制氢系统对双馈风机串补系统次同步振荡特性的影响

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23133

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 715-726.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23133

制氢系统对双馈风机串补系统次同步振荡特性的影响

鲁亚楠¹, 徐涛¹^,², 刘泽楠¹

^1.内蒙古工业大学电力学院, 内蒙古自治区呼和浩特市 010051
^2.大规模储能技术;教育部工程研究中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010080

收稿日期:2024-03-02 修回日期:2024-06-18 出版日期:2025-08-31 发布日期:2025-08-21
通讯作者: 徐涛
作者简介:鲁亚楠(1998)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制，lyn320162@163.com；
徐涛(1968)，男，硕士，副教授，研究方向为电力系统稳定与控制，本文通信作者，13664780968@163.com；
刘泽楠(1998)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制，839268455@qq.com。
基金资助:
内蒙古自治区自然科学基金项目(2023LHMS05049);内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(JY20240014)

Effect of Hydrogen Production System on Sub-Synchronous Oscillation Characteristics of Doubly Fed Induction Generator Systems With Series Compensation

Yanan LU¹, Tao XU¹^,², Zenan LIU¹

^1.College of Electric Power, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, Inner Mongolia Autonomous Region, China
^2.Engineering Research Center of Large Energy Storage Technology, Hohhot 010080, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2024-03-02 Revised:2024-06-18 Published:2025-08-31 Online:2025-08-21
Contact: Tao XU
Supported by:
Inner Mongolia Autonomous Region Natural Science Foundation(2023LHMS05049);Basic Scientific Research Fund for Universities Directly under the Inner Mongolia Autonomous Region(JY20240014)

摘要/Abstract

摘要：

目的规模化风电机组的并网运行增加了系统发生次同步振荡(sub-synchronous oscillation，SSO)的风险，针对此问题，深入分析了制氢系统对风电系统SSO特性的影响。方法首先，搭建双馈风电系统、串补输电系统和制氢系统模型；然后，在此基础上，根据制氢系统电解槽内部热动力和电化学动态特性，在PSCAD/EMTDC仿真平台建立制氢装置的电磁暂态模型；最后，将其加入到双馈风电经串补外送系统中进行时域仿真分析。结果制氢系统在特定的控制参数下会参与到系统的次同步振荡中，制氢系统加入到风电远距离输送系统能在一定程度上缓解并网系统SSO，从而提供一种解决SSO问题的新思路。结论制氢系统的投入提高了风氢耦合并网系统的阻尼，改善了系统稳定性。

关键词: 新能源, 氢能, 风电机组, 制氢系统, 次同步振荡(SSO), 双馈风机, 串联补偿, 特征值分析法, 时域仿真

Abstract:

Objectives The grid-connected operation of large-scale wind turbines increases the risks of sub-synchronous oscillation (SSO) in power systems, to address these issues, this study conducts an in-depth analysis of the effect of hydrogen production systems on the characteristics of SSO of wind power system. Methods Firstly, the models of doubly fed induction generator system, series-compensated transmission system, and hydrogen production system are established. Building on this, based on the internal thermodynamic and electrochemical dynamic characteristics of the electrolyzer in the hydrogen production system, an electromagnetic transient (EMT) model of the hydrogen production device is established on the PSCAD/EMTDC simulation platform. Finally, it is integrated into a doubly fed induction generator with series compensation for external transmission to conduct time-domain simulation analysis. Results The hydrogen production system participates in the SSO of the system under specific control parameters. The integration of the hydrogen production system into the long-distance transmission system of wind power—as a clean energy solution—can mitigate SSO in the grid-connected system to a certain extent, thereby offering a new approach to addressing SSO issues. Conclusions The integration of the hydrogen production system improves the damping of the wind-hydrogen coupled grid-connected system, leading to improved system stability.

Key words: new energy, hydrogen energy, wind turbines, hydrogen production system, sub-synchronous oscillation (SSO), doubly fed induction generator, series compensation, eigenvalue analysis, time-domain simulation

中图分类号:

TK 83

鲁亚楠, 徐涛, 刘泽楠. 制氢系统对双馈风机串补系统次同步振荡特性的影响[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 715-726.

Yanan LU, Tao XU, Zenan LIU. Effect of Hydrogen Production System on Sub-Synchronous Oscillation Characteristics of Doubly Fed Induction Generator Systems With Series Compensation[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(4): 715-726.

图/表 21

图1 风氢耦合串补并网系统图

Fig. 1 Diagram of wind-hydrogen coupled grid-connected system with series compensation

表 1 系统主要参数

Tab. 1 System main parameters

参数	数值	参数	数值
额定电压P_N/MW	5	额定电压U_N/kV	0.69
定子绕组电阻R_s/pu	0.005 4	风机定转子比例系数K_P1—K_P8	2
转子绕组电阻R_r/pu	0.006 07	风机定转子比例系数K_P1—K_P8	2
转子绕组电阻R_r/pu	0.006 07	风机定转子积分系数T_i1—T_i8	0.05
定子漏电感L_s/pu	0.10	制氢系统外环比例系数K_P9	2
转子漏电感L_r/pu	0.11	制氢系统外环积分系数T_i9	0.05
励磁电感L_m/pu	4.5	制氢系统内环比例系数K_P10	1
串补电容C/pu	378.954	制氢系统内环积分系数T_i10	0.05
额定电压U_N/kV	0.69

图 2 可再生能源制氢系统整体构架

Fig. 2 Overall architecture of renewable energy hydrogen production system

图 3 低压制氢系统电磁暂态模型

Fig. 3 Electromagnetic transient model of low-voltage hydrogen production system

图 4 移相全桥变换器控制框图

Fig. 4 Block diagram of control of phase-shift full bridge converter

表2 状态变量

Tab. 2 State variables

状态变量	分类
Δω， Δω_r， Δθ	轴系模型
$Δ E d', Δ E q' Δ i s d, Δ i s q$	感应发电机
ΔU_dc	直流母线
Δz₁， Δz₂， Δz₃， Δz₄，	变流器转子侧
Δi_g_d， Δi_g_q， Δz₅， Δz₆， Δz₇	变流器网侧
Δu_s_d， Δu_s_q， Δi_l_d， Δi_l_q， Δu_c_d， Δu_c_q Δi_d， Δi_q， Δv_EL， Δi_Lf1， Δi_Lf2， Δv_DC	串联补偿线路制氢系统

表2 状态变量

Tab. 2 State variables

状态变量	分类
Δω， Δω_r， Δθ	轴系模型
$Δ E d', Δ E q' Δ i s d, Δ i s q$	感应发电机
ΔU_dc	直流母线
Δz₁， Δz₂， Δz₃， Δz₄，	变流器转子侧
Δi_g_d， Δi_g_q， Δz₅， Δz₆， Δz₇	变流器网侧
Δu_s_d， Δu_s_q， Δi_l_d， Δi_l_q， Δu_c_d， Δu_c_q Δi_d， Δi_q， Δv_EL， Δi_Lf1， Δi_Lf2， Δv_DC	串联补偿线路制氢系统

表 3 系统振荡模态

Tab. 3 System oscillation modes

模态序号	特征值	振荡频率/Hz
$λ 1,2$	-38.12±j1 690.89	269.11
$λ 3.4$	-67.39±j701.47	111.64
$λ 7,8$	-18.87±j381.39	60.7
$λ 9,10$	0.89±j238.46	37.95
$λ 15,16$	-1.542±j8.65	1.38
$λ 21,22$	-36.93±j1.16	0.185

表 3 系统振荡模态

Tab. 3 System oscillation modes

模态序号	特征值	振荡频率/Hz
$λ 1,2$	-38.12±j1 690.89	269.11
$λ 3.4$	-67.39±j701.47	111.64
$λ 7,8$	-18.87±j381.39	60.7
$λ 9,10$	0.89±j238.46	37.95
$λ 15,16$	-1.542±j8.65	1.38
$λ 21,22$	-36.93±j1.16	0.185

图5 参与因子

Fig. 5 Participation factors

图6 电解槽直流电流波形

Fig. 6 DC current waveform of electrolyzer

图7 电解槽直流电流FFT分析

Fig. 7 FFT analysis of DC current in electrolyzer

图8 不同串补度下的阻尼比

Fig. 8 Damping ratio at different degrees of series compensation

图 9 Ki9变化时次同步振荡模式的根轨迹

Fig. 9 Root locus of SSO mode with varying Ki9

图 10 KP9变化时次同步振荡模式的根轨迹

Fig. 10 Root locus of SSO mode with varying KP9

表4 特征值计算结果

Tab. 4 Calculation results of eigenvalues

工况	串补度	特征值	阻尼比
未投制氢系统	20%	-2.01±j241.83	0.008 3
	30%	0.91±j238.70	-0.003 8
	40%	1.79±j235.17	-0.007 6
投制氢系统	20%	-2.86±j242.67	0.011 8
	30%	0.54±j239.96	-0.002 3
	40%	1.56±j235.46	-0.006 6

图11 串补度对输出功率的影响

Fig. 11 Effect of series compensation degree on output power

表5 特征值计算结果

Tab. 5 Calculation results of eigenvalues

工况	$K P 3$	特征值	阻尼比
未投制氢系统	0.8	$- 2.1 ± j 235.91$	0.009
	1.2	$- 1.32 ± j 236.84$	0.005 8
	1.6	$0.51 ± j 238.12$	-0.002 1
	2.0	$0.9 ± j 238.70$	-0.003 8
投制氢系统	0.8	$- 2.8 ± j 236.34$	0.012
	1.2	$- 1.74 ± j 237.26$	0.007 3
	1.6	$0.38 ± j 238.58$	-0.001 6
	2.0	$0.89 ± j 238.96$	-0.002 3

表5 特征值计算结果

Tab. 5 Calculation results of eigenvalues

工况	$K P 3$	特征值	阻尼比
未投制氢系统	0.8	$- 2.1 ± j 235.91$	0.009
	1.2	$- 1.32 ± j 236.84$	0.005 8
	1.6	$0.51 ± j 238.12$	-0.002 1
	2.0	$0.9 ± j 238.70$	-0.003 8
投制氢系统	0.8	$- 2.8 ± j 236.34$	0.012
	1.2	$- 1.74 ± j 237.26$	0.007 3
	1.6	$0.38 ± j 238.58$	-0.001 6
	2.0	$0.89 ± j 238.96$	-0.002 3

图12 RSC内环增益对输出功率的影响

Fig. 12 Effect of RSC inner loop gain on output power

图13 制氢容量变化次同步振荡模式的根轨迹

Fig. 13 Root locus of SSO mode with varying hydrogen production capacity

图14 制氢系统容量30 MW对有功输出的影响

Fig. 14 Effect of 30 MW hydrogen production system capacity on active power output

图15 制氢系统容量70 MW对有功输出的影响

Fig. 15 Effect of 70 MW hydrogen production system capacity on active power output

图16 制氢系统容量120 MW对有功输出的影响

Fig. 16 Effect of 120 MW hydrogen production system capacity on active power output

参考文献 25

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制氢系统对双馈风机串补系统次同步振荡特性的影响

Effect of Hydrogen Production System on Sub-Synchronous Oscillation Characteristics of Doubly Fed Induction Generator Systems With Series Compensation

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