管 飛， 黃永章,2， 楊 鑫， 付文啟， 武倩羽， 李晨陽

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)， 北京 102206；2.華電(煙臺)功率半導體技術(shù)研究院有限公司，山東 煙臺 264010)

0 引 言

近年來以光伏和風電為代表的新能源發(fā)展勢頭迅猛，與此同時，各國因新能源機組并網(wǎng)引發(fā)的振蕩問題也頻繁發(fā)生[1，2]。2009年，美國德州某雙饋風機群與串補裝置間發(fā)生頻率約20 Hz的次同步振蕩(subsynchronous oscillation, SSO)事故，造成大量風機脫網(wǎng)[3]；2015年，我國新疆哈密地區(qū)也出現(xiàn)以直驅(qū)風機為主導的次同步振蕩現(xiàn)象[4]，新能源場站的次同步振蕩問題引發(fā)工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

針對新能源場站出現(xiàn)的SSO問題，目前國內(nèi)外的研究大多集中于風電場，少有文獻研究光伏電站的次同步振蕩問題[5]。我國大規(guī)模光伏電站通常位于負荷消納能力較低、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的內(nèi)陸地區(qū)，需通過長距離輸電線路及串補裝置并入主網(wǎng)，電網(wǎng)的阻抗耦合效應將對電力電子換流器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[6]。一旦發(fā)生振蕩事故，會造成大規(guī)模光伏電站脫網(wǎng)從而威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，因此需對光伏電站的SSO問題加以重視[7]。文獻[8]基于阻抗分析法，分析了連接弱電網(wǎng)時光伏系統(tǒng)SSO的產(chǎn)生機理與系統(tǒng)參數(shù)的影響特性。文獻[9]在弱交流系統(tǒng)下建立了多光伏發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運行的小信號模型，采用特征值分析法分析了電網(wǎng)強度以及控制器參數(shù)對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響。文獻[10]建立了降階后的光伏并網(wǎng)小干擾模型，并采用特征值法分析了系統(tǒng)振蕩模態(tài)及其對狀態(tài)變量的靈敏度。文獻[11]借鑒復轉(zhuǎn)矩系數(shù)法分析了不同串補度對光伏控制器阻尼的影響，并得到了控制器阻尼隨串補度增加逐漸被削弱的結(jié)論。文獻[12]結(jié)合算例分析了風光混合電場并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學模型，并通過附加阻尼控制器來提升系統(tǒng)阻尼，從而抑制SSO。

上述對于光伏電站SSO的抑制方法大多基于控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)或增加附加阻尼控制，系統(tǒng)中電力電子特性并未改變。且實際電網(wǎng)運行情況復雜多變，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨新能源機組及串補裝置的并入而不斷變化，制定一組可以適應不同振蕩情況的控制器參數(shù)較為困難。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩問題的本質(zhì)在于缺乏足夠的阻尼，由于不具備同步機組的高阻尼特性，在發(fā)生SSO時，系統(tǒng)無法依靠自身阻尼抑制振蕩，導致功率振蕩發(fā)散，使得保護系統(tǒng)動作，造成新能源機組脫網(wǎng)[13，14]。因此若能將光伏并網(wǎng)系統(tǒng)賦予傳統(tǒng)同步電機的阻尼特性，則可極大的改善系統(tǒng)振蕩。

針對高比例新能源電網(wǎng)存在的頻率及電壓穩(wěn)定問題，已有研究基于同步電機理論提出了新能源采用MGP并網(wǎng)的新型并網(wǎng)方式[15-17]。將同步機的慣性支撐與自發(fā)無功響應特性賦予新能源電場，可有效提高大規(guī)模新能源電網(wǎng)穩(wěn)定性。但目前對于振蕩特性的研究僅局限于雙饋風機通過MGP并網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定[18]，MGP對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)振蕩特性的影響并未進行深入研究。

基于此，文章研究MGP在抑制光伏電站SSO方面的作用。首先分析了MGP系統(tǒng)的阻尼特性；然后考慮光伏系統(tǒng)與MGP系統(tǒng)電氣量的對接關(guān)系，建立了光伏通過MGP并網(wǎng)的線性化小干擾模型，采用特征值分析法研究了MGP對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩模態(tài)的影響，并通過算例比較了控制器參數(shù)在兩種并網(wǎng)方式下對系統(tǒng)次同步振蕩模態(tài)的影響特性；最后通過PSCAD/EMTDC軟件進行了仿真驗證，所得結(jié)果與理論分析具有較高的一致性。

1 MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的阻尼特性

1.1 MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏通過MGP系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏組件輸出直流電至變頻器，變頻器根據(jù)控制系統(tǒng)所采集到的電網(wǎng)側(cè)電氣量進行電量變換，輸出三相交流電驅(qū)動同步電動機旋轉(zhuǎn)，同步電動機通過機械軸與同步發(fā)電機相連接，并帶動同步發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，配套的兩臺勵磁系統(tǒng)可維持機端電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)并網(wǎng)操作。

圖1 光伏通過MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Diagram of photovoltaic grid-connected via MGP

MGP在運行過程中的能量變化形式由電能轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)化為電能，已開展的研究表明MGP的損耗主要與電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)及電機參數(shù)有關(guān)。實驗室5.5 kW的MGP系統(tǒng)在額定參數(shù)下的運行效率約為91.6%，可有效實現(xiàn)能量傳輸。此外，MGP的慣性響應與自發(fā)無功特性可在一定程度上節(jié)約新能源場站在儲能及無功補償方面的投資，耐壓、耐流能力也可節(jié)省高、低穿改造費用，從而有效降低MGP的投資成本。

1.2 MGP并網(wǎng)系統(tǒng)阻尼特性

受擾動后MGP電磁力矩的變化量ΔTeMGP可分解為同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩：

(1)

式中：ΔδMG為MGP功角變化量，ΔωMG為MGP轉(zhuǎn)速變化量，TS為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，TD為阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。與ΔδMG同相位的分量為同步轉(zhuǎn)矩分量，與ΔωMG同相位的分量為阻尼轉(zhuǎn)矩分量。

光伏電場采用MGP并網(wǎng)方式后，可使得新能源電網(wǎng)從以電力電子器件為主導的振蕩形式逐步過渡為以同步機為主導的振蕩形式。新型并網(wǎng)方式下的光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性主要取決于同步轉(zhuǎn)矩分量和阻尼轉(zhuǎn)矩分量，振蕩問題的本質(zhì)在于缺乏足夠的阻尼轉(zhuǎn)矩分量。

MGP的阻尼包括轉(zhuǎn)子機械軸旋轉(zhuǎn)引起的機械阻尼與磁通變化引起的電氣阻尼。機械阻尼與電機旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦系數(shù)有關(guān)，不易改變，因此在實際運行過程中主要考慮電氣阻尼的影響。MGP的電氣阻尼具有疊加效果，同容量下的MGP阻尼比ζMGP大約為同質(zhì)量塊的單個發(fā)電機的1.47倍[15]。且配備的兩套勵磁系統(tǒng)均可對阻尼效果產(chǎn)生影響，若充分研究勵磁系統(tǒng)間的相互作用，則可進一步提高MGP阻尼效果，維持振蕩穩(wěn)定。

另外，用于連接MGP兩電機的機械軸使得兩側(cè)電氣系統(tǒng)相對獨立，可在一定程度上弱化光伏系統(tǒng)源端控制器與電網(wǎng)側(cè)阻抗的耦合效果，減少次同步振蕩發(fā)生幾率。

2 光伏采用MGP并網(wǎng)的小干擾建模方法

圖2為光伏通過MGP并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及控制框圖，MGP串聯(lián)于濾波電感線路后，兩套勵磁系統(tǒng)分別對兩臺電機施加勵磁控制，功率控制策略采用PQ解耦的矢量控制。由于隱極式同步電機電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流呈線性關(guān)系，因此通過對q軸電流的有效控制實現(xiàn)有功功率的穩(wěn)定傳輸[16]。

圖2 光伏通過MGP并網(wǎng)控制框圖Fig. 2 Diagram of photovoltaic grid-connected via MGP and its control system

2.1 MGP系統(tǒng)小干擾模型

MGP中兩臺電機構(gòu)造完全一致，同步電動機與同步發(fā)電機同軸連接，機械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均相同，因此MGP轉(zhuǎn)子運動方程可由兩電機的運動方程疊加表示為

(2)

式中：Δωr為轉(zhuǎn)速偏差，H為MGP中單臺同步機的慣性時間常數(shù)，ΔTeM和ΔTeG分別為電動機和發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的變化量，KDM和KDG分別為電動機和發(fā)電機的阻尼系數(shù)，ω0為轉(zhuǎn)速基準值。

MGP中每臺電機的功角關(guān)系如圖3所示。

圖3 MGP功角關(guān)系圖Fig. 3 Power angle characteristics of MGP system

圖3中UM、EM分別為同步電動機端電壓和內(nèi)電勢，UG、EG分別為同步發(fā)電機端電壓和內(nèi)電勢，δM、δG為電動機與發(fā)電機功角，θ為兩電機軸之間轉(zhuǎn)子位置差，通常為一固定值。

根據(jù)同步機功角特性，MGP中兩同步機的傳輸功率可分別表示為

(3)

式中：TeM、TeG分別為電動機與發(fā)電機的電磁功率(標幺制下電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩相等)，xdM、xdG分別為電動機與發(fā)電機d軸電抗。

標幺制下，MGP在旋轉(zhuǎn)過程中的功率關(guān)系可表示為

TeM-TeG=Tloss

(4)

式中：Tloss為MGP系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過程中的機械損耗，為一常數(shù)。

根據(jù)能量守恒關(guān)系，在忽略電機功率損耗的情況下，電動機與發(fā)電機的傳輸功率時時刻刻相等，功角變化趨勢也相同。結(jié)合公式(3)，即電動機的功角δM增加時，發(fā)電機的功角δG也會同步增加。為了將機械軸兩側(cè)的電氣量相聯(lián)系，并便于后續(xù)建模分析，本文將兩電機功角變化量之和定義為MGP的功角變化量ΔδMG，并將ΔδMG作為狀態(tài)變量來替代ΔδM與ΔδG。如公式(5)所示：

ΔδM+ΔδG=ΔδMG

(5)

將公式(4)線性化，并考慮勵磁系統(tǒng)動態(tài)時，MGP兩電機電磁轉(zhuǎn)矩變化量可表示為如下形式：

(6)

式中：K1M、K1G、K2M、K2G分別表示與兩電機參數(shù)和磁鏈初始條件有關(guān)的常數(shù)，ΔψfdM和ΔψfdG分別為兩機勵磁磁鏈的變化量。

聯(lián)立公式(2)、(5)、(6)可將MGP功角ΔδMG的動態(tài)微分方程表示為

(7)

由公式(7)可知，功角ΔδMG的動態(tài)微分方程中包含ΔψfdM與ΔψfdG的微分形式，表明勵磁磁鏈的變化會對MGP的功角產(chǎn)生影響。因此在對MGP建模時需考慮兩套勵磁系統(tǒng)的作用，將ΔψfdM和ΔψfdG作為狀態(tài)變量，對應的線性化微分方程如公式(8)所示[18]：

(8)

式中：ΔEfdM和ΔEfdG分別為兩機勵磁電壓的變化量，具有不同下標的系數(shù)L表示與電機參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

由此建立了以Δωr、ΔδMG、ΔψfdM、ΔψfdG為狀態(tài)變量，以ΔTeM、ΔEfdM、ΔEfdG為輸入變量的四階MGP小干擾模型。

2.2 光伏采用MGP并網(wǎng)的小干擾模型

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)主要包括光伏組件、直流側(cè)穩(wěn)壓電容、逆變器、濾波環(huán)節(jié)以及控制環(huán)節(jié)等。常用的八階光伏并網(wǎng)小干擾模型可表示為[19]

(9)

式中：Δxpv為狀態(tài)變量，Δupv為輸入變量，S為外界光照強度，T為外界溫度，Udc為直流側(cè)電容電壓，ugd、ugq、igd、igq分別為電網(wǎng)側(cè)電壓與電流d、q軸分量，ugcd、ugcq為逆變器出口側(cè)電壓d、q軸分量，Δx1、Δx2、Δx3為控制器內(nèi)部狀態(tài)變量。

在建立圖2所示光伏通過MGP并網(wǎng)的小干擾模型時，需要充分考慮光伏系統(tǒng)與MGP系統(tǒng)的電氣連接關(guān)系，主要體現(xiàn)在三個方面：

(1)光伏逆變器出口側(cè)經(jīng)濾波電感與同步電動機定子側(cè)繞組相連，因此逆變器出口側(cè)電流d、q軸分量igd、igq與同步電動機定子側(cè)d、q軸輸入電流imd、imq相等。

(10)

且MGP中同步電動機定子側(cè)電流可用功角和磁鏈表示為如下形式[20]：

(11)

式中：系數(shù)m1M、m2M、n1M、n2M為與電動機初始條件有關(guān)的常數(shù)。

因此光伏直接并網(wǎng)小干擾模型中的狀態(tài)變量Δigd、Δigq可用MGP小干擾模型中的狀態(tài)變量ΔδMG與ΔψfdM替代。

(2)忽略濾波電感的有功功率損耗，則MGP同步電動機的電磁輸入功率與光伏逆變器出口側(cè)的有功功率相等，表示為公式(12)的形式：

ΔTpv=ΔTeM=ugcq0Δigq+igq0Δugoq

(12)

式中：ugcq0、igq0為逆變器端口側(cè)q軸電壓、電流初始值。

文中在控制策略上采用定q軸矢量控制，控制d軸電流為0，功率表達式中僅包含q軸分量。由公式(12)可知，MGP的輸入變量ΔTeM可用光伏直接并網(wǎng)小干擾模型中的狀態(tài)變量Δugcq與Δigq替代。

(3)光伏系統(tǒng)通過MGP并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率存在耦合，形式上表現(xiàn)為MGP轉(zhuǎn)子頻率ωr與電網(wǎng)角頻率ωg相等。而原光伏系統(tǒng)中未將電網(wǎng)角頻率考慮為狀態(tài)變量，因此原狀態(tài)矩陣中需增加以Δωr為狀態(tài)變量的系數(shù)項。

綜上，光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)后，原模型中的狀態(tài)變量Δigd、Δigq被替代，系統(tǒng)階數(shù)由八階降為六階，并與MGP四階方程相聯(lián)立，形成完整的光伏通過MGP并網(wǎng)的十階小干擾模型如下：

(13)

式中：Δx為狀態(tài)變量，Δu為輸入變量，A為狀態(tài)變量系數(shù)矩陣。

3 MGP抑制次同步振蕩的特性分析

3.1 光伏采用MGP并網(wǎng)的小干擾模型

為分析MGP對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩模態(tài)的影響，文中通過算例對比同一控制器參數(shù)下光伏直接并網(wǎng)與通過MGP并網(wǎng)的小干擾模型特征模態(tài)。計算結(jié)果見表1，MGP算例結(jié)構(gòu)與圖2相同。

表1算例結(jié)果表明，光伏直接并網(wǎng)的小干擾模型存在4對特征模式。其中λ3,4=8.541±j60.963為一對不穩(wěn)定極點，振蕩頻率為9.7 Hz。配置MGP后，系統(tǒng)增加了一組實部為負的特征值λ9、λ10，不會對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。采用MGP并網(wǎng)方式后，由于同步電機的引入，系統(tǒng)中原有振蕩模態(tài)λ3,4實部與虛部均減小。實部的降低反映了MGP可為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提供正阻尼，改善振蕩情況；虛部的降低反映了振蕩頻率的減小，意味著MGP的引入將新能源電網(wǎng)的電磁振蕩形式逐漸過渡為同步機的機電振蕩形式。而對于同步機機電振蕩的研究理論及抑制措施已經(jīng)相對成熟，可在實際情況中加以借鑒。

表1 不同并網(wǎng)方式下特征值計算結(jié)果Tab.1 The eigenvalues of different grid-connected system

3.2 控制器參數(shù)對不同并網(wǎng)方式下振蕩模態(tài)的影響

對振蕩模態(tài)λ3,4進行參與因子分析得知，主導參與狀態(tài)變量為Δugcq與Δugcd。因此該振蕩模態(tài)主要與控制器電壓外環(huán)參數(shù)kp、ki，電流內(nèi)環(huán)控制參數(shù)kpd、kid、kpq、kiq有關(guān)?？刂破鲄?shù)變化時，兩種并網(wǎng)方式下次同步振蕩模態(tài)λ3,4的根軌跡變化情況如圖4所示。

以圖4 (a)為例，光伏直接并網(wǎng)方式的初始運行點為9.355±j60.972；經(jīng)MGP并網(wǎng)后，系統(tǒng)初始運行點校正至4.277±j56.82。再以圖4 (c)為例，兩種并網(wǎng)方式下的初始運行點相接近，但光伏直接并網(wǎng)方式下，內(nèi)環(huán)控制器比例系數(shù)kpd、kpq需經(jīng)8～9次調(diào)節(jié)才將不穩(wěn)定極點校正至穩(wěn)定區(qū)域；而經(jīng)MGP并網(wǎng)后，控制器參數(shù)只經(jīng)3～4次調(diào)節(jié)便將振蕩模態(tài)校正至穩(wěn)定區(qū)域。

圖4 控制器參數(shù)變化時振蕩模態(tài)λ3,4根軌跡變化圖Fig. 4 Root locus of mode λ3,4 as controller parameters changes

綜合上述振蕩模態(tài)λ3,4在控制器參數(shù)變化時的根軌跡可知，MGP對光伏系統(tǒng)振蕩的改善效果主要體現(xiàn)在：1)光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)后，振蕩模態(tài)的初始運行點相比于光伏直接并網(wǎng)方式更靠近虛軸，系統(tǒng)自身阻尼更強，初始穩(wěn)定性更好；2)光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)后，振蕩模態(tài)對控制器參數(shù)的響應更為靈敏，振蕩模態(tài)能更快速的趨向于穩(wěn)定區(qū)域；3)光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)可使得振蕩形式從光伏系統(tǒng)的電磁振蕩逐步過渡為以同步機為主的機電振蕩，振蕩危害更低，抑制理論更為成熟。

4 仿真驗證

為驗證上述光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)小干擾模型的準確性以及控制器參數(shù)在兩種并網(wǎng)方式下對振蕩模態(tài)的影響特性，文中基于圖2結(jié)構(gòu)在PSCAD仿真平臺搭建了相應的仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)參見表2。

表2 仿真系統(tǒng)初始值Tab.2 The initial value of simulation system

4.1 MGP并網(wǎng)與光伏直接并網(wǎng)小干擾穩(wěn)定對比

大規(guī)模光伏電站一般建立在結(jié)構(gòu)薄弱的內(nèi)陸地區(qū)，需經(jīng)過串補裝置提高輸電線路輸電能力。因此分別在兩種并網(wǎng)方式下于5 s時在輸電線路中投入串聯(lián)電容器補償裝置，有功功率及母線電壓波形如圖5所示。

圖5 兩種并網(wǎng)方式下有功功率及母線電壓Fig. 5 Active power and bus voltage under two grid-connected modes

圖5中串聯(lián)電容器補償裝置投入后，光伏直接并網(wǎng)系統(tǒng)有功功率與并網(wǎng)點電壓均發(fā)生等幅振蕩；而光伏通過MGP并網(wǎng)方式下，有功功率在2～3個周波后趨于穩(wěn)定值78 kW，未出現(xiàn)明顯的功率振蕩，且并網(wǎng)點電壓過渡平緩。

圖6為兩種并網(wǎng)方式下有功功率及并網(wǎng)點電壓頻譜分析結(jié)果。圖6(a)光伏直接并網(wǎng)方式下有功功率中含有較高比例頻率為45 Hz的次同步振蕩分量，導致有功功率振蕩發(fā)散。由于控制器的限幅作用，表現(xiàn)為等幅振蕩，并網(wǎng)點母線電壓中也存在與之對應的5 Hz次同步振蕩頻率。而圖6(b)光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)后，有功功率中次同步振蕩頻率由45 Hz降低為2.27 Hz，諧波幅值也由0.02 MW降低為0.008 MW，振蕩形式由電磁振蕩過渡為機電振蕩，系統(tǒng)阻尼得到加強，與理論分析相符合。

圖6 功率及電壓頻譜分析圖Fig. 6 Spectrum analysis of power and voltage

4.2 控制器比例系數(shù)對兩種并網(wǎng)方式下振蕩模態(tài)的影響

圖7為控制器比例系數(shù)kp設(shè)置為0.5、1、1.5不同情況下，兩種并網(wǎng)方式在串補裝置投入時對應的有功功率。

圖7 不同kp參數(shù)兩種并網(wǎng)方式下有功功率波形Fig. 7 Active power under two grid-connected modes with different kp

圖7(a)中比例系數(shù)kp越大，光伏傳輸功率振蕩幅度越小，振蕩頻率也越低，但光伏系統(tǒng)振蕩模態(tài)并未衰減，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行；圖7(b)中MGP傳輸功率的振蕩幅值與振蕩頻率也隨比例系數(shù)kp的增大而減小，有功功率波動在3～5個周波內(nèi)衰減，線路中未出現(xiàn)持續(xù)的次同步振蕩現(xiàn)象，與根軌跡變化情況相符合。

4.3 控制器積分系數(shù)對兩種并網(wǎng)方式下振蕩模態(tài)的影響

圖8為控制器外環(huán)積分系數(shù)ki設(shè)置為0.2、0.15、0.1不同情況下，兩種并網(wǎng)方式在串補裝置投入時對應的有功功率。

圖8 不同ki參數(shù)兩種并網(wǎng)方式下有功功率波形Fig. 8 Active power under two grid-connected modes with different ki

圖8(a)光伏直接并網(wǎng)方式下，有功功率振蕩幅值隨控制器積分系數(shù)ki的減小而降低，但振蕩幅值僅改善了0.003 MW，振蕩幅值與振蕩頻率變化均不明顯，系統(tǒng)依然存在振蕩模態(tài)。圖8(b)光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)方式下，有功功率振蕩幅值降低了0.028 MW，振蕩頻率也由3.64 Hz減小為0.92 Hz，振蕩改善效果更為明顯。因此MGP對控制器參數(shù)的響應更為靈敏，與根軌跡分析一致。

4.4 電網(wǎng)強度對兩種并網(wǎng)方式下振蕩模態(tài)的影響

電網(wǎng)強度可用短路比(short circuit ratio，SCR)來衡量。有研究表明電網(wǎng)強度也是引起新能源電網(wǎng)次同步振蕩的重要因素[21，22]。特別在弱電網(wǎng)條件下，次同步振蕩的風險更為嚴重。而MGP的并網(wǎng)方式可憑借同步機的強勵磁特性，為電網(wǎng)提供強度支撐。

圖9為仿真系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，電網(wǎng)強度由SCR=5分別降低至SCR=2.5、SCR=2、SCR=1.5三種情況下，兩種不同并網(wǎng)方式對應的有功功率響應曲線。

圖9 不同電網(wǎng)強度下兩種并網(wǎng)方式下有功功率波形Fig. 9 Active power under two grid-connected modes with different SCR

圖9(a)光伏直接并網(wǎng)方式下，有功功率在SCR降低后出現(xiàn)振蕩，振蕩幅值隨SCR的降低而增加，線路中有持續(xù)的次同步分量。圖9(b)光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)方式下，MGP有功功率在電網(wǎng)強度降低時未出現(xiàn)持續(xù)的振蕩現(xiàn)象。即使在弱電網(wǎng)(SCR=1.5)情況下，有功功率仍能在3～4個振蕩周波內(nèi)趨于穩(wěn)定，體現(xiàn)了MGP對新能源電網(wǎng)強度的支撐作用。

5 結(jié) 論

文章基于MGP的阻尼特性研究了MGP對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的影響，建立了光伏通過MGP并網(wǎng)的小干擾模型，通過算例分析以及仿真系統(tǒng)驗證了MGP對光伏系統(tǒng)振蕩的抑制作用，得出如下結(jié)論：

(1)光伏采用MGP并網(wǎng)后，由于同步機的引入，系統(tǒng)本身正阻尼得到加強，初始運行點更接近虛軸，能夠?qū)⒃菊袷幍墓r校正至穩(wěn)定區(qū)域或趨于穩(wěn)定區(qū)域。且同步機的優(yōu)良特性可為電網(wǎng)提供強度支撐，可在更多的運行工況下避免振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(2)MGP的引入能使得光伏系統(tǒng)對控制器參數(shù)的響應更為靈敏。在控制器參數(shù)調(diào)節(jié)較小的情況下，系統(tǒng)振蕩模態(tài)能更快的過渡至穩(wěn)定區(qū)域，增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。

(3)光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)后，可將振蕩形式由電子電力器件主導的電磁振蕩轉(zhuǎn)化為以同步機主導的機電振蕩，抑制措施更為成熟可靠。

文中提出的光伏通過MGP并網(wǎng)的運行方式為光伏場站抑制次同步振蕩提供了一種新的解決思路。但文中僅考慮了控制器參數(shù)對MGP阻尼效果的影響，后續(xù)工作需繼續(xù)研究MGP自身參數(shù)對阻尼效果的影響，并擴展至多機及實際電網(wǎng)中進行深入研究。