大規(guī)模風(fēng)電外送中的次同步振蕩問(wèn)題

畢天姝，孔永樂(lè)，肖仕武，張 鵬，張 濤，劉 全

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085）

次同步振蕩最早發(fā)現(xiàn)于火力發(fā)電系統(tǒng)中.19世紀(jì)70年代，美國(guó)Mohave電廠次同步振蕩事故導(dǎo)致其發(fā)電機(jī)大軸損壞，引起學(xué)術(shù)界次同步振蕩研究的熱潮，并在機(jī)理分析、分析方法及抑制對(duì)策等方面取得顯著成果［1－2］.

當(dāng)今大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用風(fēng)電已成為中國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分.“十二五”期間，在甘肅、新疆、河北、吉林、內(nèi)蒙古、江蘇等地規(guī)劃建設(shè)7個(gè)千萬(wàn)kW級(jí)風(fēng)電基地［3－4］.由于資源與負(fù)荷中心逆向分布，使得大容量、遠(yuǎn)距離風(fēng)電外送勢(shì)在必行.串補(bǔ)電容技術(shù)和高壓直流輸電技術(shù)能夠有效提高線路輸送容量，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電外送的2種主要方式，但可能會(huì)誘發(fā)風(fēng)電系統(tǒng)的次同步振蕩問(wèn)題，影響大規(guī)模風(fēng)電基地及外送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［5－6］.

2009年10月，美國(guó)德克薩斯州的一處風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生了串補(bǔ)電容引起的次同步振蕩事故，造成風(fēng)電場(chǎng)大量機(jī)組跳機(jī)以及大量撬棒電路損壞［7］.這次事故后，越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)次同步振蕩問(wèn)題嚴(yán)重，開(kāi)始對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究.

筆者在分析3種常見(jiàn)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)不同類(lèi)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可能發(fā)生的次同步振蕩類(lèi)型，并闡述當(dāng)前研究現(xiàn)狀，指出亟待研究解決的問(wèn)題.

1 風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

主流風(fēng)電機(jī)組主要有鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組、雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組和永磁同步型風(fēng)電機(jī)組.這3類(lèi)風(fēng)電機(jī)組由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，其利用串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)或高壓直流輸電技術(shù)外送風(fēng)電可能發(fā)生的次同步振蕩類(lèi)型也不同.

鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是風(fēng)力發(fā)電中最早使用的機(jī)型，目前，風(fēng)電場(chǎng)中還存在一定數(shù)量的此類(lèi)風(fēng)電機(jī)組.鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組采用鼠籠異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換能量，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)速度僅在很小范圍內(nèi)變化.其軸系主要包括高速軸、齒輪箱和低速軸三部分，與火電機(jī)組相比較短，而且齒輪箱的存在使得風(fēng)電機(jī)組軸系的剛度很小，約為0.15～0.40.軸系的柔性使得風(fēng)電機(jī)組軸系的自然扭振頻率很小，一般在1～2Hz［8－9］.

雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，這一良好的調(diào)節(jié)特性使其成為市場(chǎng)目前主流機(jī)型之一.雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化能量，發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接連接.轉(zhuǎn)子通過(guò)一個(gè)AC/DC/AC變頻器與電網(wǎng)連接，風(fēng)電機(jī)組不要求以固定速度運(yùn)行，轉(zhuǎn)速可以通過(guò)變頻器動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)［9］.雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組的軸系和鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組相類(lèi)似，也具有低自然扭振頻率的特點(diǎn).

永磁同步型風(fēng)電機(jī)組采用永磁體勵(lì)磁，效率高，是目前市場(chǎng)上另外一種主流機(jī)型.永磁同步型風(fēng)電機(jī)組采用永磁同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換.其定子與電網(wǎng)不直接耦合，通過(guò)全功率AC＼DC＼AC變頻器與電網(wǎng)連接，因此，軸系很難與電網(wǎng)電氣量直接耦合產(chǎn)生扭振.由于永磁同步型電機(jī)組軸系不存在齒輪箱，風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)直接連接，其軸系剛度比以上2種風(fēng)電機(jī)組要大.

2 大規(guī)模風(fēng)電外送中的次同步振蕩問(wèn)題分析

風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其在采用串補(bǔ)或HVDC外送輸電時(shí)的次同步振蕩問(wèn)題和火電機(jī)組不完全相同.除了可能發(fā)生次同步諧振和裝置引起的次同步振蕩外，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部變頻器控制同樣可能引起次同步振蕩問(wèn)題［10］.

2.1 次同步諧振（SSR）

次同步諧振是火力發(fā)電中經(jīng)常遇到的次同步振蕩現(xiàn)象之一.早在1970和1971年，美國(guó)Mohave電站發(fā)生的發(fā)電機(jī)大軸扭振破壞就是該類(lèi)型的次同步振蕩引起的［11］.IEEE工作組將同步諧振定義為次電力系統(tǒng)的一種不正常運(yùn)行狀態(tài)，在這種運(yùn)行狀態(tài)下，電氣系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機(jī)組以低于系統(tǒng)同步頻率的某個(gè)和多個(gè)振蕩頻率顯著交換能量，從而危害汽輪發(fā)電機(jī)安全的動(dòng)態(tài)過(guò)程［12］.

考慮圖1所示的風(fēng)電外送等值系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)的自然諧振頻率為

式中 f0為同步頻率.在次同步頻率下，發(fā)電機(jī)的等值電阻為負(fù)，如果該負(fù)值超過(guò)變壓器和輸電線路等值電阻系統(tǒng)則會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼，系統(tǒng)會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)而發(fā)生次同步諧振［13］.

圖1 采用串補(bǔ)輸電的風(fēng)電外送系統(tǒng)示意Figure 1 Wind generation and its transmission system with series compensation

設(shè)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率fm，當(dāng)具有電氣諧振頻率fer的電流Is1流過(guò)定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子上會(huì)感應(yīng)出頻率fer－fm的電流分量Ir1，同時(shí)定子中的工頻電流分量Is2在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出頻率f0－fm的電流Ir2.轉(zhuǎn)子和定子電流分量相互作用，產(chǎn)生4個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩分量，如表1所示.4個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩分量之和就是發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，其頻率fT＝f0－fer.如果此時(shí)發(fā)電機(jī)軸系自然扭振頻率在fT附近，即系統(tǒng)電氣諧振頻率和發(fā)電機(jī)軸系自然扭振頻率互補(bǔ)時(shí)，發(fā)電機(jī)和串補(bǔ)系統(tǒng)間通過(guò)持續(xù)的弱阻尼振蕩或暫態(tài)作用進(jìn)行能量交換，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系疲勞或臨界失效，通常稱(chēng)之為機(jī)電扭振互作用［13］.

表1 各轉(zhuǎn)矩分量Table 1 Torque components

鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組和雙饋型風(fēng)電機(jī)組的定子都與電網(wǎng)直接相連，與火電機(jī)組具有相似性.諧振電流同樣可以進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)導(dǎo)致次同步諧振的發(fā)生.但這2種風(fēng)電機(jī)組的自然扭振軸系頻率很低，要想激發(fā)風(fēng)電機(jī)組軸系低頻率的扭振模態(tài)，需要很高諧振頻率的電流，即很高的線路串補(bǔ)度.因此，同等串補(bǔ)度下，鼠籠異步型和雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組發(fā)生次同步諧振比火電機(jī)組難.對(duì)于永磁同步型風(fēng)電機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)沒(méi)有直接耦合，次同步諧振電流無(wú)法進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)，因此，永磁同步型風(fēng)電機(jī)組采用串補(bǔ)電容時(shí)不會(huì)發(fā)生次同步諧振.

次同步諧振機(jī)理、分析方法和抑制方面的研究很多，但主要集中在傳統(tǒng)火力發(fā)電系統(tǒng)上，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)次同步諧振問(wèn)題研究則剛剛起步.文獻(xiàn)［14－18］初步探討了鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組采用串補(bǔ)外送風(fēng)電時(shí)發(fā)生次同步諧振的機(jī)理，利用時(shí)域仿真法研究了鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組次同步諧振的影響因素，指出了線路串補(bǔ)度和風(fēng)電場(chǎng)出力影響諧振發(fā)散程度.串補(bǔ)度越高，輸出有功功率越高，則次同步諧振發(fā)散越嚴(yán)重.上述文獻(xiàn)還嘗試了利用FACTS控制器（Static Var Compensator，SVC）、可控串補(bǔ)（Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC）、靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）和統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）來(lái)抑制鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組次同步諧振，給出了抑制措施的仿真結(jié)果.

文獻(xiàn)［19］建立了用于次同步諧振分析的雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組模型，利用特征值分析法和時(shí)域仿真法分析了影響雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組次同步諧振的主要因素.研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速越低、串補(bǔ)度越高，雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組次同步諧振越嚴(yán)重.文獻(xiàn)［20］為雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)了SSR阻尼控制器，并通過(guò)算例仿真驗(yàn)證了有效性.

然而，上述研究中的模型大部分是單機(jī)－無(wú)窮大等值系統(tǒng)模型，即將整個(gè)風(fēng)場(chǎng)簡(jiǎn)單等值為1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組；為仿真產(chǎn)生SSR現(xiàn)象，普遍使用了70%以上的串補(bǔ)度，與實(shí)際系統(tǒng)不符；研究方法基本只使用時(shí)域仿真法，尚不能從機(jī)理層面揭示發(fā)生次同步諧振的原因.

2.2 裝置引起的次同步振蕩（SSTI）

高壓直流輸電（HVDC）及FACTS等電力電子裝置的控制器參數(shù)不合理也可能引起發(fā)電機(jī)次同步振蕩，統(tǒng)稱(chēng)為裝置引起的次同步振蕩.1977年，美國(guó)的Square Buttez電廠在投入HVDC輸電線路時(shí)，發(fā)生了扭振現(xiàn)象［21］，這是工程中最早遇到的裝置引起的次同步振蕩問(wèn)題.電力電子裝置的控制器在次同步頻率范圍內(nèi)對(duì)功率、電流等進(jìn)行快速控制或響應(yīng)，會(huì)影響到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相位差.如果電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相位差超過(guò)90°，這些裝置就會(huì)給發(fā)電機(jī)引入負(fù)阻尼，從而引起發(fā)電機(jī)軸系的次同步增幅振蕩［5］.

鼠籠異步型和雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)緊密耦合，附近存在電力電子裝置時(shí)可能會(huì)給發(fā)電機(jī)引入負(fù)阻尼，發(fā)生次同步振蕩.同樣，位于電力電子裝置附近時(shí)，鼠籠異步型和雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組要比火電機(jī)組更容易發(fā)生次同步振蕩，這是因?yàn)檫@2種風(fēng)電機(jī)組軸系自然扭振頻率相對(duì)較低，而直流輸電對(duì)較低的扭振頻率更易引起負(fù)阻尼作用.

此外，雙饋感應(yīng)型和永磁同步型風(fēng)電機(jī)組本身內(nèi)部存在變流控制器，如果該變流控制器的參數(shù)不合理，在次同步區(qū)段表現(xiàn)出負(fù)阻尼特性，同樣可能成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組次同步振蕩的激發(fā)源.

目前，裝置引起的次同步振蕩研究主要集中在火電機(jī)組利用HVDC外送電能時(shí)的次同步振蕩問(wèn)題上.風(fēng)力發(fā)電發(fā)展較晚，實(shí)際工程中尚未遇到裝置引起的次同步振蕩問(wèn)題，因此其研究較少.文獻(xiàn)［22］初步研究了鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組利用HVDC外送風(fēng)電時(shí)的次同步振蕩問(wèn)題.文獻(xiàn)［9］指出轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的級(jí)聯(lián)控制回路參數(shù)設(shè)置不合理是引起雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組次同步扭振的主要原因，并提出在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制中加入一個(gè)阻尼環(huán)來(lái)抑制機(jī)組的次同步扭振.阻尼環(huán)PI控制器參數(shù)整定需要了解軸系的固有頻率，并且與變流器控制的其他參數(shù)相協(xié)調(diào).

2.3 風(fēng)電機(jī)組控制器與外部控制器耦合引起的次同步振蕩（SSCI）

風(fēng)電機(jī)組控制器引起的次同步振蕩問(wèn)題是隨著風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的次同步振蕩現(xiàn)象.與次同步諧振和裝置引起的次同步振蕩不同，風(fēng)電機(jī)組控制器引起的次同步振蕩和機(jī)械系統(tǒng)沒(méi)有任何聯(lián)系.此類(lèi)次同步振蕩的頻率和衰減率由風(fēng)電控制器參數(shù)和輸電系統(tǒng)參數(shù)共同決定，與軸系固有模態(tài)頻率完全無(wú)關(guān)，且比次同步諧振SSR發(fā)散得更快，應(yīng)引起足夠的重視.圖2所示為2009年美國(guó)德克薩斯州風(fēng)場(chǎng)次同步振蕩事故風(fēng)場(chǎng)內(nèi)電壓和電流錄波［7］，這是人們第1次在工程中遇到SSCI問(wèn)題.

圖2 美國(guó)風(fēng)場(chǎng)次同步振蕩事故錄波Figure 2 Recorded wave of the SSO accident in an American wind farm

風(fēng)電機(jī)組控制器引起的次同步振蕩是由電氣諧振回路的諧振電流引起的.對(duì)于圖3所示采用串補(bǔ)的風(fēng)電外送系統(tǒng)，諧振電流在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出對(duì)應(yīng)的次同步頻率電流，該電流會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流波形畸變和相位偏移，變流控制器感受到此變化后會(huì)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，引起轉(zhuǎn)子中實(shí)際電流的改變，如此構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng).如果輸出電壓助增轉(zhuǎn)子電流增大，諧振電流的振蕩將不穩(wěn)定，進(jìn)而引起整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定振蕩［23］.

圖3 采用串補(bǔ)的雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組Figure 3 Double－fed wind generator with series compensation

鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組中無(wú)電力電子裝置，因此，在利用串補(bǔ)電容外送風(fēng)電時(shí)不存在SSCI問(wèn)題.雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組定子直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子上使用了AC/DC/AC變頻器，諧振電流易進(jìn)入發(fā)電機(jī)的控制器內(nèi)部，可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定振蕩，因此，雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組利用串補(bǔ)電容外送風(fēng)電時(shí)易發(fā)生SSCI.永磁同步型雖然存在電力電子裝置，但發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不耦合導(dǎo)致諧振電流無(wú)法進(jìn)入發(fā)電機(jī)，因此，在利用串補(bǔ)電容外送風(fēng)電時(shí)也不存在SSCI問(wèn)題［24］.

目前SSCI的機(jī)理還不明確，分析方法和抑制措施研究較少.文獻(xiàn)［23］闡述了雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組利用串補(bǔ)電容外送風(fēng)電時(shí)SSCI發(fā)生的原因，并設(shè)計(jì)了SSCI阻尼控制器，利用一個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)來(lái)抑制次同步控制互作用，取得了較好的抑制效果，但該阻尼控制器是針對(duì)特定控制策略設(shè)計(jì)的.

綜上所述，次同步諧振傾向于串補(bǔ)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)間的相互作用；裝置引起的次同步振蕩強(qiáng)調(diào)發(fā)電機(jī)和電力電子等快速控制裝置間的相互作用；風(fēng)電機(jī)組控制器與外部系統(tǒng)耦合引起的次同步振蕩強(qiáng)調(diào)串補(bǔ)輸電系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部變流控制器間的相互作用.

不同類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組可能產(chǎn)生的次同步振蕩問(wèn)題如表2所示.事實(shí)上，由于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)或者場(chǎng)群一般是由多種類(lèi)型的風(fēng)電機(jī)組共同組成，所以其產(chǎn)生的次同步振蕩與抑制問(wèn)題將更為復(fù)雜.

表2 不同類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組次同步振蕩問(wèn)題對(duì)比Table 2 Contrast of sub－synchronous oscillation problems for different types of wind generators

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)方式與傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組相比均有本質(zhì)的區(qū)別，而且風(fēng)電場(chǎng)/場(chǎng)群又是由多種類(lèi)型風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)電基地外送的次同步振蕩問(wèn)題變得十分復(fù)雜.在火力發(fā)電機(jī)組及外送系統(tǒng)中比較成熟的次同步振蕩建模、機(jī)理分析與抑制對(duì)策的研究成果還不能直接應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，需要進(jìn)一步研究.而風(fēng)電機(jī)組自身控制器引起的次同步振蕩現(xiàn)象在工程中發(fā)生較晚，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外目前研究基本是空白.隨著中國(guó)大規(guī)模風(fēng)電基地建設(shè)，其次同步振蕩建模、分析與抑制對(duì)策成為亟待解決的問(wèn)題.

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