解决双馈风力发电机的并网稳定问题

随着风电渗透率的不断提高，风力发电对电力系统稳定性的影响越来越大。从目前的工程实际来看，风电场的稳定性问题主要包括电磁振荡（对双馈风力发电机而言，主要是与串补线路间的次同步振荡；对直驱风力发电机而言，主要是与弱系统的次超同步振荡）、电压穿越和系统的频率调整等问题。

1.次同步振荡问题

电力电子装置具有优良的稳态性能和动态响应速度，但是这些设计往往仅是针对额定频率处的有功功率和无功功率，导致电力电子装置在其他频段的特性往往处于一种不可控的未知状态。随着电力电子装置在电力系统中的应用越来越普遍，电力电子装置接入电网的局部振荡问题也逐渐显现。风电场的次同步振荡就是一种典型的电力电子装置与系统间的振荡。由于振荡频率低于同步频率，因此称为次同步振荡（Subsynchronous Oscillation，SSO），有时也称为次同步谐振（Subsynchronous Resonance，SSR）。

2009年10月美国得克萨斯州CREZ地区风电场发生了一起振荡事故，造成了大量风力发电机脱网以及部分机组撬棒电路的损坏［19－20］。事后的分析表明，该事故为双馈风力发电机与线路固定串补相互作用的次同步振荡事故，是一种新的电力系统稳定性问题。2012年12月25日，位于我国华北沽源地区的风电场群也发生了类似现象，造成部分风力发电机脱网；此后，在低风速情况下，该地区的风电场又多次发生次同步振荡［21，22］，该事故是我国发生的第一起由固定串补导致的双馈发电机风电场振荡事件。2015年7月1日，我国新疆哈密地区的风电场发生了持续的振荡，振荡分量既有次同步频段，也有超同步频段。由于次同步振荡频率与附近汽轮机的轴系扭振频率匹配，激发火电机组轴系扭振后导致三台火电机组跳闸。该事故为世界上第一起由直驱永磁同步发电机与弱系统相互作用导致的振荡事故［23］。在国内外其他风电场也发生过类似的振荡事故。目前，众多专家学者对该问题的发生机理和抑制策略已经进行了深入的研究。

2.电压穿越问题

风电场大多地处偏僻，因离负荷中心远而电网薄弱；同时，风能本身的波动性和间歇性特点极易产生扰动，从而导致电压不稳定。负荷投切、输电线路故障等行为都会造成风电场的电压波动。为保护风电机组，传统的风电场一般通过切机避免电网电压扰动导致设备过流过压，保证设备安全，但切机将导致电网瞬时失去功率。随着风电装机容量在电网中所占比例的不断攀升，风电切机造成的电源损失对系统的冲击越来越剧烈，甚至会导致局部范围的停电［24］，对电网的安全、稳定运行造成了严重的影响［26］。据报道，因投入的设备不满足低电压穿越能力，仅在2011年上半年，我国酒泉地区的风电场就发生了4起大规模脱网事故，张家口地区发生了2起大规模脱网事故［25］。为此，各风电大国先后出台了风电并网标准，要求风电机组应具备在系统电压故障过程中保持连续运行并过渡到正常状态的能力，即电压穿越能力。其又可分为低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）和高电压穿越（High Voltage Ride Through，HVRT）。(www.xing528.com)

3.参与系统的频率调整

受风速波动的制约，风力发电输出功率具有间歇性和随机性的特点。大规模风力发电接入对电力系统在有功功率控制和系统频率控制方面提出了新的挑战［27］：

（1）导致电力系统备用容量需求的增加。电力系统稳定运行的前提是发电与用电的实时平衡，否则会引起系统电能质量下降，甚至会发生不稳定。为此，电力系统中往往需要配置一定的备用容量，以消除瞬时的功率不平衡。而风电的随机性波动将会加剧系统中的这种功率不平衡现象，尽管风电预测准确性正在逐步提高，但超短期乃至实时预测仍然存在很大的不确定性，这意味着电力系统需要更大的旋转备用容量以实现可靠运行。备用容量的建设，需要庞大的投资，也降低了电力资产利用率。

（2）电力系统惯性响应和一次调频能力降低。风电的大规模并网导致常规发电机组占比降低。而现有风电机组主流机型为变速恒频的双馈风力发电机和直驱风力发电机，其控制方式均为最大功率跟踪控制，这种控制方式使风力发电机转速与系统频率解耦，不提供有功备用，无法在系统频率下降时提供调频容量。风电机组无法主动响应系统的频率变化，使系统整体惯性和频率调节能力减弱，使得系统在扰动（机组脱网、线路故障、负荷突变）下的频率变化率增加、频率最低点降低、稳态频率偏差增加，发生频率稳定性问题更频繁。对于风电高渗透率的局部地区，还会导致区域控制偏差增大，导致更严重的问题。

由此可见，为保证电力系统安全可靠运行，降低风电接入对频率质量和稳定性的影响，风电机组需要参与系统的一次调频和二次调频等。