新能源集群接入下电力系统次同步振荡抑制策略

0 引言

随着风电、光伏等新能源发电占比持续提升，大规模电力电子设备并网改变了传统电力系统的动态特性，新能源集群通过变流器并网时其快速控制系统与电网阻抗相互作用易诱发次同步振荡现象，引发机组轴系扭振、电压失稳等连锁故障。现有研究多聚焦于单一设备控制优化，缺乏对新能源场站群与电网交互机理的系统性分析，难以应对复杂工况下的振荡抑制需求。本研究旨在揭示新能源集群接入下多频段次同步振荡的产生与传播规律，建立覆盖设备-场站-电网的多维度协同控制体系。

1 新能源集群接入诱发次同步振荡的机理

新能源集群规模化接入电力系统后，电力电子变流器的高占比显著改变了电网动态阻抗特性，新能源设备通过变流器与电网耦合时其控制系统固有的快速调节特性与电网感性阻抗形成多频段谐振回路，变流器在次同步频率范围内的输出阻抗呈现负电阻特性，导致系统等效阻尼系数降低。当新能源场站群并联运行时各变流器控制环间的动态交互产生谐波叠加效应，促使特定频段下的负阻尼现象加剧，锁相环动态响应与直流母线电压波动之间的非线性耦合会调制变流器阻抗频率特性使谐振点向次同步频段偏移[1]。在多新能源场站并网场景下电网连接点短路容量的降低弱化了系统对谐振的抑制作用，而集群设备间的电气耦合进一步引发多模态振荡风险。风电机组与光伏逆变器的异质控制策略差异导致阻抗特性在次同步频段产生相位冲突，形成正反馈激励路径。

2 多层级协同抑制策略设计

2.1 变流器级阻抗重塑

新能源变流器与电网交互时其控制回路在次同步频段呈现负阻特性，成为振荡源，通过实时监测电网阻抗特性在变流器电流控制环嵌入自适应 调整滤波器中心频率与系统谐振点匹配，滤波器参数基于阻抗相位特性在线整定，当检测到特定 现负阻尼时自动提升该频段阻抗相位并衰减幅值，重构变流器输出阻抗曲线。在dq 坐标系下建立变流器序阻抗模型，其输出导纳矩阵可表示为：

3 仿真实验与验证

3.1 实验配置

基于电力系统实时仿真需求搭建硬件在环（HIL）测试平台，核心设备包括RTDS 实时仿真器与OPAL-RT 控制器，形成高精度闭环测试环境，仿真模型采用改进的 IEEE 39 节点系统，其中包含3 个双馈风电场，单场容量400MW，总容量1.2GW 和2 个集中式光伏电站单站容量 300MW，总容量 600MW，所有新能源机组通过变流器接入电网，系统拓扑中设置3 条关键联络线，其短路比初始值为1.8，模拟弱电网运行条件。实验设置三类典型扰动，电网强度扰动将联络线短路比从2.5 阶跃降至 1.8，持续 5#⇓ ，风速突变扰动风电场入口风速在 1 秒内从8m/s 跃升至13m/s，光伏出力波动光伏电站输出功率在 2 秒内从500MW 跌至350MW，对比方案包含传统 PI 控制、仅STATCOM补偿方案及本文多层级协同策略，每组实验重复运行20次以消除随机误差，数据采样率为10kHz，记录关键节点电压、频率、轴系扭矩及振荡模态参数。

3.2 实验结果效果对比表如表1 所示。

振荡抑制速度如图1 所示，协同策略使振荡 减时 传统方案的4.2 秒缩短至1.8 秒，阻尼比由 0.05 提升至0.14，Prony 算法提取的主导模态衰减因子σ从-1.2 增至-4.8，表明场站级阻尼注入显著增强系统能量耗散能力。

频率动态响应如图2 所示，在光伏出力波动扰动下，系统频率偏差极值仅为0.12Hz，较单STATCOM 方案降低 70.7% ，STATCOM 动态补偿使电压-频率耦合系数下降 62% ，说明无功支撑有效提升电网强度。

机械应力改善如图4 所示，机组轴系扭矩峰值从2850kNm 降至720kNm，降幅达 74.7% 。扭振频率分布显示15-35Hz 频段振动能量占比从 87.5% 降至 18.6% ，证明多层级策略对宽频振荡的全面抑制效果。

4 结论

新能源集群规模化接入引发的次同步振荡问题已成为制约高比例可再生能源消纳的关键瓶颈，本文通过理论建模揭示了变流器控制动态、场站并联交互与电网结构强度三者协同作用下的振荡产生机理提出"源头阻断-能量耗散-系统增强"三级协同抑制架构。变流器级阻抗重塑通过自适应带阻滤波器精准修正阻抗特性，场站级阻尼注入实现多设备模态能量最优分配，电网侧STATCOM动态补偿快速重构系统阻抗。基于实时数字仿真平台的1.8GW新能源系统验证表明所提策略使次同步振荡幅值降低 71.4% ，轴系扭矩下降 74.7% ，且电压畸变率控制在 5%以内，研究为新能源电力系统动态稳定提供了从机理分析到工程实践的全链条解决方案，支撑"双碳"目标下新型电力系统的安全可靠运行。

参考文献

[1]齐磊. 振荡稳定约束的电力电子化并网系统新能源接入容量提升研究[D]. 燕山大学， 2023.

[2]丁坤，陈博洋，秦建茹，等. 大规模新能源集群接入弱电网的消纳能力评估方法 [J]. 电力建设，2023，44（11）： 86-94.

[3]贾宏刚，邰克强，王喆，等. 考虑新能源集群接入的送端电网电压频率控制优化模型 [J]. 可再生能源，2023， 41 （10）： 1383-1390.

[4]甄玉萌. 碳中和目标下水电高占比电网结构形态规划研究[D]. 湖南大学， 2023.