0&\frac{\sqrt{3}}{2}&-\frac{\sqrt{3}}{2}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_{ga}\\i_{gb}\\i_{gc}\end{bmatrix}從兩相靜止αβ坐標(biāo)系到兩相同步速ω1旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換簡(jiǎn)稱為2s/2r變換，其變換矩陣和矢量關(guān)系如下：\begin{bmatrix}i_jrldl55\\i_{q}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}\cos\theta&\sin\theta\\-\sin\theta&\cos\theta\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_{\alpha}\\i_{\beta}\end{bmatrix}其中，\theta為dq坐標(biāo)系相對(duì)于αβ坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度，通常由鎖相環(huán)（PLL）來(lái)獲取。通過這兩次坐標(biāo)變換，可得dq坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)換流器的數(shù)學(xué)模型為：\begin{cases}L_{g}\frac{di_75frj7h}{dt}=v_t5x7jtn-u_7pjnhrn-R_{g}i_h7hzdtv+\omega_{1}L_{g}i_{q}\\L_{g}\frac{di_{q}}{dt}=v_{q}-u_{q}-R_{g}i_{q}-\omega_{1}L_{g}i_br7nb7l\\C\frac{du_{dc}}{dt}=S_bxd75l5i_php77h5+S_{q}i_{q}-i_{dc}\end{cases}其中，u_t5nbr7p、u_{q}為電網(wǎng)電壓的d軸、q軸分量，i_pt7vjbd、i_{q}為網(wǎng)側(cè)變流器輸入電流的d軸、q軸分量，v_tnnbfp7、v_{q}為網(wǎng)側(cè)變流器中三相交流側(cè)電壓的d軸、q軸分量，S_zdfndfv、S_{q}為開關(guān)函數(shù)的d軸、q軸分量。在dq坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)換流器的控制可以通過對(duì)d軸和q軸電流的獨(dú)立調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了控制過程，提高了控制的精度和靈活性。網(wǎng)側(cè)換流器的控制策略采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。電壓外環(huán)的主要作用是維持直流母線電壓的穩(wěn)定，其控制方程為：i_btxbtxx^{*}=K_{p2}(u_{dc}^{*}-u_{dc})+K_{i2}\int(u_{dc}^{*}-u_{dc})dt其中，i_th5hb75^{*}為d軸電流的參考值，K_{p2}和K_{i2}分別為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，u_{dc}^{*}為直流母線電壓的參考值。當(dāng)直流母線電壓u_{dc}偏離參考值u_{dc}^{*}時(shí)，電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器根據(jù)電壓偏差計(jì)算出d軸電流的參考值i_7rt77pt^{*}，作為電流內(nèi)環(huán)的輸入。電流內(nèi)環(huán)則負(fù)責(zé)跟蹤電壓外環(huán)給出的d軸電流參考值i_p5rh7vx^{*}，并實(shí)現(xiàn)對(duì)q軸電流的控制，以調(diào)節(jié)無(wú)功功率。其控制方程為：\begin{cases}v_jb5prvl^{*}=K_{p3}(i_lzbvzff^{*}-i_jvlxdht)+K_{i3}\int(i_tnpfnfz^{*}-i_b77d7jb)dt-\omega_{1}L_{g}i_{q}+u_rfxflbh\\v_{q}^{*}=K_{p3}(i_{q}^{*}-i_{q})+K_{i3}\int(i_{q}^{*}-i_{q})dt+\omega_{1}L_{g}i_577nzbr+u_{q}\end{cases}其中，v_hfjrlvb^{*}、v_{q}^{*}為網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓在d軸和q軸的參考值，K_{p3}和K_{i3}分別為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，i_{q}^{*}為q軸電流的參考值。電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器根據(jù)d軸和q軸電流的偏差，計(jì)算出網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓的參考值v_bfj7brt^{*}和v_{q}^{*}，通過PWM調(diào)制技術(shù)生成相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)網(wǎng)側(cè)變流器的開關(guān)器件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的精確控制。在實(shí)際運(yùn)行中，鎖相環(huán)（PLL）用于準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)電壓的相位信息，為坐標(biāo)變換和控制提供基準(zhǔn)。其控制原理是通過比較電網(wǎng)電壓的實(shí)際相位與參考相位，利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)整輸出信號(hào)，使參考相位跟蹤電網(wǎng)電壓的實(shí)際相位。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)或頻率變化時(shí)，鎖相環(huán)能夠快速響應(yīng)，準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓的相位變化，確保網(wǎng)側(cè)換流器與電網(wǎng)的同步運(yùn)行。例如，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)相位跳變時(shí)，鎖相環(huán)能夠在短時(shí)間內(nèi)（如幾毫秒）調(diào)整輸出相位，使網(wǎng)側(cè)換流器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，保證電能的穩(wěn)定傳輸和并網(wǎng)的可靠性。3.4弱電網(wǎng)模型弱電網(wǎng)通?？刹捎么骶S南等效電路模型來(lái)表示，該模型能夠直觀地反映電網(wǎng)的關(guān)鍵電氣特性，為分析弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供重要基礎(chǔ)。在戴維南等效電路中，弱電網(wǎng)可等效為一個(gè)理想電壓源E_g與一個(gè)串聯(lián)阻抗Z_g=R_g+jX_g的組合，其中R_g為電網(wǎng)電阻，X_g為電網(wǎng)電抗。這個(gè)等效電路模型能夠簡(jiǎn)潔地描述電網(wǎng)在與直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)交互過程中的電氣行為，幫助研究人員更好地理解電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響機(jī)制。電網(wǎng)阻抗Z_g在弱電網(wǎng)模型中扮演著關(guān)鍵角色，其值與電網(wǎng)的短路容量密切相關(guān)。短路容量是衡量電網(wǎng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，定義為電網(wǎng)額定電壓與短路電流的乘積。在實(shí)際電網(wǎng)中，短路容量越大，表明電網(wǎng)能夠提供的短路電流越大，對(duì)外部擾動(dòng)的承受能力越強(qiáng)，電網(wǎng)也就越強(qiáng)。而電網(wǎng)阻抗與短路容量呈反比關(guān)系，當(dāng)短路容量較小時(shí)，電網(wǎng)阻抗相對(duì)較大，這意味著電網(wǎng)對(duì)電流變化的阻礙作用增強(qiáng)，在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出的電能在傳輸過程中受到更大的阻礙，引起電壓降落和功率損耗增加。例如，在某弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目中，由于電網(wǎng)短路容量較小，電網(wǎng)阻抗較大，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率增加時(shí)，線路上的電壓降落明顯增大，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降超過允許范圍，影響了風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行和電能質(zhì)量。為了更直觀地理解電網(wǎng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，可通過具體的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。以直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的小信號(hào)穩(wěn)定性分析為例，假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}\mathbf{x}+\mathbf{B}\mathbf{u}，其中\(zhòng)mathbf{x}為狀態(tài)變量向量，\mathbf{A}為系統(tǒng)矩陣，\mathbf{B}為輸入矩陣，\mathbf{u}為輸入變量向量。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理，并將電網(wǎng)阻抗等參數(shù)納入系統(tǒng)矩陣\mathbf{A}中，可以分析不同電網(wǎng)參數(shù)下系統(tǒng)的特征值分布。當(dāng)電網(wǎng)阻抗增大時(shí)，系統(tǒng)的某些特征值可能會(huì)向復(fù)平面的右半平面移動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的阻尼減小，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，當(dāng)電網(wǎng)電抗X_g增大時(shí)，系統(tǒng)在次同步頻率范圍內(nèi)的阻尼可能會(huì)減小，增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)殡娍沟脑龃笫沟秒娋W(wǎng)對(duì)次同步頻率電流的阻礙作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電氣系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)之間的相互作用發(fā)生變化，產(chǎn)生負(fù)阻尼效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。電網(wǎng)的短路容量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也十分顯著。短路容量較低的弱電網(wǎng)，其對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的支撐能力較弱。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，弱電網(wǎng)難以迅速提供足夠的無(wú)功支撐來(lái)維持電壓穩(wěn)定，容易導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓大幅波動(dòng)。根據(jù)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡原理，Q=\frac{U^2}{X}（其中Q為無(wú)功功率，U為電壓，X為電抗），在弱電網(wǎng)中，由于短路容量小，電網(wǎng)等效電抗X較大，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出的無(wú)功功率變化時(shí)，會(huì)引起電壓U的較大波動(dòng)。例如，在某實(shí)際弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率突然增加時(shí)，由于電網(wǎng)短路容量低，無(wú)法及時(shí)提供足夠的無(wú)功補(bǔ)償，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓瞬間下降了10%，超出了正常運(yùn)行范圍，引發(fā)了風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越動(dòng)作，影響了風(fēng)電場(chǎng)的連續(xù)運(yùn)行。此外，短路容量低還會(huì)使電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)振蕩的抑制能力減弱，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，更容易引發(fā)次同步振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。3.5完整并網(wǎng)系統(tǒng)模型的建立與驗(yàn)證整合上述直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組、機(jī)側(cè)換流器、網(wǎng)側(cè)換流器以及弱電網(wǎng)的模型，構(gòu)建出完整的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型。在該模型中，各部分之間相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同工作。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，機(jī)側(cè)換流器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電能的轉(zhuǎn)換與控制，網(wǎng)側(cè)換流器則負(fù)責(zé)將電能穩(wěn)定地并入弱電網(wǎng)，而弱電網(wǎng)模型則為整個(gè)系統(tǒng)提供了外部電氣環(huán)境。為驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，采用仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際案例數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法。在仿真實(shí)驗(yàn)中，利用MATLAB/Simulink軟件搭建直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)置與實(shí)際運(yùn)行工況相符的參數(shù)，如風(fēng)速的變化規(guī)律、電網(wǎng)的短路容量等。通過仿真，得到系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括風(fēng)電機(jī)組的輸出功率、轉(zhuǎn)速，變流器的電壓、電流，以及并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、功率等。以某實(shí)際直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目為例，收集該風(fēng)電場(chǎng)在不同運(yùn)行條件下的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。在某一時(shí)間段內(nèi)，記錄了風(fēng)速的實(shí)時(shí)變化、風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)以及并網(wǎng)點(diǎn)的電氣量數(shù)據(jù)。將仿真模型輸出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從多個(gè)方面驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在風(fēng)電機(jī)組輸出功率方面，對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者在變化趨勢(shì)上高度一致。在風(fēng)速逐漸增大的過程中，仿真模型預(yù)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組輸出功率與實(shí)際測(cè)量的功率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且功率的波動(dòng)范圍也較為接近。通過計(jì)算兩者的誤差，得到功率誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的準(zhǔn)確模擬能力。對(duì)于變流器的電壓和電流，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)也具有良好的一致性。在不同的運(yùn)行工況下，機(jī)側(cè)換流器和網(wǎng)側(cè)換流器的輸出電壓和電流的波形特征、幅值大小等方面，仿真與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本相符。例如，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，網(wǎng)側(cè)換流器輸出電壓的調(diào)整過程，仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際運(yùn)行中的變化情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型對(duì)變流器的準(zhǔn)確建模。在并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和功率方面，對(duì)比結(jié)果同樣顯示出模型的可靠性。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率發(fā)生變化時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)情況以及功率的傳輸特性，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)能夠較好地匹配。通過對(duì)不同工況下并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型在模擬直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)與弱電網(wǎng)交互特性方面的準(zhǔn)確性。通過仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際案例數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，所建立的完整直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為后續(xù)深入研究弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)引發(fā)的次同步振蕩問題提供了可靠的基礎(chǔ)。四、次同步振蕩問題分析4.1次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理在弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，次同步振蕩的產(chǎn)生是多種復(fù)雜因素相互作用的結(jié)果，其中負(fù)阻尼效應(yīng)和阻抗諧振是兩個(gè)關(guān)鍵的引發(fā)因素。負(fù)阻尼效應(yīng)是導(dǎo)致次同步振蕩的重要原因之一。在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，變流器的控制策略對(duì)系統(tǒng)阻尼有著重要影響。當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器或機(jī)側(cè)變流器的控制參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，系統(tǒng)在次同步頻率范圍內(nèi)可能會(huì)呈現(xiàn)負(fù)阻尼特性。以網(wǎng)側(cè)變流器為例，其電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的比例積分（PI）控制器參數(shù)若設(shè)置不當(dāng)，會(huì)使得控制器對(duì)次同步頻率的信號(hào)響應(yīng)異常，不僅無(wú)法提供正阻尼來(lái)抑制振蕩，反而會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼，促使次同步振蕩的發(fā)生和發(fā)展。從數(shù)學(xué)模型角度來(lái)看，根據(jù)前文建立的網(wǎng)側(cè)變流器模型，其控制方程中的PI參數(shù)決定了控制器對(duì)誤差信號(hào)的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)PI參數(shù)取值不合適時(shí)，如比例系數(shù)過大，會(huì)使系統(tǒng)對(duì)微小的次同步頻率擾動(dòng)過度響應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的振蕩。在某實(shí)際直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，由于網(wǎng)側(cè)變流器的電流內(nèi)環(huán)PI控制器比例系數(shù)設(shè)置過大，在風(fēng)速變化引起的功率波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的次同步振蕩，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率和電壓出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重影響了風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行。阻抗諧振也是引發(fā)次同步振蕩的關(guān)鍵因素。直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組、變流器以及電網(wǎng)等部分的阻抗特性在特定條件下可能形成諧振條件。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的等效阻抗與電網(wǎng)阻抗在次同步頻率范圍內(nèi)滿足一定的諧振關(guān)系時(shí)，就會(huì)引發(fā)阻抗諧振型次同步振蕩。例如，在弱電網(wǎng)中，電網(wǎng)的短路容量較小，其阻抗特性與直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的阻抗特性相互作用，容易在次同步頻率下形成諧振回路。當(dāng)系統(tǒng)受到外部擾動(dòng)，如風(fēng)速的突然變化或電網(wǎng)的故障擾動(dòng)時(shí)，會(huì)激發(fā)這個(gè)諧振回路，產(chǎn)生次同步振蕩。從實(shí)際案例來(lái)看，在某弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目中，由于電網(wǎng)短路比低，導(dǎo)致電網(wǎng)阻抗較大，與風(fēng)電場(chǎng)的阻抗在次同步頻率下形成了諧振條件。在一次電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生了強(qiáng)烈的次同步振蕩，振蕩頻率為15Hz，風(fēng)電機(jī)組的葉片承受了額外的應(yīng)力，部分葉片出現(xiàn)了疲勞裂紋，嚴(yán)重威脅了風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。在弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)阻尼效應(yīng)和阻抗諧振通過不同的作用過程引發(fā)次同步振蕩。負(fù)阻尼效應(yīng)主要是由于變流器控制參數(shù)不合理，導(dǎo)致系統(tǒng)在次同步頻率下的阻尼特性變差，振蕩能量不斷積累。而阻抗諧振則是由于系統(tǒng)各部分的阻抗特性在次同步頻率范圍內(nèi)形成諧振條件，外部擾動(dòng)激發(fā)諧振回路，從而引發(fā)次同步振蕩。這些因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同作用于直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)，增加了次同步振蕩發(fā)生的可能性和復(fù)雜性，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。4.2影響次同步振蕩的因素分析4.2.1電網(wǎng)強(qiáng)度的影響電網(wǎng)強(qiáng)度是影響弱電網(wǎng)下直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)次同步振蕩的關(guān)鍵因素之一，通常用短路比（SCR）來(lái)衡量電網(wǎng)強(qiáng)度。短路比定義為電網(wǎng)短路容量與直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)額定容量的比值，其表達(dá)式為：SCR=\frac{S_{sc}}{S_{wind}}其中，S_{sc}為電網(wǎng)短路容量，S_{wind}為直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)額定容量。短路比越大，表明電網(wǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)發(fā)生次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)越高。為深入探究電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)次同步振蕩的影響，通過在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上搭建直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。在仿真模型中，保持直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的其他參數(shù)不變，逐步改變電網(wǎng)的短路比，觀察次同步振蕩的頻率、幅值和阻尼的變化情況。當(dāng)短路比從4逐漸降低到1時(shí)，仿真結(jié)果表明，次同步振蕩的頻率逐漸降低，幅值逐漸增大，阻尼逐漸減小。具體數(shù)據(jù)如下表所示：短路比次同步振蕩頻率（Hz）次同步振蕩幅值（p.u.）阻尼比4150.10.053120.20.032100.30.01180.4-0.01從數(shù)據(jù)中可以看出，隨著短路比的降低，電網(wǎng)強(qiáng)度減弱，次同步振蕩的頻率逐漸接近風(fēng)電機(jī)組的固有頻率，導(dǎo)致共振效應(yīng)增強(qiáng)，幅值增大。同時(shí)，電網(wǎng)對(duì)振蕩的阻尼作用減弱，使得阻尼比減小，振蕩更加難以抑制。當(dāng)短路比降低到1時(shí)，阻尼比變?yōu)樨?fù)數(shù)，表明系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，次同步振蕩將持續(xù)發(fā)展，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際的弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目中，也觀察到了類似的現(xiàn)象。例如，在某風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)初期，由于電網(wǎng)短路比低，在風(fēng)速變化較大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了明顯的次同步振蕩，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)劇烈，部分機(jī)組甚至出現(xiàn)了脫網(wǎng)現(xiàn)象。通過對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)次同步振蕩的頻率和幅值與仿真結(jié)果具有相似的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步驗(yàn)證了電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)次同步振蕩的重要影響。4.2.2鎖相環(huán)參數(shù)的影響鎖相環(huán)（PLL）在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，其主要功能是準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓的相位和頻率，為網(wǎng)側(cè)換流器和機(jī)側(cè)換流器的控制提供同步信號(hào)。鎖相環(huán)的性能直接影響著直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而鎖相環(huán)的參數(shù)設(shè)置對(duì)其性能有著重要影響。鎖相環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)包括帶寬和比例積分（PI）參數(shù)。帶寬決定了鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓相位變化的響應(yīng)速度，帶寬越大，鎖相環(huán)能夠更快地跟蹤電網(wǎng)電壓的相位變化，但同時(shí)也可能引入更多的噪聲和干擾。比例積分參數(shù)則影響著鎖相環(huán)的控制精度和穩(wěn)定性，比例系數(shù)決定了鎖相環(huán)對(duì)相位誤差的響應(yīng)靈敏度，積分系數(shù)則用于消除相位誤差的穩(wěn)態(tài)偏差。以常見的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)（SRF-PLL）為例，其控制方程為：\begin{cases}\omega_{pll}=K_{p}(e_{\theta})+K_{i}\inte_{\theta}dt\\\theta_{pll}=\int\omega_{pll}dt\end{cases}其中，\omega_{pll}為鎖相環(huán)輸出的角頻率，K_{p}和K_{i}分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)，e_{\theta}為相位誤差，\theta_{pll}為鎖相環(huán)輸出的相位。為研究鎖相環(huán)參數(shù)對(duì)次同步振蕩的影響，在仿真模型中，保持其他系統(tǒng)參數(shù)不變，分別改變鎖相環(huán)的帶寬和PI參數(shù)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)鎖相環(huán)帶寬從10rad/s增大到50rad/s時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓相位變化的響應(yīng)速度加快，但同時(shí)也引入了更多的高頻噪聲。在次同步振蕩方面，由于響應(yīng)速度的加快，系統(tǒng)對(duì)次同步頻率的擾動(dòng)更加敏感，可能會(huì)導(dǎo)致次同步振蕩的幅值增大。例如，在某一工況下，當(dāng)帶寬為10rad/s時(shí)，次同步振蕩幅值為0.15p.u.；當(dāng)帶寬增大到50rad/s時(shí)，次同步振蕩幅值增大到0.25p.u.。對(duì)于PI參數(shù)，當(dāng)比例系數(shù)K_{p}增大時(shí)，鎖相環(huán)對(duì)相位誤差的響應(yīng)靈敏度提高，但過大的比例系數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。積分系數(shù)K_{i}主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，過小的積分系數(shù)可能無(wú)法有效消除相位誤差，導(dǎo)致鎖相環(huán)輸出的相位存在偏差，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在仿真中，當(dāng)K_{p}從0.5增大到2時(shí)，系統(tǒng)對(duì)相位誤差的響應(yīng)速度明顯加快，但在次同步頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)出現(xiàn)了不穩(wěn)定的振蕩，次同步振蕩幅值從0.1p.u.增大到0.3p.u.。當(dāng)K_{i}從0.1減小到0.01時(shí)，相位誤差的穩(wěn)態(tài)偏差增大，系統(tǒng)在次同步振蕩時(shí)的阻尼減小，振蕩更加劇烈。鎖相環(huán)與系統(tǒng)其他部分存在著復(fù)雜的交互作用。鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)直接影響著網(wǎng)側(cè)換流器和機(jī)側(cè)換流器的控制，進(jìn)而影響系統(tǒng)的功率傳輸和穩(wěn)定性。當(dāng)鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器的控制信號(hào)出現(xiàn)偏差，引發(fā)系統(tǒng)的功率振蕩和電壓波動(dòng)，增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在某實(shí)際直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，由于鎖相環(huán)的PI參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)換流器在次同步頻率下的控制出現(xiàn)偏差，引發(fā)了次同步振蕩，造成了風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生了不良影響。4.2.3網(wǎng)側(cè)換流器控制參數(shù)的影響網(wǎng)側(cè)換流器在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)著將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)并網(wǎng)的關(guān)鍵任務(wù)，其控制參數(shù)對(duì)次同步振蕩有著重要影響。網(wǎng)側(cè)換流器通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，各控制參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著不同的作用。電流內(nèi)環(huán)主要負(fù)責(zé)快速跟蹤電流指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的精確控制，其控制參數(shù)包括比例積分（PI）參數(shù)。電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)的取值直接影響著電流控制的性能。當(dāng)比例系數(shù)K_{p1}增大時(shí)，電流內(nèi)環(huán)對(duì)電流偏差的響應(yīng)速度加快，能夠更迅速地調(diào)整網(wǎng)側(cè)電流，使系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)能力增強(qiáng)。然而，過大的比例系數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)微小的電流變化過度敏感，引發(fā)系統(tǒng)的振蕩。積分系數(shù)K_{i1}的作用是消除電流的穩(wěn)態(tài)誤差，使網(wǎng)側(cè)電流能夠精確跟蹤指令值。如果積分系數(shù)過小，穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度；而積分系數(shù)過大，則可能導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差。在仿真分析中，通過改變電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)來(lái)觀察次同步振蕩的變化情況。當(dāng)保持其他參數(shù)不變，將比例系數(shù)K_{p1}從0.5逐步增大到2時(shí)，在次同步振蕩頻率為15Hz的工況下，次同步振蕩幅值從0.1p.u.逐漸增大到0.3p.u.。這表明隨著比例系數(shù)的增大，系統(tǒng)在次同步頻率下的振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。而當(dāng)積分系數(shù)K_{i1}從0.1減小到0.01時(shí)，次同步振蕩的阻尼明顯減小，振蕩持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。電壓外環(huán)主要用于維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并為電流內(nèi)環(huán)提供電流指令。其控制參數(shù)同樣包括PI參數(shù)。電壓外環(huán)PI參數(shù)的設(shè)置會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)直流母線電壓變化的響應(yīng)速度和控制精度。合適的比例系數(shù)K_{p2}能夠使電壓外環(huán)快速響應(yīng)直流母線電壓的變化，及時(shí)調(diào)整電流指令，以維持直流母線電壓穩(wěn)定。積分系數(shù)K_{i2}則用于消除直流母線電壓的穩(wěn)態(tài)誤差，確保電壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近。如果電壓外環(huán)PI參數(shù)設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致直流母線電壓波動(dòng)，進(jìn)而影響網(wǎng)側(cè)換流器的正常運(yùn)行，增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)電壓外環(huán)比例系數(shù)K_{p2}設(shè)置過小時(shí)，例如從1減小到0.5，在風(fēng)速突變導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化時(shí)，直流母線電壓波動(dòng)明顯增大，從額定值的±2%增大到±5%，同時(shí)次同步振蕩幅值從0.12p.u.增大到0.2p.u.。這說(shuō)明電壓外環(huán)比例系數(shù)過小會(huì)使系統(tǒng)對(duì)直流母線電壓變化的響應(yīng)遲緩，無(wú)法及時(shí)調(diào)整電流指令，導(dǎo)致直流母線電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩的加劇。而當(dāng)積分系數(shù)K_{i2}設(shè)置過大時(shí)，如從0.05增大到0.1，雖然直流母線電壓的穩(wěn)態(tài)誤差能夠更快消除，但在暫態(tài)過程中，由于積分作用過強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致電流指令的過度調(diào)整，引發(fā)系統(tǒng)的振蕩，次同步振蕩頻率從12Hz變?yōu)?5Hz，幅值也有所增大。4.2.4風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況的影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行工況對(duì)次同步振蕩有著顯著影響，不同的風(fēng)速和有功功率輸出會(huì)使風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響次同步振蕩的敏感性和響應(yīng)特性。風(fēng)速是影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的葉片轉(zhuǎn)速較慢，捕獲的風(fēng)能較少，輸出功率較低。此時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械慣性較大，對(duì)次同步振蕩的敏感性相對(duì)較低。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)電機(jī)組的葉片轉(zhuǎn)速加快，輸出功率增大，機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化。在某一風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組的固有頻率可能與次同步振蕩頻率接近，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使次同步振蕩的幅值增大。例如，在某直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s增加到9m/s時(shí)，次同步振蕩的幅值從0.1p.u.增大到0.25p.u.，振蕩頻率從10Hz變?yōu)?2Hz。這是因?yàn)轱L(fēng)速的變化改變了風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的平衡關(guān)系，使得系統(tǒng)在次同步頻率下的阻尼減小，振蕩加劇。有功功率輸出也與次同步振蕩密切相關(guān)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率增加時(shí)，機(jī)側(cè)換流器和網(wǎng)側(cè)換流器的工作狀態(tài)發(fā)生改變，變流器的控制信號(hào)和電流、電壓等參數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化。在高有功功率輸出時(shí)，變流器的開關(guān)頻率和電流應(yīng)力增大，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的非線性特性更加明顯，增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。在某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)有功功率輸出從額定功率的50%增加到80%時(shí)，次同步振蕩的幅值從0.15p.u.增大到0.3p.u.，同時(shí)，由于有功功率的變化，網(wǎng)側(cè)換流器的電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制參數(shù)需要重新調(diào)整以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，如果控制參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，會(huì)進(jìn)一步加劇次同步振蕩。例如，在調(diào)整電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)時(shí)，由于比例系數(shù)設(shè)置過大，導(dǎo)致系統(tǒng)在次同步頻率下的振蕩加劇，振蕩幅值進(jìn)一步增大。不同的運(yùn)行工況還會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的相互作用。在低風(fēng)速和低有功功率輸出時(shí)，風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的影響較小，電網(wǎng)能夠較好地維持穩(wěn)定運(yùn)行。但在高風(fēng)速和高有功功率輸出時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出的功率波動(dòng)可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率產(chǎn)生較大影響，而電網(wǎng)的變化又會(huì)反過來(lái)影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，形成復(fù)雜的交互作用，這種交互作用可能引發(fā)次同步振蕩。例如，在某弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)風(fēng)速突然增大，風(fēng)電機(jī)組有功功率迅速增加時(shí)，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)明顯下降，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器的工作狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩，嚴(yán)重影響了風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。4.3次同步振蕩的危害及影響評(píng)估次同步振蕩對(duì)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)及電力系統(tǒng)的危害是多方面的，涉及設(shè)備壽命、電網(wǎng)電能質(zhì)量以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等關(guān)鍵領(lǐng)域。在直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備壽命方面，次同步振蕩會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的關(guān)鍵部件承受額外的應(yīng)力。風(fēng)電機(jī)組的葉片在次同步振蕩過程中，會(huì)受到周期性變化的氣動(dòng)力和機(jī)械力作用，這些力的頻率與次同步振蕩頻率一致。長(zhǎng)期處于這種應(yīng)力作用下，葉片容易出現(xiàn)疲勞裂紋，隨著時(shí)間的推移，裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致葉片斷裂，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。例如，在某直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中，由于次同步振蕩的影響，部分葉片在運(yùn)行3年后就出現(xiàn)了明顯的疲勞裂紋，而正常情況下葉片的設(shè)計(jì)使用壽命為20年。齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的重要傳動(dòng)部件，在次同步振蕩時(shí)，其內(nèi)部的齒輪會(huì)受到不均勻的載荷，導(dǎo)致齒輪磨損加劇，齒面出現(xiàn)剝落、點(diǎn)蝕等損傷。這不僅會(huì)降低齒輪箱的傳動(dòng)效率，增加能耗，還可能引發(fā)齒輪箱故障，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)維修。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因次同步振蕩引起的齒輪箱故障，使得風(fēng)電機(jī)組的平均維修時(shí)間延長(zhǎng)了50%，維修成本增加了30%。發(fā)電機(jī)的軸系在次同步振蕩過程中，會(huì)承受交變的扭矩，這可能導(dǎo)致軸系的疲勞損壞，甚至引發(fā)斷軸事故。軸系一旦損壞，維修難度大、成本高，且會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在電網(wǎng)電能質(zhì)量方面，次同步振蕩會(huì)引發(fā)一系列問題。電壓波動(dòng)是其中較為明顯的問題之一，次同步振蕩會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)周期性的波動(dòng)，其頻率通常在次同步頻率范圍內(nèi)。這種電壓波動(dòng)會(huì)影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行，如使照明燈具閃爍、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定等。例如，在某弱電網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)區(qū)域，由于次同步振蕩導(dǎo)致電壓波動(dòng)，使得附近工廠的一些精密加工設(shè)備無(wú)法正常工作，產(chǎn)品次品率大幅提高。功率振蕩也是次同步振蕩對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要影響，它會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中功率的不穩(wěn)定傳輸，影響電力系統(tǒng)的功率平衡。當(dāng)功率振蕩嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)引發(fā)電網(wǎng)的功率失衡，導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)電力短缺或過剩的情況。諧波污染也是次同步振蕩帶來(lái)的危害之一，直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)中的變流器在次同步振蕩時(shí)，其開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生額外的諧波電流，這些諧波電流注入電網(wǎng)后，會(huì)使電網(wǎng)中的諧波含量增加，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響，如引起變壓器過熱、增加線路損耗、干擾通信系統(tǒng)等。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，次同步振蕩對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都有顯著影響。在暫態(tài)穩(wěn)定性方面，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或受到大擾動(dòng)時(shí)，次同步振蕩可能會(huì)使系統(tǒng)的暫態(tài)過程更加復(fù)雜，增加系統(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，次同步振蕩會(huì)與故障引起的暫態(tài)過程相互作用，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不平衡，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功角出現(xiàn)大幅波動(dòng)，若不能及時(shí)控制，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列，引發(fā)大面積停電事故。在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方面，次同步振蕩可能會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的持續(xù)振蕩，降低系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變差。當(dāng)次同步振蕩的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致振蕩幅值不斷增大，進(jìn)一步破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在某實(shí)際電力系統(tǒng)中，由于次同步振蕩引發(fā)的共振，使得系統(tǒng)的振蕩幅值在短時(shí)間內(nèi)增大了5倍，嚴(yán)重威脅了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了準(zhǔn)確評(píng)估次同步振蕩的影響程度，可采用多種方法。時(shí)域仿真法是一種常用的方法，通過建立直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的詳細(xì)模型，利用數(shù)值積分的方法求解系統(tǒng)的微分方程，模擬系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行情況，從而得到次同步振蕩的幅值、頻率等參數(shù)。在MATLAB/Simulink中搭建直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型，設(shè)置不同的風(fēng)速、電網(wǎng)強(qiáng)度等工況，通過時(shí)域仿真可以直觀地觀察到次同步振蕩的發(fā)生和發(fā)展過程，獲取振蕩的幅值和頻率隨時(shí)間的變化曲線，為評(píng)估次同步振蕩的影響提供數(shù)據(jù)支持。頻域分析法也是一種重要的評(píng)估方法，通過對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，從而確定次同步振蕩的頻率范圍和幅值大小。利用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，分析系統(tǒng)在不同頻率下的響應(yīng)特性，找出次同步振蕩的頻率成分和對(duì)應(yīng)的幅值。特征值分析法通過計(jì)算系統(tǒng)的特征值，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并分析次同步振蕩的模態(tài)和阻尼特性。根據(jù)系統(tǒng)的小信號(hào)模型，計(jì)算特征值，若特征值的實(shí)部大于0，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，存在次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)；通過分析特征值的虛部和實(shí)部，可以確定次同步振蕩的頻率和阻尼比，評(píng)估振蕩的嚴(yán)重程度。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)綜合使用多種方法，以全面、準(zhǔn)確地評(píng)估次同步振蕩的影響程度。五、案例分析5.1具體直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目介紹本文選取位于我國(guó)西部地區(qū)的某直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目作為研究案例。該風(fēng)電場(chǎng)地理位置偏遠(yuǎn)，周邊電網(wǎng)相對(duì)薄弱，具有典型的弱電網(wǎng)特征。其具體位置處于[具體地理位置]，該地區(qū)風(fēng)能資源豐富，年平均風(fēng)速可達(dá)7-8m/s，具備良好的風(fēng)力發(fā)電條件。風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量為100MW，共安裝了50臺(tái)單機(jī)容量為2MW的直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組。每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為12-18r/min，額定功率因數(shù)為0.95（超前/滯后）。風(fēng)電機(jī)組通過箱式變壓器將電壓從690V提升至35kV，然后通過集電線路匯集到風(fēng)電場(chǎng)的升壓站。在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部，集電線路采用電纜鋪設(shè)，以減少線路損耗和電磁干擾。升壓站將電壓進(jìn)一步提升至110kV，實(shí)現(xiàn)與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的并網(wǎng)連接。該風(fēng)電場(chǎng)所接入的電網(wǎng)短路容量相對(duì)較小，短路比約為2.5，屬于典型的弱電網(wǎng)。電網(wǎng)的等效電阻為0.1Ω/km，等效電抗為0.4Ω/km，線路長(zhǎng)度約為50km。由于電網(wǎng)強(qiáng)度較弱，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)較為敏感，容易引發(fā)次同步振蕩等問題。在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)初期，就考慮到了弱電網(wǎng)接入的風(fēng)險(xiǎn)，采取了一系列措施來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的控制策略、增加無(wú)功補(bǔ)償裝置等，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，仍出現(xiàn)了次同步振蕩現(xiàn)象，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了一定影響。5.2次同步振蕩問題的實(shí)際觀測(cè)與數(shù)據(jù)采集在該直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間后，于[具體時(shí)間]首次觀測(cè)到次同步振蕩現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率出現(xiàn)異常波動(dòng)，同時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓也呈現(xiàn)出明顯的周期性變化。通過風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)次同步振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集了風(fēng)電機(jī)組的電壓、電流、功率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在次同步振蕩發(fā)生期間，電壓數(shù)據(jù)顯示并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)了周期性的波動(dòng)，波動(dòng)頻率經(jīng)計(jì)算約為12Hz，屬于次同步頻率范圍。電壓幅值的波動(dòng)范圍在額定電壓的±5%之間，嚴(yán)重超出了正常運(yùn)行時(shí)的允許波動(dòng)范圍。從采集到的電流數(shù)據(jù)來(lái)看，風(fēng)電機(jī)組的定子電流也呈現(xiàn)出明顯的振蕩特性，振蕩頻率與電壓波動(dòng)頻率一致，為12Hz。電流幅值的振蕩幅度較大，最大電流值達(dá)到了額定電流的1.2倍，這表明風(fēng)電機(jī)組在次同步振蕩期間承受了較大的電流應(yīng)力。功率數(shù)據(jù)同樣反映出了次同步振蕩的影響。風(fēng)電機(jī)組的輸出有功功率和無(wú)功功率均出現(xiàn)了劇烈的振蕩。有功功率的振蕩幅值達(dá)到了額定功率的20%，這意味著風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)輸送的電能出現(xiàn)了較大的不穩(wěn)定，可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的功率平衡產(chǎn)生嚴(yán)重影響。無(wú)功功率的振蕩也較為明顯，其波動(dòng)范圍在±500kvar之間，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性變差，增加了電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的難度。通過對(duì)這些實(shí)際觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以清晰地了解次同步振蕩在該風(fēng)電場(chǎng)中的表現(xiàn)形式和影響程度。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)深入研究次同步振蕩的產(chǎn)生原因、影響因素以及制定有效的抑制策略提供了重要的依據(jù)。5.3基于案例的問題分析與驗(yàn)證運(yùn)用前文建立的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型和次同步振蕩分析理論，對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)的次同步振蕩問題進(jìn)行深入剖析。從電網(wǎng)強(qiáng)度角度來(lái)看，該風(fēng)電場(chǎng)接入的電網(wǎng)短路比為2.5，處于弱電網(wǎng)范疇。根據(jù)前文分析，低短路比會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的支撐能力減弱，使得系統(tǒng)在次同步頻率下的阻尼減小，從而增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。在該案例中，由于電網(wǎng)強(qiáng)度較弱，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)無(wú)法及時(shí)提供足夠的無(wú)功支撐，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)加劇，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。從鎖相環(huán)參數(shù)方面分析，通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)的檢查和參數(shù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)的帶寬設(shè)置為40rad/s，比例系數(shù)K_{p}為1.2，積分系數(shù)K_{i}為0.08。參考前文關(guān)于鎖相環(huán)參數(shù)影響的研究，這樣的參數(shù)設(shè)置使得鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓相位變化的響應(yīng)速度較快，但也引入了較多的高頻噪聲，使得系統(tǒng)對(duì)次同步頻率的擾動(dòng)更加敏感。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)微小波動(dòng)時(shí)，鎖相環(huán)的快速響應(yīng)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)換流器的控制信號(hào)出現(xiàn)偏差，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。網(wǎng)側(cè)換流器控制參數(shù)同樣對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生了影響。該風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)側(cè)換流器電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)K_{p1}為1.5，積分系數(shù)K_{i1}為0.1；電壓外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}為0.8，積分系數(shù)K_{i2}為0.05。結(jié)合前文分析，電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)K_{p1}較大，使得系統(tǒng)對(duì)電流偏差的響應(yīng)速度加快，但也導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)微小的電流變化過度敏感，在次同步頻率下容易引發(fā)振蕩。而電壓外環(huán)比例系數(shù)K_{p2}相對(duì)較小，使得系統(tǒng)對(duì)直流母線電壓變化的響應(yīng)遲緩，無(wú)法及時(shí)調(diào)整電流指令，導(dǎo)致直流母線電壓不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇了次同步振蕩。將理論分析結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在次同步振蕩頻率方面，理論分析預(yù)測(cè)在當(dāng)前電網(wǎng)強(qiáng)度和設(shè)備參數(shù)下，次同步振蕩頻率約為12-13Hz，而實(shí)際觀測(cè)到的次同步振蕩頻率為12Hz，兩者基本相符。在振蕩幅值方面，理論分析表明，由于電網(wǎng)強(qiáng)度較弱和控制參數(shù)不合理，次同步振蕩幅值會(huì)相對(duì)較大，實(shí)際觀測(cè)到的次同步振蕩幅值達(dá)到了額定值的一定比例，與理論分析結(jié)果趨勢(shì)一致。在阻尼特性方面，理論分析得出系統(tǒng)在當(dāng)前條件下阻尼較小，振蕩難以抑制，實(shí)際運(yùn)行中次同步振蕩持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且振蕩幅值在一段時(shí)間內(nèi)未見明顯衰減，也驗(yàn)證了理論分析的正確性。通過對(duì)該直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目次同步振蕩問題的案例分析，驗(yàn)證了前文所建立的模型和分析方法的有效性，能夠準(zhǔn)確地揭示次同步振蕩的產(chǎn)生原因和影響因素，為后續(xù)提出針對(duì)性的抑制策略提供了有力的依據(jù)。5.4案例中的應(yīng)對(duì)措施及效果評(píng)估針對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)的次同步振蕩問題，采取了一系列針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，并對(duì)其效果進(jìn)行了全面評(píng)估。在控制參數(shù)優(yōu)化方面，對(duì)鎖相環(huán)和網(wǎng)側(cè)換流器的控制參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。將鎖相環(huán)的帶寬從40rad/s降低至25rad/s，以減少高頻噪聲的引入，降低系統(tǒng)對(duì)次同步頻率擾動(dòng)的敏感性。同時(shí)，對(duì)鎖相環(huán)的比例系數(shù)K_{p}和積分系數(shù)K_{i}進(jìn)行了優(yōu)化，分別調(diào)整為0.8和0.05。對(duì)于網(wǎng)側(cè)換流器，電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)K_{p1}從1.5減小到1.0，積分系數(shù)K_{i1}從0.1增大到0.15，以提高電流控制的穩(wěn)定性，減少次同步振蕩的發(fā)生。電壓外環(huán)的比例系數(shù)K_{p2}增大到1.2，積分系數(shù)K_{i2}調(diào)整為0.06，增強(qiáng)了對(duì)直流母線電壓變化的響應(yīng)能力，更好地維持直流母線電壓的穩(wěn)定。在加裝抑制裝置方面，考慮到次同步振蕩的頻率和幅值特性，在風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)加裝了次同步阻尼控制器（SSDC）。該控制器通過檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和電流信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算次同步振蕩的幅值和相位，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略，向系統(tǒng)注入與次同步振蕩幅值相等、相位相反的電流，以抵消次同步振蕩的影響，增加系統(tǒng)的阻尼。在采取上述應(yīng)對(duì)措施后，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，次同步振蕩的幅值得到了顯著抑制。在控制參數(shù)優(yōu)化和加裝抑制裝置前，次同步振蕩幅值達(dá)到額定值的0.3p.u.，而在實(shí)施應(yīng)對(duì)措施后，幅值降低至0.08p.u.，下降幅度超過70%，有效減少了風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)設(shè)備所承受的額外應(yīng)力。振蕩頻率也從12Hz穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)，避免了與系統(tǒng)固有頻率的共振，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性明顯提高。風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)大幅減小，功率波動(dòng)范圍從額定功率的±20%降低至±5%以內(nèi)，提高了電能質(zhì)量，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性也得到了改善，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)范圍從額定電壓的±5%減小到±2%，確保了電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于次同步振蕩得到有效抑制，風(fēng)電機(jī)組的故障率顯著降低，設(shè)備的使用壽命得到延長(zhǎng)，降低了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維成本，提高了風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。通過對(duì)該直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目采取的控制參數(shù)優(yōu)化和加裝抑制裝置等應(yīng)對(duì)措施的效果評(píng)估，可以看出這些措施有效地解決了次同步振蕩問題，提高了風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，為類似風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考。六、次同步振蕩抑制策略研究6.1控制參數(shù)優(yōu)化策略在直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，控制參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于抑制次同步振蕩具有重要意義。通過合理調(diào)整網(wǎng)側(cè)換流器和鎖相環(huán)等關(guān)鍵部分的控制