直驱风电场经VSC-HVDC并网系统的多频段振荡特性分析
武汉大学电气工程学院、国家电网公司华中分部的研究人员陈宝平、林涛等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，风电、光伏经由高压直流（HVDC）并网外送已经成为可再生能源消纳的理想方案。对于直驱型永磁同步风力发电机组（D-PMSG）经柔性直流输电（VSC-HVDC）技术并网外送系统的多频段振荡（MBO）问题值得深入研究。
首先分别建立D-PMSG与VSC-HVDC的动态模型，并推导两者之间的接口动态方程，进而得到D-PMSG经VSC-HVDC并网外送系统的完整动态模型。基于特征值分析法，发现系统存在低频、次/超同步、高频多频段振荡模式，而这些振荡模式不仅与换流控制器参数有关，还与VSC-HVDC受端电网短路比及直流输电线路参数密切相关。通过PSCAD/EMTDC进行时域仿真，验证模型与特征值分析结果的正确性。进一步深入研究分析VSC-HVDC受端电网短路比与直流输电线路参数对多频段振荡阻尼特性的影响。
结果发现，从调度运行的角度出发，尤其应当监视可能引起短路比过低进而恶化强相关模式阻尼比的运行状态；直流输电线路参数对高频振荡模式影响较大，直流线路过短特别是柔直背靠背的情况应给予关注。
21世纪以来，光伏、风电等可再生能源大量接入电网，特别是随着风电渗透率的日益提高，使得电网的运行特性更加复杂，风电与电网之间相互作用而引发的新型次同步振荡（Sub-Sybchronous Oscillatory, SubSO），即次同步控制相互作用（Subsynchronous Control Interaction, SSCI），严重影响电网的安全稳定运行。
另一方面，柔性直流输电（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission, VSC-HVDC）技术因其控制的快速性与灵活性，已成为风电场并网外送的理想方案[3,4]。风电场控制器与VSC-HVDC控制器之间的作用相互交织，使得风电场与VSC-HVDC之间的作用机理更加复杂，存在风电场与VSC-HVDC相互作用而引发的SSCI的问题。
目前鲜有文献研究直驱永磁同步发电机（Direct-drive Permanent Magnet Synchronous Generators, D-PMSG）经由VSC-HVDC并网外送模型的多频段振荡（Multi-band Oscillation, MBO）问题[4-9]。文献[4]将双馈风电场简化为受控电流源，初步研究了VSC-HVDC换流控制系统对电网SubSO阻尼特性的影响，但并未考虑风电场换流控制系统的作用，而现有研究成果表明风电SubSO与电源的换流控制系统密切相关[1,2]，不应忽略。
文献[5,6]均研究了双馈风场对系统低频振荡的影响。文献[7]采用小信号方法，依次推导出当控制系统各环节馈入1个次同步频率分量时输出信号的解析表达式，理论上解释了D-PMSG汇集母线存在多个次/超同步频率分量的现象。
文献[8]则在建立D-PMSG并网模型的基础上，进一步通过阻抗模型与小信号分析研究次/超同步振荡产生的机理。文献[9]通过Roth判据研究了D-PMSG控制器参数对系统低频功率振荡的影响。
本文着重对D-PMSG与VSC-HVDC详细模型之间的接口进行分析，推导得到接口矩阵与接口动态方程，进而建立D-PMSG经VSC-HVDC并网外送系统的完整动态模型。基于特征值分析发现，系统存在低频、次/超同步、高频多频段振荡模式。通过在PSCAD/EMTDC软件上进行时域仿真，以验证特征值分析结果的正确性。进一步深入研究受端电网短路比与VSC-HVDC直流输电线路参数对系统MBO阻尼特性的影响。
图1 直驱永磁风电机经VSC-HVDC并网外送系统
本文研究了直驱风场与VSC-HVDC相互作用引发MBO的阻尼特性，可得到以下结论：
1）D-PMSG与VSC-HVDC之间的交互作用较为复杂，系统同时存在低频振荡、次/超同步振荡与高频振荡多类模式。
2）随着受端电网短路比的增加，对于与受端电网短路比强相关的振荡模式，其阻尼比均会逐渐增加，因此可再生能源电源并入短路比高的电网，对于系统的安全稳定运行具有重要意义。
3）在未来的工作里，将进一步深入研究多类型风电场经多端柔性直流网络并网的多频段振荡问题。