风电机组的次同步振荡抑制方法及装置

  完成单位：华北电力科学研究院有限责任公司、国网冀北电力有限公司电力科学研究院、国家电网公司、国电南瑞科技股份有限公司

  主要完成人：李蕴红、刘辉、宁文元、吴林林、洪丹、过亮、孙素娟

一、研发背景

1.技术背景

次同步振荡是电力系统稳定问题之一，是指发电机组以低于50Hz（同步频率）的某个或多个振荡频率交换显著的能量，振荡会产生巨大的非工频电流，并与工频电流叠加，一旦超过设备的电压和电流允许值，会致使保护动作乃至设备损坏。

随着风力发电的快速发展，次同步振荡问题在风电大规模汇集地区频繁发生。风电机组通过电力电子变流器并网，变流器在某些次同步频率范围内呈现“负电阻”特性，是导致次同步振荡的主要原因。2009年以来，美国德州、德国北海以及我国河北沽源、新疆哈密、吉林通榆等地相继发生了上百起风电次同步振荡，造成上千台风电机组脱网、变流器烧毁、电网频率急跌等后果，严重威胁电网安全稳定运行和新能源高效消纳。

随着我国能源转型的深入，风电并网规模不断扩大，基于大功率电力电子设备的直流输电技术快速发展，风电与电网耦合作用产生的次同步振荡现象愈发频繁和复杂。比如张北、上海南汇和广东南澳等柔直工程投运以来，发生了数起振荡事件。振荡问题已成为阻碍风电向主体电源迈进的瓶颈问题，重塑风电机组阻抗特性，提升并网友好性，已成为新能源并网领域的重大基础性课题。

由于风电机组在较宽频率范围呈负电阻特性，且负电阻的大小与机组运行工况相关，复杂多变，因此其引发的次同步振荡频率在一定的范围内随机时变，例如河北沽源的次同步振荡频率变化范围为4~12Hz。次同步振荡的宽频、时变特性导致已往针对固定频率次同步振荡而设计的抑制措施不再适用，亟需提出新的治理方案。

本专利申请日前，风电次同步振荡抑制技术尚处于起步阶段，主要面临以下技术难题：

（1）风电次同步振荡呈宽频特性，而此前抑制措施是针对单一频率次同步振荡设计的，缺乏频率覆盖性；

（2）风电次同步振荡呈时变特性，而此前抑制措施控制参数固化，缺乏自适应能力。

为此，本专利提出了具有宽频覆盖性和时变自适应能力的阻抗重塑技术，研制了具有自主知识产权的核心装备，提升了新能源机组阻尼主动支撑能力，实现了新能源并网领域的重大技术突破。

  2.本专利申请日之前的技术方案

经检索，本专利涉及相关现有技术如下：

D1公开了一种通过附加阻尼控制器抑制次同步振荡的控制方法及装置，针对已知单一频率次同步振荡设计，滤波器和阻尼控制环节参数固化，只能提取中心频率振荡分量，并向中心频率提供特定的阻尼，因此仅能对单一频率、固定工况下的振荡进行抑制。

D2公开了一种通过附加小容量逆变器实现对风电机组次同步振荡监测与抑制的方法，但需增加额外的逆变器，增大成本。

D3公开了一种网侧变流器在直流电压外环附加控制来抑制直驱风电机组次同步振荡的控制策略，通过稳定直流母线电压抑制网侧变流器振荡；而双馈风电机组定子侧直接与电网相连，存在定子侧振荡分量，因此该策略不适用于双馈风电机组。

D4公开了一种使用风力涡轮对电力系统中的次同步振荡进行抑制的方法和系统，只适用于轴系扭振，不适用于治理由变流器“负电阻”特性引发的风电次同步振荡。

二、发明团队介绍

1.专利权人

依托于前期对风电次同步振荡研究的深厚积累，华北电力科学研究院与国电南瑞科技股份有限公司联合，开展了对风电次同步振荡根治措施的技术攻关工作。

国网冀北电力有限公司电力科学研究院（华北电力科学研究院有限责任公司）发明团队自2011年承担2项国家科技支撑计划项目和15项国家电网公司项目，获得中国电力奖、北京市科学技术奖、河北省科学技术奖及国家电网公司科技进步奖等省部级奖项7项，获得授权专利15项，发表论文70余篇，编写国标/行标10项，国网企业7项标。近年来持续跟踪研究张家口沽源地区大规模风电经串补接入系统、新能源接入张北柔直系统的次同步振荡问题，并在机理和抑制措施方面取得了良好的进展。

发明团队具备良好的实验室软硬件环境，能够解决大规模新能源发电与并网方面的关键技术问题，具备直流输电系统的建模、仿真和结果分析能力，具有RT-LAB，BPA，Digsilent，PSS@E和PSCAD等多种软件硬件仿真系统，能够进行电力系统从电磁暂态到机电暂态的各类仿真计算和装置测试，既可以实现50微秒的大步长仿真，也可以针对柔性直流、变流器电力电子设备进行更为精确的小步长仿真（仿真步长1.5-2.5微秒），仿真模型精确性和准确度较高。

国电南瑞科技股份有限公司发明团队南瑞集团有限公司团队一直致力于风力发电控制技术、分布式发电、并网协调控制等技术研究。承担了多项科技项目，主持或参与科技部支撑计划《直驱式风电机组自适应变流器研制及全功率试验平台开发》、科技部863项目《风电机组低电压穿越技术》、《海上风电场送电系统与并网关键技术研究及应用》、国家电网公司《双馈式风电机组控制系统关键技术及装置开发》、《直驱式风电机组控制系统关键技术及装置开发》、江苏省科技厅成果转化专项资金项目《MW级风力发电机组及风电场控制系统开发及产业化》等科技项目；具备完善的电力电子通用控制平台技术，并有多项研究的成果跻身于国际先进行列。

国家电网公司在专利申请、维护、转化等方面具有丰富的经验，为项目的研究和实施提供了有力的支持。国家电网公司建立了完善的专利管理制度，具备总部和省公司“两级管理、一体化运作”的管理架构，并专门成立了公司“专利服务中心”，并由专业的“专利代理人”、“知识产权管理师”、“知识产权管理体系贯标内审员”、“知识产权纠纷人民协调员”为公司的专利布局、申请、保护、运行提供专业化的管理与服务。在国家电网公司的统一组织下，专利成果得以在河北、新疆、内蒙、吉林等多个自治区成功应用。

2.发明人

第一发明人李蕴红，国网冀北电力有限公司电力科学研究院智能电网与新能源研究新能源技术研究高级师，国网巾帼建功标兵荣誉称号获得者，拥有十余年新能源并网技术研究的一线工作经验，在现场事故分析、风电并网稳定性提升方面具有深厚的积累，主导了本专利技术的研发。

第二发明人刘辉和第六发明人过亮，是本专利产业转化项目负责人，带领团队完成了基于本专利的风电机组次同步振荡抑制装置研制。其他发明人均在产业化项目中承担重要开发工作，为技术转化做出了突出贡献。全体发明人先后主导本专利产品与上海电气、明阳、东方电气、湘电等整机厂家合作，为其提供工程推广前期研究与技术咨询，并最终实现了工程推广。

三、成果(专利)简介

（一）专利概况

本专利发明人从2010年起开始跟踪研究风电次同步振荡问题，先后突破了风电次同步振荡的机理、分析方法，并提出了通过调整系统运行方式、加装电网侧集中式抑制装置、优化风电机组控制参数等方式实现振荡治理。但上述方法只能“治标”，无法“治本”。

依托于前期对风电次同步振荡研究的深厚积累，华北电力科学研究院与国电南瑞科技股份有限公司联合，开展了对风电次同步振荡根治措施的技术攻关工作。风电机组变流器在次同步频率下呈“负电阻”特性，是引发次同步振荡的关键原因。因此，改变变流器在振荡频率下的阻抗特性将能从根本上解决振荡问题。基于这一思路，项目团队提出了风电机组的附加阻尼控制技术，其物理意义等效于在振荡频率下引入额外的虚拟电阻，向系统提供“正电阻”。

攻克了风电次同步振荡治理的理论方法，接下来便是开始现场应用，但是该措施在工程应用上又遇到了“拦路虎”。风电次同步振荡特征与已往火电次同步振荡显著不同：火电机组由于轴系质量不变且工况变化缓慢，其引发的次同步振荡频率是固定不变的；而风电机组在较宽频率范围呈负电阻特性且工况受风速影响而复杂多变，其引发的次同步振荡频率在一定的范围内随机时变，例如河北沽源的次同步振荡频率变化范围为4~12Hz。因此，针对固定振荡频率的抑制措施无法满足工程应用需求，亟需适应宽频、时变风电次同步振荡的抑制技术。

针对上述问题，项目团队创造性的提出了风电机组宽频带阻抗重塑技术，采用同步旋转坐标系锁相的振荡频率自动追踪技术，可以跟踪提取宽频带振荡分量，再经过附加阻尼控制环节，实现风电机组的宽频带阻抗重塑；独创了阻尼控制参数自适应技术，可根据振荡频率在线调整附加阻尼控制参数，使阻尼作用中心对准时变的次同步振荡频率，精准抑制风电次同步振荡。

以风电次同步振荡抑制技术为基础，结合国电南瑞科技股份有限公司在风电变流器生产、制造方面的丰富经验，项目团队发明了风电次同步振荡抑制装置，并研制了多种型号具备宽频带阻抗主动重塑功能的风电机组变流器，试验测试数据表明在不同转速和机组功率下，该风电变流器对次同步电流振荡幅值的抑制率大于95%，有效提高了风电机组的并网稳定性。

（二）新颖性和创造性

本专利应用于新能源发电领域，具体涉及大规模风电并网安全稳定运行技术。

本专利提出了具有宽频覆盖性和时变自适应能力的阻抗重塑技术，研制了具有自主知识产权的核心装备，提升了新能源机组阻尼主动支撑能力，实现了新能源并网领域的重大技术突破。

本专利提出一种风电机组次同步振荡的抑制方法和装置，包括振荡频率检测、振荡分量提取和阻尼控制三个步骤。

步骤一（振荡频率检测）：将定子电流信号经Park变换得到d、q轴分量，并利用快速傅里叶分析方法计算振荡分量的频率。

步骤二（振荡分量提取）：根据步骤一检测的振荡频率实时调整滤波器参数，跟踪提取目标频率的振荡分量。

步骤三（阻抗重塑）：根据步骤一检测的振荡频率在线实时调整移相校正器控制参数，然后对步骤二提取的振荡分量经移相校正器产生振荡抑制电流d、q轴分量参考值，输入到变流器网侧电流控制内环，形成附加阻尼控制，达到抑制次同步振荡的效果。

与以往技术相比，本专利的区别技术特征为：

振荡频率检测：采用基于次同步旋转坐标系锁相的振荡频率自动追踪技术，克服了较低次同步振荡频率检测周期长的问题，可快速计算振荡频率。

振荡分量提取：滤波器采用低通滤波和高通滤波级联结构，并根据振荡频率调整滤波器中心频率，可实现宽频带振荡分量的提取。

阻抗重塑：阻尼控制环节根据振荡频率自适应调整比例、移相等关键控制参数，可针对性地重塑该频率点下的阻抗，使其能够在振荡频率时变时发挥最优的抑制效果。

本专利重塑了风电机组的宽频带阻抗，实现了对时变频率次同步振荡的治理，提升了风电机组并网友好性。与以往技术相比，本专利区别技术特征，均是未公开过的和非显而易见的，需付出创造性劳动的，新颖性和创造性显著。

（三）技术原创新及重要性

本专利首次提出了具有宽频覆盖性和时变自适应能力的阻尼提升措施，攻克了风电次同步振荡抑制方法和装置的关键技术，属于基础性、原创性专利。本专利包含以下技术创新点：

1. 提出了振荡频率自动追踪技术，在宽频带引入额外的虚拟电阻，实现了风电机组的宽频带阻抗重塑。

风电机组变流器在宽频带内呈“负电阻”特性，是引发次同步振荡的关键原因。本专利权利要求1提出了基于同步旋转坐标系锁相的振荡频率自动追踪技术，可以跟踪提取宽频带振荡分量，经比例放大和相位补偿后作为网侧变流器电流内环的附加控制信号，其物理意义等效于在宽频带引入额外的虚拟电阻，向系统提供“正电阻”。在沽源系统中验证了阻抗重塑效果，应用该技术后风电机组与电网的阻抗幅值交点处的相角裕度由负变正，次同步振荡风险消除。

2. 独创了附加阻尼自适应技术，在线调整阻尼控制参数，精准抑制时变频率的风电次同步振荡。

参数整定是附加阻尼控制的关键，为了发挥最优的振荡抑制效果且不影响工频控制特性，需要通过调整控制参数使阻尼作用中心锁定振荡频率。因此，本专利权利要求1提出了基于粒子群算法的参数整定方法，并根据振荡频率在线调整附加阻尼控制参数，使阻尼作用中心对准时变的次同步振荡频率，精准抑制风电次同步振荡，同时保证风电机组的故障穿越特性不受影响，实现了风电机组大/小扰动协调控制。

3. 发明了风电次同步振荡抑制装置，振荡分量幅值的抑制率大于95%，实现了风电次同步振荡的源头治理。

本专利权利要求6提出的次同步振荡抑制装置，通过升级改造变流器控制便可有效抑制风电次同步振荡，无需增加额外一次设备，摆脱了传统抑制措施对额外大容量柔性装置的依赖，节约了装置制造成本和占地空间。首次研制了多种型号具备宽频带阻抗重塑功能的风电机组变流器，试验测试数据表明在不同转速和机组功率下，该风电变流器对次同步电流振荡幅值的抑制率大于95%，有效提高了风电机组的并网稳定性。

（四）技术优势

1.权威机构鉴定

以本专利技术为核心创新点的项目《大型风电基地-串补输电系统次同步谐振分析和治理技术及工程应用》于2018年通过了中国电机工程学会鉴定，由刘吉臻院士领衔的鉴定委员会认为：项目成果在风电场-串补输电系统次同步谐振阻尼控制技术方面达到国际领先水平。

2.参数与性能对比

与国内外同类技术对比，依据本专利技术所研发的变流器技术优势明显，如表1所示。

表1 与同类技术对比

注：国内外其他技术信息来源于GW121-3000型号机组、VESTAS V136-3.6型号机组、G114（Ingeteam V5.1）型号机组.

3.本专利具体技术优势体现

（1）适用范围广

已有风电机组次同步振荡抑制技术控制参数固化、阻尼作用频率范围窄，只能抑制单一、固定频率次同步振荡，无法满足宽频、时变次同步振荡的抑制需求。本专利技术能够跟踪提取宽频带次同步振荡分量，根据次同步振荡频率变化自适应调整控制参数，将阻尼作用中心与振荡频率精确对准，可精准抑制频率在3~47Hz范围内时变的次同步振荡。

（2）抑制效果好

已有风电机组次同步振荡抑制技术对目标频率的抑制率可达到85%，但对其他振荡频率的抑制率<10%；同时，对工频控制性能有一定影响，可能造成风电机组低电压穿越失败，不具备工程应用价值。本专利技术使次同步电流振荡幅值降低95%以上，高效抑制次同步振荡，且不影响风电机组的低电压穿越性能，已广泛地应用到风电机组变流器中。

（五）专利技术实施效果

采用本专利技术生产的风电机组变流器，可适应3~47Hz次同步振荡频率的变化，高效抑制次同步振荡，使次同步电流振荡幅值降低95%以上，且不影响风电机组工频控制性能。

1.2018年应用于张家口沽源风电汇集地区，解决了双馈风电机组与串补次同步振荡问题，并建成了国际首个风电次同步振荡抑制技术示范工程，振荡发生次数由年均30余次降低至0次；同年应用于吉林通榆地区，解决了同类次同步振荡问题。

2.2018年应用于新疆哈密地区，解决了直驱风电机组接入弱电网引起的次同步振荡问题，再未出现火电机组因风电次同步振荡而跳闸的事故。

3.2020年相继应用于锡盟特高压交直流工程与张雄特高压交流工程，在并网之前对风电机组和光伏发电单元进行了阻抗优化工作，避免了投运之后的安全隐患，至今未出现次同步振荡现象。

4.2020年起应用于张北柔直电网，完成了送端孤岛系统风电机组、光伏发电单元、储能的阻抗特性优化，有效解决了新能源集群经柔直孤岛方式送出场景下复杂的宽频振荡问题。

5.2021年起应用于上都风火打捆送出系统，完成了上都地区2000MW风电机组阻抗特性优化，保障了我国首个风火打捆工程的顺利投产。

本专利通过多年的重大工程应用，有效提升了电网运行稳定性和新能源消纳能力。

（六）技术通用性

1.已应用范围：

本专利技术具有高性价比和良好的通用性，既可固化到新机组变流器控制器中，也可以外设形式附加于在运机组变流器中。本专利技术在不同电网结构下也得到应用：

（1）新能源经串补送出系统的次同步振荡抑制；

（2）新能源接入弱交流电网的次同步振荡抑制；

（3）新能源接入高压直流输电、柔性直流输电系统中的次同步振荡抑制。

本专利实施效果确定性在电网企业得到充分验证。

2.可推广范围

本专利技术从根本上解决了风电机组等电力电力接口设备并网振荡问题，具有较高的拓展性：

（1）振荡频率可拓宽：可应用于超同步振荡和100Hz以上中高频率振荡问题，例如新能源场站的高频谐振等；

（2）设备类型可拓展：可应用于光伏、储能和SVG等电力电子接口并网的新能源设备；

（3）应用场景可推广：可应用于采用电力电子控制的更广范围和更多场景，包括高铁接触网、微电网、新能源汽车、电力电子接口负载等，及其构成的各种发、输、配、用电网。

四、成果（专利）转化情况介绍

本专利提出了风电机组的次同步振荡抑制方法，研制了具有自主知识产权的核心装备，提升了新能源机组阻尼主动支撑能力，实现了新能源并网领域的重大技术突破。

1. 推动专利产品产业化运营

依托本专利技术，专利权人对所生产的风电机组变流器进行升级改造，大幅提升了风电机组并网性能，增强了产品市场竞争力，已销售至上海电气、明阳、东方电气、湘电等4个整机厂家，应用到河北、吉林、黑龙江、内蒙古、新疆、宁夏等9个省市自治区，近三年实现新增销售额为14,234万元，总利润为3,222.24万元。

2. 拓展专利技术服务市场

依托本专利的风电次同步振荡抑制方法，专利权人与内蒙古锡盟地区和冀北地区的龙源尚义陈所梁风电场、康保徐五林风电场、内蒙古华电正镶白旗风电场等41座风电场签订振荡抑制技术服务合同，累计完成52个型号风电机组的振荡抑制功能改造，合同金额3331万元，创造利润1332万元，保障了新能源场站顺利并网。随着新能源装机规模急剧扩大，振荡治理需求将进一步增加，专利技术市场前景广阔。

3. 保障新能源高占比电网安全运行

本专利技术及装置已于2018年全面应用于河北省张家口沽源风电汇集地区次同步振荡的治理，建成了国际首个风电次同步振荡抑制技术示范工程，次同步振荡发生次数由年均30次降低至0次。专利技术推广4年多以来，成功解决了新疆哈密地区、张北柔直示范工程、锡盟特高压外送工程、张雄特高压送出工程及上都风火打捆送出工程的次同步振荡问题，有效提升了大规模新能源并网系统运行稳定性和新能源消纳能力，保障了电网的能源供给能力和质量。

4. 推进专利技术标准化

以本专利技术为基础，制定标准3项，推动新能源次同步振荡治理的标准化进程。

（1）IEC SC 8A（国际电工委员会大容量可再生能源接入电网分技术委员会）JWG5工作组《Sub and Super-Synchronous Control Interactions》（风电/光伏次/超同步振荡分析与治理）标准（技术报告）：标准已经于2022年发布，标准中8.5 Generation-side subsynchronous mitigation schemes（机组侧次同步振荡抑制技术）引述了本专利中的次同步振荡抑制技术。

（2）DL/T 2469-2021《并联型电网侧风电次同步振荡抑制装置技术规范》：标准中“5.1典型结构”、“8.1控制功能要求”引述了本专利中的次同步振荡抑制装置结构及功能。

（3）NB/T 10651-2021《风电场阻抗特性评估技术规范》：标准中“6.3.1频域阻抗扫描与分析”引述了本专利次同步振荡抑制效果的验证方案。

五、经济效益与社会效益介绍

 （一）经济效益

1. 直接经济效益

国电南瑞科技股份有限公司应用专利的风电机组次同步振荡抑制技术，对主营的风电变流器控制系统进行了产品升级，应用以来，得益于专有的次同步振荡抑制技术，风电变流器产品的技术竞争力显著提升。

得益于专有的次同步振荡抑制技术，国电南瑞科技股份有限公司风电变流器产品的技术竞争力显著提升。2020年至2021年，本专利产品累计销售180台，新增销售额6,250.00万元，新增利润729.00万元。自实施以来，累计新增销售额10,903万元，新增利润1,596万元。

华北电力科学研究院有限责任公司自2020年起开展了华北地区并网场站的新能源机组宽频带振荡风险治理技术服务。2020年至2021年，共签订41份技术服务合同，累计新增销售额3,331.00万元，新增利润总额1,626.24万元。

专利实施后，国电南瑞科技股份有限公司与华北电力科学研究院有限责任公司总新增销售额为14,234万元，总利润为3,222.24万元。

本专利产品已在国家专利密集型产品备案认定试点平台上备案。

2. 间接经济效益

本专利技术成功用于河北张家口沽源地区、张雄特高压交流工程及张北柔直工程等重点工程，解决了大规模新能源并网带来的次同步振荡问题。完成了九龙泉风电场、驰盛风电场、卧虎石风电场、马头山风电场等十座风电场次同步振荡抑制功能改造。

自完成升级改造并重新投入运行后，上述风电场未再发生因次同步振荡而导致的机组异常脱网情况，风电机组利用小时数平均增加6%，同时企业的运维支出和工作量减少，总体提升了风电场的运行效率。

从本专利技术实施起，上述风电场累计累计新增发电量约为5.55亿千瓦时，新增销售额2.0727亿元，新增利润1.1608亿元。近两年，上述风电场共新增发电量约为4.19亿千瓦时，新增销售额1.5641亿元，新增利润0.8759亿元。

（二）社会效益

1. 填补了国内外风电次同步振荡抑制工程应用空白，助力新型电力系统建设

振荡抑制技术在我国率先完成了从理论到规模化应用的闭环，攻克了新能源并网领域的卡脖子难题，建成了国际首个风电次同步振荡抑制技术示范工程，并成功解决了新疆哈密地区、张北柔直示范工程、锡盟特高压外送工程、张雄特高压送出工程及上都风火打捆送出工程等振荡问题，为大规模新能源安全并网提供了保障，助力新能源由补充性电源向主力电源的转变。

2. 提升了产品竞争力，带动新能源装备行业技术进步

在次同步振荡抑制装置研制形成了具有自主知识产权的核心技术，并成功应用于3项国际和行业标准的制定中，提升了新能源装备制造水平，引领了新能源设备并网友好性发展方向，助力我国不断提升新能源装备世界占有率。

3. 助力国家“双碳”目标，促进绿色环保发展

本专利技术的应用避免了因次同步振荡引发的风电机组频繁脱网，成功用于河北张家口沽源地区、锡盟特高压外送工程、新疆哈密地区及吉林省通榆风电基地，有效提升了电网的运行稳定性和新能源消纳能力。专利实施后，以上工程累计新增发电量83.78亿千瓦时，折合节约标煤263.92万吨，累计减少二氧化碳排放约706.09万吨，促进了大气污染治理，保障我国能源清洁发展，环保效益显著。

4. 服务零碳冬奥，加快构建清洁能源生产供应体系

“张北的风点亮北京的灯”，冀北电网是北京冬奥会绿色电力的主要来源。应用本专利技术，有效解决了沽源地区和张北柔直电网的振荡问题，提升了冀北电网安全稳定水平和绿电送出能力，冬奥会期间冀北电网为奥运场馆提供绿色电力超2亿千瓦时，有力保障冬奥会100%清洁能源供电。

5.培养了一批高端科技创新人才，持续引领新能源并网领域发展方向

本专利支撑了“河北省风光储联合发电创新技术中心”建设，培养博士、硕士40余人，教授级高工11人，5人入选IEC、CIGRE等国际组织相关工作组专家，牵头发起一项IEC国际标准，为新能源并网行业建设和人才培养做出重要贡献。