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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
资料介绍
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.
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（完整内容请下载后查看）2019 年 1 月
第 34 卷第 1 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.34 No. 1
Jan. 2019
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.181242
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
苏田宇 杜文娟 王海风
（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学） 北京 102206）
摘要 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。
关键词：直驱永磁同步发电机 风电场 次同步阻尼控制器 降阶设计法
中图分类号：TM614
A Reduced Order Design Method for Subsynchronous Damping
Controller of Multi-PMSGs Parallel Wind Farm
Su Tianyu Du Wenjuan Wang Haifeng
（State Key Laboratory of Alternate Electric Power Systems with New Energy Resources
North China Electric Power University Beijing 102206 China）
Abstract Subsynchronous oscillations may occur in the power system connected with PMSG
wind farms in parallel configuration. Therefore，a reduced order design method for subsynchronous
damping controller of PMSG wind farms in parallel configuration is presented to ensure
the safe and stable operation of the system. This subsynchronous damping controller takes the amplitude
of the concentrated bus voltage of the wind farm as the input signal, while the output signal is allocated
to the GSC control loops of each wind turbine in the PMSG wind farm. The damping control parameters
are optimized by the global search algorithm on the basis of the reduced order model of the power system
connected with PMSG wind farms in parallel configuration. This method can greatly reduce the
dimension of the state matrix and reduce the optimization time. Based on Matlab software, modal
analysis and nonlinear simulation analysis are carried out for a power system connected with a PMSG
wind farm which consists of 20 wind turbines. The results of modal analysis and nonlinear simulation
show that the subsynchronous damping controller of wind farm designed by the reduced order method
can suppress the subsynchronous oscillations in different scenarios.
Keywords：Direct-driven permanent magnet synchronous generator, wind farm, subsynchronous
damping controller, reduced-order design method
中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2017XS034，2018ZD01）。
收稿日期 2018-07-20 改稿日期 2018-09-16
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第 34 卷第 1 期
苏田宇等 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
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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。
0
引言
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[1]。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[2]。2012 年起，华北
地区沽源风电场曾发生多起次同步谐振现象[3]。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[4]。
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。
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[5-7]。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[8]。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。
1
多 PMSG 并联风电场并网电力系统
多 PMSG 并联风电场结构如图 1 所示，风电场
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）[9-11]、模块化多电平
换流器高压直流输电（Modular Multilevel Converter High
Voltage Direct Current, MMC-HVDC）[12,13]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
包含 N 台 PMSG，每台 PMSG 并联运行，并通过电
缆与风电场集中母线相连。风电场集中母线经过风
电场升压变压器与交流电网相连。
网侧换流器的控制回路上增设次同步滤波器[20,21]
。
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[22]。
图 1 多 PMSG 并联风电场结构
Fig.1 The structure of multi-PMSGs parallel wind farm
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
V
I
Z
…
图 1 中， pi 、 和 （i=1,2, ,N）分别为风
pi
pi
电场中第 i 台 PMSG 的端电压、输出电流以及到风
电场集中母线的阻抗；VW 、IW 分别为风电场集中母
线电压、风电场输出电流； 为风电场升压变压器
ZT
的阻抗；Vac 为风电场并网处母线的电压。
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