学术简报｜降阶设计的次同步阻尼控制器，可抑制风电场次同步振荡
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员苏田宇、杜文娟、王海风，在2019年第1期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“多直驱永磁同步发电机并联风电场次同步阻尼控制器降阶设计方法”）指出，多直驱永磁同步发电机（PMSG）并联风电场并网电力系统中可能出现次同步振荡现象。为了保证系统稳定运行，提出了一种多PMSG并联风电场次同步阻尼控制器降阶设计方法。
文中次同步阻尼控制器以风电场集中母线电压幅值为输入信号，并将输出信号分配到风电场中每台PMSG电网侧换流器控制回路上，次同步阻尼控制器参数在多PMSG并联风电场并网系统降阶模型的基础上由全局搜索算法优化得到。次同步阻尼控制器降阶设计方法可以降低状态矩阵维度，大大减少参数优化时间。最后，基于Matlab软件对20台PMSG并联风电场并网电力系统进行模态分析和非线性仿真分析，结果显示，降阶设计的风电场次同步阻尼控制器在不同场景下均能够抑制多PMSG并联风电场次同步振荡，提升系统的稳定性。
次同步振荡问题最初出现在火电机组中，1970年和1971年，美国Mohave电厂由于线路串联补偿引发两台大型汽轮发电机组转子轴系损坏，引起电力系统学术界和工程界广泛关注。近些年来，全球范围内大力发展风能等清洁能源发电技术，风电装机容量逐年增加，国内外都曾发生过风电场并网引发的次同步振荡现象。
2009年，美国德州双馈风电场发生了由串补电容引起的次同步控制相互作用，造成多台风机的撬杠保护损毁。2012年起，华北地区沽源风电场曾发生多起次同步谐振现象。2015年7月1日，新疆哈密地区北部以直驱风机为主力机型的风电场发生次同步振荡现象，导致风电场附近火电机组因轴系扭振保护相继动作跳闸，同时造成该地区电网频率下降。
风电场并网引发次同步振荡的起因、表现形式、影响程度、监测和抑制方法等诸多错综复杂的问题引起世界范围内的广泛重视。风电场次同步振荡可能引发大量风机脱网、保护损毁甚至激发临近汽轮发电机轴系扭振，若不及时处理，将对风电场、电力造成巨大经济损失，甚至恶化成大范围稳定事故，危及电力系统安全稳定运行。因此，加强抑制风电场次同步振荡措施的研究是十分必要且具有实际意义的。
目前，抑制以双馈感应发电机（Double-Fed Induction Generator,DFIG）为主力机型的风电场中次同步振荡措施研究相对较多，大致可分为三类：①在柔性交流输电系统（Flexible Alternative Current Transmission Systems,FACTS）、模块化多电平换流器高压直流输电（Modular Multilevel Converter High Voltage Direct Current, MMC-HVDC）等柔性输电系统的换流站上附加次同步阻尼控制；②在DFIG转子侧换流器或电网侧换流器的控制回路上附加次同步阻尼控制[14-19]；③在DFIG转子侧换流器或电网侧换流器的控制回路上增设次同步滤波器。
此外，当风火打捆经HVDC送电引起次同步轴系扭振时，在HVDC整流侧定电流主控制器上附加次同步阻尼控制器也可以抑制次同步振荡。
而针对以直驱永磁同步发电机（Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG）为主力机型的风电场，关于抑制次同步振荡措施的研究相对较少。文献[23]在PMSG换流器上附加阻尼控制器抑制临近汽轮发电机与串补装置作用引发的次同步振荡。文献[24]提出优化直驱风电场锁相环参数以降低风电场发生次同步振荡的风险。因此，需要进一步加强对直驱风电场次同步振荡抑制措施的研究。
目前，大多数关于附加次同步阻尼控制器抑制风电场次同步振荡的研究都是将风电场等效成一台风电机，但现实中大规模风电场都包含成百上千台风电机，尽管接线方式较为复杂，但大多都可以转换成多台风机（风电机组）连接在集中母线并联运行的形式。然而，对于多台风电机并联运行的风电场，建模和阻尼控制器设计可能面临矩阵维度较大和计算困难等问题。
本文以多直驱风机并联运行风电场中次同步振荡为研究对象，提出风电场次同步阻尼控制器降阶设计法，可以降低状态矩阵维度、减轻计算负担，大大减少参数优化时间。该次同步阻尼控制器以风电场集中母线电压幅值为输入信号，将输出信号分配到风电场中每台直驱风机网侧换流器控制回路中，阻尼控制参数则在多PMSG并联风电场并网系统降阶模型的基础上由全局搜索算法优化得到。
本文基于Matlab软件在不同场景下对算例系统进行模态分析和非线性仿真分析，验证了降阶设计的风电场次同步阻尼控制器的有效性。
图1多PMSG并联风电场结构
为了抑制多PMSG并联风电场并网系统中次同步振荡，本文提出一种风电场阻尼控制器降阶设计方法。文中风电场阻尼控制器以风电场集中母线电压幅值作为输入信号，阻尼控制输出信号则分配到风电场中每台PMSG网侧换流器控制回路上，阻尼控制参数则在参数相同的多PMSG并联风电场并网系统降阶模型的基础上由全局搜索算法优化得到，可以减少计算成本。
以20台PMSG并联运行的风电场、一台火电机组经过输电线路与无穷大电网相连的电力系统作为算例，采用降阶设计法整定阻尼控制器参数，采用模态分析法和非线性仿真法验证了降阶设计的风电场阻尼控制器在PMSG输出有功功率参数、连接电抗、控制参数不同等4种场景下的有效性。
采用降阶设计法可以减少计算难度，并节省近1000s时间，可以快速识别目标振荡模式，阻尼效果要好于传统方法。不同场景下模态分析结果和非线性仿真结果显示，未采用阻尼控制时，系统中存在负阻尼次同步振荡模式，风电场输出有功功率、无功功率和集中母线电压幅值在故障后逐渐发散；采用降阶设计的风电场阻尼控制器后，系统中次同步振荡模式的阻尼由负变正，非线性仿真曲线在故障后也快速稳定下来，多PMSG并联风电场并网系统的稳定性得到大幅提高。