随着风力发电的快速发展,电力系统面临电力电子设备密集接入引发的各种电能质量和宽频振荡问题。2015年7月1日,我国新疆哈密风电集群发生了次同步振荡事故,振荡跨越5个电压等级,引发了火电机组因扭振保护动作而切机的严重后果。目前,直驱风电密集并网引发的次同步振荡对电力系统的安全稳定构成了严重威胁,然而,传统的负阻尼振荡理论在揭示新疆次同步振荡新特征的机理方面存在不足,直驱风电集群次同步振荡的机理尚不明确。因此,本文以新疆风电次同步振荡事件为背景,从电力系统强迫振荡理论出发,围绕直驱风电并网系统次同步振荡机理及动态特性展开深入研究,主要研究内容和成果包括:(1)基于直驱风电并网系统的小干扰动态模型,揭示了系统次同步固有特性。介绍了中国新疆次同步振荡事故情况和录波数据,分析了新疆次同步振荡呈现的新特征。建立了直驱风电并网系统的小干扰动态模型,基于动态模型分析了运行参数和控制参数对系统次同步振荡模式特性的影响。分析结果表明,风速变化对次同步振荡模式频率的影响较小,模式频率主要由风机控制系统主导。同时也表明,负阻尼振荡理论在揭示振荡频率时变特征方面存在显著缺陷。(2)研究了直驱风电集群强迫次同步振荡机理和动态特性。采用调制理论分析了低速直驱式风电机组的间谐波产生原因和频率时变机理,提出了直驱风机发出的低频间谐波是风电并网系统中的激励源,风机控制系统是受迫振荡系统。揭示了间谐波激发直驱风电强迫次同步振荡的机理,研究发现风电强迫次同步振荡是由风机间谐波与受迫系统弱阻尼振荡模式在频率接近的情况下相互作用所引发。采用强迫振荡理论有效地解释了新疆次同步振荡新特征,揭示了新疆风电次同步振荡实质上是风机间谐波引起的强迫次同步振荡。(3)研究了直驱风机网侧变流器对间谐波扰动的响应特性。建立了变流器的次同步等效阻抗模型,分析了控制系统锁相环参数、直流电压环参数和电流环参数对间谐波响应特性的影响,揭示了间谐波放大引发直驱风电强迫次同步振荡的主导控制参数和变化规律。研究表明锁相环参数和直流电压外环参数对不同频段的间谐波响应特性具有显著的影响,而电流环参数对其影响较小。