雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)電壓振蕩的載荷響應(yīng)特性*

馬駿超，楊 靖，彭 琰，孫 勇，王晨旭，花 斌?，孟軍峰

雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)電壓振蕩的載荷響應(yīng)特性*

馬駿超1，楊 靖2,3，彭 琰1，孫 勇2,3，王晨旭1，花 斌2,3?，孟軍峰2

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2. 浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 311106；3. 浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311106）

電網(wǎng)電壓振蕩會(huì)引起發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩，增加傳動(dòng)鏈軸系和塔架左右方向載荷，給傳動(dòng)鏈和塔架帶來(lái)一定的疲勞損傷。通過(guò)分析發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩頻率與電網(wǎng)電壓振蕩頻率的關(guān)系，考察傳動(dòng)鏈軸系載荷、塔架左右方向載荷對(duì)發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩的響應(yīng)特性，從而建立聯(lián)合仿真模型，對(duì)比分析不同電磁力矩振蕩頻率對(duì)傳動(dòng)鏈軸系載荷、塔架左右方向載荷的影響。結(jié)果表明，電網(wǎng)基波頻率附近電壓振蕩會(huì)引起發(fā)電機(jī)電磁力矩低頻振蕩，進(jìn)而顯著增加傳動(dòng)鏈軸系和塔架左右方向載荷。

電壓振蕩；電磁力矩振蕩；傳動(dòng)鏈軸系；塔架；載荷響應(yīng)；聯(lián)合仿真

0 引 言

風(fēng)電是重要的可再生能源，加快風(fēng)電發(fā)展對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有十分重要的意義[1]。風(fēng)電一般采用電力電子變流器并網(wǎng)，電力電子設(shè)備與電網(wǎng)間的相互作用，易引發(fā)電力系統(tǒng)振蕩[2]，如美國(guó)得克薩斯州某風(fēng)電場(chǎng)雙饋風(fēng)電集群與串補(bǔ)輸電線路發(fā)生頻率約為25 Hz的次同步振蕩[3]；我國(guó)新疆哈密市直驅(qū)風(fēng)電機(jī)群發(fā)生頻率為10 ～ 40 Hz的次同步振蕩[4-5]，引起臨近汽輪機(jī)組軸系扭振[4]；德國(guó)北海風(fēng)電?柔性直流輸電發(fā)生中高頻段振蕩現(xiàn)象等[6]?？梢?，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引發(fā)的寬頻振蕩問(wèn)題大多為風(fēng)電機(jī)組之間或風(fēng)電機(jī)組與串補(bǔ)線路/直流輸電線路間相互作用引起，振蕩頻率范圍涉及幾赫茲至幾千赫茲。寬頻振蕩問(wèn)題涉及多類型設(shè)備，多時(shí)間尺度，振蕩信號(hào)呈現(xiàn)強(qiáng)時(shí)變特性、強(qiáng)非線性、多模態(tài)以及時(shí)空分布特性的特點(diǎn)[7]。

目前，針對(duì)高比例新能源并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)寬頻振蕩問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多聚焦于振蕩機(jī)理分析、振蕩模態(tài)分析及監(jiān)測(cè)和振蕩抑制等方面。文獻(xiàn)[8-10]綜述了國(guó)內(nèi)外因高比例新能源并網(wǎng)引起的寬頻振蕩機(jī)理，文獻(xiàn)[2]著重分析國(guó)內(nèi)實(shí)際振蕩案例，指明下階段研究方向。實(shí)際工程中頻譜分析一般采用傅里葉變換[11]，近年來(lái)，基于希爾伯特?黃變換[12]、小波分析[13]、人工智能算法[14]等模態(tài)分析方法都取得較快發(fā)展，但復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[15-16]提出寬頻振蕩廣域監(jiān)測(cè)方法，但短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣。振蕩抑制可在早期電網(wǎng)規(guī)劃階段通過(guò)理論分析和半物理仿真來(lái)避免，此外風(fēng)電機(jī)組附加阻尼控制[17-18]、風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置及靜止無(wú)功補(bǔ)償器等裝置附加阻尼控制[19-20]、附加濾波器[21]等措施均可以實(shí)現(xiàn)寬頻振蕩抑制。

可見，目前對(duì)于新能源并網(wǎng)后引起的寬頻振蕩問(wèn)題的研究大多從電網(wǎng)的角度入手，且短時(shí)期內(nèi)無(wú)法完成寬頻振蕩的快速監(jiān)測(cè)和振蕩抑制的產(chǎn)業(yè)化推廣，因此從風(fēng)電機(jī)組的角度出發(fā)，研究風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)振蕩時(shí)機(jī)械部件的載荷響應(yīng)特性對(duì)保障機(jī)組安全運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先分析發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩頻率與電網(wǎng)電壓振蕩頻率的關(guān)系，然后分析大型雙饋異步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈軸系載荷、塔架左右方向載荷對(duì)發(fā)電機(jī)電磁力矩的響應(yīng)特性，最后搭建GH Bladed與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真模型，研究不同電磁力矩振蕩頻率下傳動(dòng)鏈軸系載荷和塔架左右方向載荷變化趨勢(shì)。

1 發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩頻率與系統(tǒng)電壓振蕩頻率的關(guān)系

對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組而言，在任意速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，電網(wǎng)電壓軸分量與定子磁鏈軸分量的關(guān)系為：

式中：sr、si為電網(wǎng)電壓軸分量；sr、si為定子磁鏈軸分量；sr、si為定子電流軸分量；s為定子電阻。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，定子磁鏈的變化率為0，再忽略定子電阻，則式（1）可簡(jiǎn)化為：

在不考慮擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

式中：p為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；m為定轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感；sd、sq為定子電流軸分量；rd、rq為轉(zhuǎn)子電流軸分量。

假設(shè)電網(wǎng)存在頻率為d的電壓擾動(dòng)Δ，且擾動(dòng)在坐標(biāo)系上的分量分別為Δsd和Δsq，其相量圖如圖1所示。圖中，()s坐標(biāo)系為兩相靜止坐標(biāo)系；坐標(biāo)系為同步速s旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

圖1 擾動(dòng)電壓相量圖

擾動(dòng)分量在坐標(biāo)軸上的分量分別為：

式中：|Δ|為擾動(dòng)電壓的幅值；為Δ與軸的夾角，0為其初始夾角，與擾動(dòng)前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。

由式（2）可知，在定子磁鏈暫態(tài)分量衰減結(jié)束后，由電壓擾動(dòng)Δsd、Δsq引起的磁鏈擾動(dòng)在軸上的分量Δsd、Δsq為：

由式（4）和式（5）可以看出，頻率為d的擾動(dòng)電壓，將在兩相同步速旋轉(zhuǎn)的軸坐標(biāo)系上感應(yīng)出頻率為|d?s|的電壓擾動(dòng)和磁鏈擾動(dòng)分量。

由雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的定子磁鏈方程可知：

式中：s為坐標(biāo)系中定子等效兩相繞組自感。

因此，在軸有頻率為|d?s|的定子電流擾動(dòng)Δsd、Δsq和頻率為|d?s|的轉(zhuǎn)子電流擾動(dòng)Δrd、Δrq，假設(shè)：

式中：1和2的頻率均為|d?s|，初始角度與擾動(dòng)前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。1、2分別為Δs、Δr的幅值。

考慮定轉(zhuǎn)子電流的擾動(dòng)分量時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為：

將式（7）、式（8）代入式（9），可知：

因此，電磁力矩含有三種分量，第一種分量為pm(sqrd?sdrq)，這是正常運(yùn)行時(shí)的直流分量；第二種分量為pm(rdΔsq?sdΔrq+sqΔrd?rqΔsd)，這是電壓擾動(dòng)導(dǎo)致的交流振蕩分量，振蕩頻率為|d?s|；第三種分量為pm12sin(1?2)，這是電壓擾動(dòng)導(dǎo)致的直流分量，這部分幅值較小，一般可忽略。

綜上所述，頻率為d的電壓振蕩會(huì)產(chǎn)生頻率為|d?s|的電磁力矩振蕩。

2 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈和塔架對(duì)電磁力矩?cái)_動(dòng)響應(yīng)特性

電力系統(tǒng)振蕩會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩，而發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩會(huì)激勵(lì)傳動(dòng)鏈軸系和塔架左右方向某階模態(tài)發(fā)生共振，進(jìn)而產(chǎn)生較大載荷，對(duì)傳動(dòng)鏈和塔架造成一定的疲勞損傷。本節(jié)重點(diǎn)分析傳動(dòng)鏈軸系載荷、塔架左右方向載荷對(duì)發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩的響應(yīng)特性。

2.1 傳動(dòng)鏈軸系響應(yīng)特性

大型雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈軸系通常采用等效質(zhì)量法結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程來(lái)進(jìn)行建模，不同等效方法可將傳動(dòng)鏈系統(tǒng)等效為不同的質(zhì)量塊模型，目前常見的有六質(zhì)量塊模型、四質(zhì)量塊模型、三質(zhì)量塊模型、兩質(zhì)量塊模型和單質(zhì)量塊模型。由于兩質(zhì)量塊模型能反映傳動(dòng)鏈軸系扭振動(dòng)態(tài)特性且精度能滿足研究需要[21-22]，因此選取兩質(zhì)量塊模型為研究對(duì)象，各物理量均折算到低速軸側(cè)，可得傳動(dòng)鏈軸系兩質(zhì)量塊模型的動(dòng)力學(xué)方程：

其中：r、g分別為風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；s為傳動(dòng)鏈軸系等效阻尼；s為傳動(dòng)鏈軸系等效剛度；r、g、s分別為風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)鏈軸系的角位移；r、g、s分別為風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)鏈軸系的轉(zhuǎn)矩。

消除式（12）中的r、g可知：

根據(jù)式（13）可以得出傳動(dòng)鏈軸系固有振蕩頻率和阻尼系數(shù)為：

傳動(dòng)鏈軸系載荷對(duì)發(fā)電機(jī)電磁力矩頻率響應(yīng)如圖2所示，結(jié)合WD 107-2500型雙饋風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)[14]可以得出c= 9.41 rad/s，c= 0.0058?？梢钥闯鰝鲃?dòng)鏈軸系響應(yīng)是一個(gè)典型的二階欠阻尼系統(tǒng)，電磁力矩?cái)_動(dòng)易激發(fā)傳動(dòng)鏈軸系扭振。

圖2 傳動(dòng)鏈軸系載荷對(duì)發(fā)電機(jī)電磁力矩頻率響應(yīng)

2.2 塔架左右方向響應(yīng)特性

發(fā)電機(jī)電磁力矩是氣動(dòng)力矩的反力矩，同時(shí)也作為彎矩作用于塔架左右振動(dòng)模態(tài)。根據(jù)拉格朗日方程可以得到：

根據(jù)式（16）可以得出塔架左右方向固有振蕩頻率和阻尼系數(shù)為：

塔架左右方向載荷對(duì)發(fā)電機(jī)電磁力矩頻率響應(yīng)如圖3所示，結(jié)合WD 107-2500型雙饋風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)[22]可以得出ωt= 1.92 rad/s，ξt= 0.0064。可以看出塔架左右方向響應(yīng)是一個(gè)典型的二階欠阻尼系統(tǒng)，電磁力矩?cái)_動(dòng)易激發(fā)塔架左右方向晃動(dòng)。

3 仿真分析

現(xiàn)有商業(yè)仿真軟件很難同時(shí)滿足計(jì)及載荷特性和電網(wǎng)特性的精細(xì)化建模（體現(xiàn)機(jī)電交互耦合特性）需求。GH Bladed軟件是目前國(guó)內(nèi)外整機(jī)制造商應(yīng)用最廣的商業(yè)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)軟件，其優(yōu)勢(shì)在于整機(jī)建模仿真、載荷計(jì)算、振動(dòng)分析等，但要建立比較精細(xì)化的發(fā)電機(jī)、變流器、電網(wǎng)模型是比較困難的。Maltab軟件是研究雙饋風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)特性和電力系統(tǒng)仿真計(jì)算方面應(yīng)用最廣泛的仿真軟件，其優(yōu)勢(shì)在于發(fā)電機(jī)、變流器、電網(wǎng)模型等并網(wǎng)特性仿真研究，但是在Matlab軟件中構(gòu)建風(fēng)輪、塔架詳細(xì)模型、載荷計(jì)算、振動(dòng)分析等比較困難。因此，計(jì)及載荷特性和電網(wǎng)特性的精細(xì)化模型需要采用聯(lián)合仿真技術(shù)，聯(lián)合仿真模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 聯(lián)合仿真模型

3.1 電壓振蕩仿真分析

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)（point of common coupling, PCC）電壓本身存在不同頻率的振蕩分量，但幅值很小，可以忽略。但是負(fù)荷投切、電源出力的變化等擾動(dòng)會(huì)加劇并網(wǎng)點(diǎn)電壓的振蕩。本節(jié)以投入新負(fù)荷、風(fēng)電場(chǎng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻為例來(lái)分析并網(wǎng)點(diǎn)電壓基波附近振蕩分量的變化趨勢(shì)。仿真模型的電氣部分采用如圖5所示含風(fēng)電場(chǎng)的四機(jī)兩區(qū)模型[23]。圖中，G1～ G4表示常規(guī)同步機(jī)；、分別表示負(fù)荷等效電感、電容；WF表示風(fēng)電場(chǎng)，容量為300 MW；dist表示擾動(dòng)負(fù)荷，位于節(jié)點(diǎn)9，容量為180 MW。

圖5 含風(fēng)電場(chǎng)的四機(jī)兩區(qū)模型

仿真選取平均風(fēng)速為14 m/s湍流風(fēng)況，對(duì)擾動(dòng)負(fù)荷投入前后的并網(wǎng)點(diǎn)電壓利用離散傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，頻譜分析結(jié)果如圖6所示。擾動(dòng)前后并網(wǎng)點(diǎn)電壓振蕩分量如表1所示。

圖6 并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻譜分析

表1 擾動(dòng)前后并網(wǎng)點(diǎn)電壓振蕩分量

表1中頻率偏差表示偏離基波的程度，如±2 Hz表示48 Hz與52 Hz的振蕩分量，百分比表示該振蕩分量與基波的比值。仿真結(jié)果表明，擾動(dòng)后基波附近的振蕩分量占比較擾動(dòng)前均有明顯上升，此部分振蕩分量將會(huì)引起發(fā)電機(jī)電磁力矩的低頻振蕩，破壞軸系平衡，進(jìn)而對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的載荷造成一定的影響。

3.2 不同電磁力矩振蕩頻率風(fēng)電機(jī)組載荷響應(yīng)特性

仿真選取平均風(fēng)速為14 m/s湍流風(fēng)況，發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩是由于電網(wǎng)電壓振蕩引起的，振蕩幅值為5%n（n為額定電磁力矩），持續(xù)時(shí)間20 s，振蕩頻率分別是塔架左右一階模態(tài)頻率、傳動(dòng)鏈一階模態(tài)頻率、槳葉面內(nèi)三階模態(tài)頻率、塔架左右二階模態(tài)頻率和高頻（25 Hz、70 Hz）。疲勞載荷為用雨流計(jì)數(shù)法[24]處理之后的當(dāng)量等效疲勞載荷（其中S-N斜率曲線取10）。

雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真機(jī)型為WD107-2500[14]，該機(jī)型關(guān)鍵模態(tài)的頻率和阻尼如表2所示。

表2 WD107-2500機(jī)型關(guān)鍵模態(tài)頻率和阻尼系數(shù)

（1）振蕩頻率為塔架左右一階模態(tài)頻率

當(dāng)電磁力矩振蕩頻率為塔架左右一階模態(tài)頻率（0.30 Hz）時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示。

當(dāng)振蕩頻率為塔架左右一階模態(tài)頻率時(shí)，塔架左右方向最大載荷增加6%，疲勞載荷增加34%，傳動(dòng)鏈軸系最大載荷不變，疲勞載荷增加23%?？梢娝茏笥曳较蛘駝?dòng)較明顯，傳動(dòng)鏈軸系也出現(xiàn)一定程度的扭振。

圖7 振蕩頻率為塔架左右一階模態(tài)頻率時(shí)載荷響應(yīng)特性

（2）振蕩頻率為傳動(dòng)鏈一階模態(tài)頻率

當(dāng)電磁力矩振蕩頻率為傳動(dòng)鏈一階模態(tài)頻率（1.34 Hz）時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示。當(dāng)振蕩頻率為傳動(dòng)鏈一階模態(tài)頻率時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系最大載荷增加8%，疲勞載荷增加172%；塔架左右方向最大載荷不變，疲勞載荷增加3%。可見傳動(dòng)鏈軸系疲勞載荷有明顯增加，可能對(duì)傳動(dòng)荷造成較大疲勞損傷，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。此外，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也有一定程度的振蕩。

圖8 振蕩頻率為傳動(dòng)鏈一階模態(tài)頻率時(shí)載荷響應(yīng)特性

（3）振蕩頻率為槳葉面內(nèi)三階模態(tài)頻率

當(dāng)電磁力矩振蕩頻率為槳葉面內(nèi)三階模態(tài)頻率（2.36 Hz）時(shí)，仿真結(jié)果如圖9所示。振蕩頻率為槳葉面內(nèi)三階模態(tài)頻率時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系最大載荷不變，疲勞載荷增加36%；塔架左右方向最大載荷不變，疲勞載荷增加6%?？梢妭鲃?dòng)鏈軸系出現(xiàn)一定程度的扭振。

（4）振蕩頻率為塔架左右二階模態(tài)頻率

當(dāng)電磁力矩振蕩頻率為塔架左右二階模態(tài)頻率（2.71 Hz）時(shí)，仿真結(jié)果如圖10所示。振蕩頻率為塔架左右二階模態(tài)頻率（2.71 Hz）時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系最大載荷增加5%，疲勞載荷增加98%；塔架左右方向最大載荷增加28%，疲勞載荷增加103%。可見傳動(dòng)鏈軸系以及塔架左右方向疲勞載荷均有明顯增加，傳動(dòng)鏈以及塔架左右方向振動(dòng)明顯，容易造成疲勞損傷，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行載荷優(yōu)化。

（5）振蕩頻率為高頻（25 Hz）

當(dāng)電磁力矩振蕩頻率為高頻（25 Hz）時(shí)，仿真結(jié)果如圖11所示。振蕩頻率為高頻（25 Hz）時(shí)，發(fā)電機(jī)電磁力矩產(chǎn)生高頻振蕩，但對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈軸系和塔架左右方向的載荷影響很小，幾乎沒(méi)有變化。對(duì)于機(jī)械振動(dòng)而言，25 Hz、70 Hz都屬于高頻的范疇，限于篇幅原因，本工況下僅給出振蕩頻率為25 Hz時(shí)發(fā)電機(jī)電磁力矩與傳動(dòng)鏈軸系載荷的仿真圖。

對(duì)比各種電磁力矩振蕩頻率時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系以及塔架左右方向最大載荷和疲勞載荷，其結(jié)果如表3所示。

表3 不同電磁力矩振蕩頻率最大載荷比與疲勞載荷比

從表3可以看出，對(duì)傳動(dòng)鏈軸系載荷影響較大的模態(tài)頻率主要有傳動(dòng)鏈一階模態(tài)，塔架左右方向二階模態(tài)和槳葉面內(nèi)三階模態(tài)；對(duì)塔架左右方向載荷影響較大的模態(tài)頻率主要有塔架左右方向一階模態(tài)和塔架左右方向二階模態(tài)。這與第2節(jié)中的分析一致。

對(duì)比表3中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電磁力矩振蕩頻率為塔架左右方向二階模態(tài)頻率（2.71 Hz）時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系以及塔架左右方向載荷均有顯著增加，給傳動(dòng)鏈、塔架造成的疲勞損傷最大，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施抑制傳動(dòng)鏈軸系、塔架左右方向扭振，實(shí)現(xiàn)載荷優(yōu)化。此外，當(dāng)電磁力矩振蕩頻率為傳動(dòng)鏈一階模態(tài)頻率（1.34 Hz）時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系載荷增加最大，會(huì)造成傳動(dòng)鏈軸系扭振，增加其疲勞損傷，同樣需要引起重視。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究雙饋風(fēng)電機(jī)組不同電磁力矩振蕩頻率載荷響應(yīng)特性，得出以下結(jié)論：

（1）雙饋風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)直接并網(wǎng)，電網(wǎng)工頻附近的電壓振蕩會(huì)引起發(fā)電機(jī)電磁力矩低頻振蕩。

（2）發(fā)電機(jī)電磁力矩低頻振蕩會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件載荷，如當(dāng)發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩頻率為傳動(dòng)鏈一階模態(tài)頻率（1.34 Hz）時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系載荷增加172%；發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩頻率為塔架左右方向二階模態(tài)頻率時(shí)，傳動(dòng)鏈軸系載荷增加98%，塔架左右方向載荷增加103%。

（3）本文僅選取WD107-2500型雙饋風(fēng)電機(jī)組的幾個(gè)關(guān)鍵模態(tài)頻率作為發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩頻率，但這并不意味著只有這幾個(gè)模態(tài)頻率才會(huì)激發(fā)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的載荷變化，任意由電網(wǎng)電壓擾動(dòng)引起的發(fā)電機(jī)低頻電磁力矩振蕩均會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件載荷變化。

（4）發(fā)電機(jī)電磁力矩振蕩頻率為高頻時(shí)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈、塔架的載荷幾乎沒(méi)有影響。

本文僅從理論分析和聯(lián)合仿真分析闡明不同的發(fā)電機(jī)電磁振蕩頻率對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈、塔架載荷的影響，目前已有的基于附加阻尼控制的載荷優(yōu)化方案大多處于理論研究階段，后期應(yīng)注重開展樣機(jī)測(cè)試，完成風(fēng)電機(jī)組的改造，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組振蕩抑制功能。

[1] 舒印彪,張麗英,張運(yùn)洲,等.我國(guó)電力碳達(dá)峰、碳中和路徑研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2021,23(06):1-14. DOI:10.15302/J-SSCAE-2021.06.001.

[2] 李明節(jié), 于釗, 許濤, 等. 新能源并網(wǎng)系統(tǒng)引發(fā)的復(fù)雜振蕩問(wèn)題及其對(duì)策研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2017, 41(4): 1035-1042. DOI: 10.13335/j.1000-3673.pst.2016.3049.

[3] ADAMS J, PAPPU V A, DIXIT A. ERCOT experience screening for sub-synchronous control interaction in the vicinity of series capacitor banks[C]//Proceedings of 2012 IEEE Power and Energy SocietyGeneral Meeting. San Diego, CA: IEEE, 2012: 1-5. DOI: 10.1109/PESGM.2012.6345409.

[4] 謝小榮, 劉華坤, 賀靜波, 等. 直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)與交流電網(wǎng)相互作用引發(fā)次同步振蕩的機(jī)理與特性分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(9): 2366-2372. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.09.007.

[5] LIU H K, XIE X R, HE J B, et al. Subsynchronous interaction between direct-drive PMSG based wind farms and weak AC networks[J]. IEEE transactions on power systems, 2017, 32(6): 4708-4720. DOI: 10.1109/tpwrs.2017.2682197.

[6] BUCHHAGEN C, RAUSCHER C, MENZE A, et al. BorWin1-first experiences with harmonic interactions in converter dominated grids[C]//Proceedings of International ETG Congress 2015, Die Energiewende-Blueprints for the New Energy Age. Bonn, Germany: VDE, 2015: 1-7.

[7] 趙妍, 唐文石, 聶永輝, 等. 基于格拉姆角差場(chǎng)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的寬頻振蕩分類方法[J/OL]. 電網(wǎng)技術(shù): 1-12[2022-04-14]. 10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2079.https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2079.

[8] 劉芳, 劉威, 汪浩東, 等. 高比例新能源電力系統(tǒng)振蕩機(jī)理及其分析方法研究綜述[J]. 高電壓技術(shù), 2022, 48(1): 95-113. DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20211187.

[9] 馬寧寧, 謝小榮, 賀靜波, 等. 高比例新能源和電力電子設(shè)備電力系統(tǒng)的寬頻振蕩研究綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(15): 4719-4731. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.191968.

[10] 王偉勝, 張沖, 何國(guó)慶, 等. 大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩研究綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2017, 41(4): 1050-1060. DOI: 10.13335/j.1000-3673.pst.2017.0069.

[11] 馬超, 王慧錚, 蒙永蘋, 等. 低頻振蕩綜合監(jiān)測(cè)算法研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(S2): 31-35. DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2008.s2.072.

[12] 韓松, 何利銓, 孫斌, 等. 基于希爾伯特-黃變換的電力系統(tǒng)低頻振蕩的非線性非平穩(wěn)分析及其應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(4): 56-60. DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2008.04.013.

[13] 馮雙, 崔昊, 陳佳寧, 等. 人工智能在電力系統(tǒng)寬頻振蕩中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(23): 7889-7904. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.210608.

[14] 馬俊杰, 劉芳, 吳敏, 等. 基于類噪聲小波分解的風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩辨識(shí)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2019, 43(4): 1294-1300. DOI: 10.13335/j.1000-3673.pst.2018.1468.

[15] 吳琛, 馬寧寧, 劉旭斐, 等. 高比例新能源電力系統(tǒng)多模態(tài)振蕩監(jiān)測(cè)方法及裝置設(shè)計(jì)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2021, 45(9): 3496-3504. DOI: 10.13335/j.1000-3673.pst.2020.1902.

[16] 鞠平, 謝歡, 孟遠(yuǎn)景, 等. 基于廣域測(cè)量信息在線辨識(shí)低頻振蕩[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(22): 56-60. DOI: 10.3321/j.issn:0258-8013.2005.22.010.

[17] VIETO I, SUN J. Damping of subsynchronous resonance involving Type-III wind turbines[C]//Proceedings of the IEEE 16th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL). Vancouver, BC, Canada: IEEE, 2015: 1-8. DOI: 10.1109/COMPEL.2015.7236515.

[18] 謝震, 劉坤, 張興, 等. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱驟升下無(wú)功功率優(yōu)化控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(13): 3211-3220. DOI:10.13334/j.0258-8013. pcsee.2015.13.003.

[19] EL-MOURSI M S, BAK-JENSEN B, ABDEL-RAHMAN M H. Novel STATCOM controller for mitigating SSR and damping power system oscillations in a series compensated wind park[J]. IEEE transactions on power electronics, 2010, 25(2): 429-441. DOI: 10.1109/TPEL.2009.2026650.

[20] 孫賢大, 劉國(guó)輝, 呂孝國(guó), 等. 基于SVG的次同步振蕩抑制方法研究與應(yīng)用[J]. 電力電子技術(shù), 2020, 54(3): 75-78.

[21] LIU H K, XIE X R, LI Y, et al. Damping subsynchronous resonance in series-compensated wind farms by adding notch filters to DFIG controllers[C]//Proceedings of 2015 IEEE Innovative Smart Grid Technologies - Asia (ISGT ASIA). Bangkok, Thailand: IEEE, 2016. DOI: 10.1109/ISGT-Asia.2015.7386978.

[22] 應(yīng)有, 孫勇, 楊靖, 等. 大型雙饋風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)故障穿越過(guò)程載荷特性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(12): 131-138. DOI: 10.7500/AEPS20190911006.

[23] KUNDUR P. Power system stability and control[M]. New York: McGraw-Hill, 1994.

[24] 徐敏敏, 楊春蘭, 段月星, 等. 基于雨流計(jì)數(shù)法的疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2016, 32(5): 184-187. DOI: 10.13952/j.cnki.jofmdr.2016.0217.

Load Response Characteristics of Doubly-Fed Induction Generator to Power System Voltage Oscillation

MA Jun-chao1, YANG Jing2,3, PENG Yan1, SUN Yong2,3,WANG Chen-xu1, HUA Bin2,3, MENG Jun-feng2

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China;2. Zhejiang Windey Co., Ltd., Hangzhou 311106, China;3. Key Laboratory of Wind Power Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 311106, China)

Grid voltage oscillates will cause the electromagnetic torque of the generator to oscillate, which will increase the load of the transmission chain shaft and the tower load in the left and right directions, and bring fatigue damage to the transmission chain and the tower. In this work, the relationship between the generator electromagnetic torque oscillation frequency and the grid voltage oscillation frequency was analyzed, and the response characteristics of the transmission chain shaft load and the tower load in the left and right directions to the generator electromagnetic torque oscillation was investigated. Then a co-simulation model was established to compare the effects of different electromagnetic torque oscillation frequencies on the load of the transmission chain shaft and the load in the left and right directions of the tower. Results showed that the voltage oscillation near the fundamental frequency of the power grid would cause the low-frequency oscillation of the generator electromagnetic torque, which would significantly increase the transmission chain shaft load and tower load in the left and right directions.

voltage oscillation; electromagnetic torque oscillation; transmission chain shaft; tower; load response; co-simulation

2095-560X（2022）03-0271-09

TK83；TM614

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.012

2022-03-29

2022-04-18

國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項(xiàng)目（B311DS21000G）

花 斌，E-mail：huab@chinawindey.com

馬駿超（1989-），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事新能源并網(wǎng)運(yùn)行與消納、直流配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究。

花 斌（1994-），男，碩士，主要從事新能源并網(wǎng)運(yùn)行與消納研究。