風(fēng)電機(jī)組的次同步控制相互作用研究綜述

高本鋒 劉 晉 李 忍 趙書(shū)強(qiáng)

（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 保定 071003）

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛的發(fā)展。2014年我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量為2319.6萬(wàn)kW，單年裝機(jī)容量首次突破2000萬(wàn)千瓦，同時(shí)累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到1.14609億kW，突破了1.1億kW，雙雙創(chuàng)下歷史記錄[1,2]。

由于風(fēng)電場(chǎng)大多地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，常采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)解決大規(guī)模風(fēng)電外送問(wèn)題。研究表明，串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)存在誘發(fā)風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩（Sub-Synchronous Oscillation，SSO）風(fēng)險(xiǎn)，不利于風(fēng)電場(chǎng)以及外送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-8]。

風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩問(wèn)題有三種類型，分別是由風(fēng)電機(jī)組控制器與固定串補(bǔ)之間的相互作用引發(fā)的次同步控制相互作用（Sub-Synchronous Control Interaction，SSCI）[9,10]；風(fēng)電機(jī)組軸系與固定串補(bǔ)之間的相互作用引發(fā)的次同步諧振（Sub-Synchronous Resonance，SSR）；風(fēng)電機(jī)組控制器或者相鄰的FACTS裝置控制器與風(fēng)電機(jī)組軸系之間的作用引發(fā)的裝置引起的次同步振蕩（Sub-Synchronous Torsional Interaction，SSTI）。

與火電機(jī)組不同，風(fēng)機(jī)的軸系自然扭振頻率較低（1～10Hz），需很高的串補(bǔ)度才能激發(fā)軸系扭振模態(tài)[4]。工程實(shí)際中串補(bǔ)度難以滿足其激發(fā)條件，風(fēng)電機(jī)組發(fā)生SSR的概率較小。風(fēng)電機(jī)組SSTI問(wèn)題尚未見(jiàn)諸文獻(xiàn)報(bào)道。因此，風(fēng)電機(jī)組的SSR和SSTI問(wèn)題并不嚴(yán)重，發(fā)生概率較大的是由風(fēng)電機(jī)組控制器和固定串補(bǔ)相互作用引起的SSCI。

與傳統(tǒng)火電機(jī)組的次同步振蕩問(wèn)題不同，SSCI是隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的次同步振蕩現(xiàn)象。本文首先介紹了 SSCI的由來(lái)以及各種類型風(fēng)電機(jī)組對(duì)其的免疫能力，繼而歸納分析了SSCI發(fā)生機(jī)理與分析方法，總結(jié)了SSCI抑制措施。最后對(duì)SSCI的后續(xù)研究思路予以展望。

1 SSCI問(wèn)題的由來(lái)

目前公布的第一起SSCI事故發(fā)生于2009年9月，在美國(guó)德克薩斯州的某風(fēng)電場(chǎng)。事故造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大量跳機(jī)以及內(nèi)部撬棒電路損壞[11]。事故發(fā)生前，該風(fēng)電場(chǎng)附近一條雙回線路中的一條發(fā)生接地故障并斷開(kāi)[12]，導(dǎo)致系統(tǒng)接線方式發(fā)生變化，串補(bǔ)度突然上升。故障發(fā)生后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)與固定串補(bǔ)間出現(xiàn)持續(xù)增大的振蕩現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)出口電壓電流畸變嚴(yán)重[13,14]，如圖 1所示。故障發(fā)生 3s后，固定串補(bǔ)保護(hù)裝置將線路的固定串補(bǔ)旁路，振蕩逐漸被抑制[11]。事后分析結(jié)果表明，本次事故中并不存在 SSR，而是由雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Double Fed Induction Generator，DFIG）的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與固定串補(bǔ)系統(tǒng)的相互作用所引起，文獻(xiàn)[13]將此種現(xiàn)象稱為次同步控制相互作用（Sub-Synchronous Control Interaction，SSCI）。

2012年12月25日，我國(guó)華北電網(wǎng)某風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生類似的次同步振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致大量風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)[6]。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)SSCI事故錄波Fig.1 Oscillography recorded at wind system during the event

與SSR和SSTI不同，SSCI與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸系扭振完全無(wú)關(guān)，只是發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)與固定串補(bǔ)間的相互作用，振蕩頻率由發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和傳輸線路參數(shù)決定[15]。同時(shí)，由于 SSCI沒(méi)有機(jī)械系統(tǒng)參與作用，系統(tǒng)對(duì)振蕩的阻尼作用較小，SSCI所導(dǎo)致的振蕩發(fā)散速度更快，危害比SSR和SSTI更嚴(yán)重。

風(fēng)電機(jī)組的SSCI與SSR、SSTI的區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 SSR、SSTI、SSCI的區(qū)別Tab.1 SSR,SSTI,SSCI’s difference

2 各種類型風(fēng)電機(jī)組的SSCI特性

目前主流的風(fēng)電機(jī)組主要有籠型異步型風(fēng)電機(jī)組、永磁同步型風(fēng)電機(jī)組和雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組。這三種機(jī)組的結(jié)構(gòu)和控制策略不同，其對(duì) SSCI的作用免疫情況也不同。

2.1 籠型異步風(fēng)電機(jī)組

籠型異步風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括定槳距風(fēng)力機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)和并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償電容器，其中風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的軸系通過(guò)齒輪箱連接。由于這種類型的風(fēng)電機(jī)組不存在電力電子控制裝置，所以不存在SSCI問(wèn)題。文獻(xiàn)[16]在PSCAD中進(jìn)行時(shí)域仿真，當(dāng)串補(bǔ)突然投入時(shí)，定子輸出有功功率、電壓和串補(bǔ)上的電流經(jīng)過(guò)短時(shí)間的小幅振蕩后變得穩(wěn)定，說(shuō)明籠型異步風(fēng)電機(jī)組不存在 SSCI問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]的研究也認(rèn)為籠型異步風(fēng)電機(jī)組不存在SSCI問(wèn)題。

圖2 籠型異步風(fēng)電機(jī)組Fig.2 Squirrel cage induction type wind turbine

2.2 永磁同步型風(fēng)電機(jī)組

在永磁同步型風(fēng)電機(jī)組中，風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)相連，不需要齒輪箱升速，發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，通過(guò)交-直-交或交-交變頻器與電網(wǎng)相連，在電網(wǎng)側(cè)得到頻率恒定的電壓，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種類型的機(jī)組由于發(fā)電機(jī)與固定串補(bǔ)經(jīng)換流器相連，并沒(méi)有直接的耦合關(guān)系，諧振電流無(wú)法進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)，因此不會(huì)發(fā)生SSCI問(wèn)題[16,18,19]。如果經(jīng)固定串補(bǔ)線路外送電力的風(fēng)電場(chǎng)采用永磁同步型風(fēng)電機(jī)組，就會(huì)避免發(fā)生SSCI。文獻(xiàn)[16]利用多機(jī)系統(tǒng)仿真，系統(tǒng)在小幅振蕩后快速恢復(fù)穩(wěn)定，所以永磁同步型風(fēng)電機(jī)組不會(huì)發(fā)生SSCI。文獻(xiàn)[18]與文獻(xiàn)[19]通過(guò)時(shí)域仿真也表明永磁同步型風(fēng)電機(jī)組會(huì)發(fā)生SSCI。

圖3 永磁同步型風(fēng)電機(jī)組Fig.3 Permanent magnet synchronous wind turbines

2.3 雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組（DFIG）

DFIG是一種采用脈寬調(diào)制技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種發(fā)電機(jī)除定子繞組與電網(wǎng)有電氣連接外，其轉(zhuǎn)子繞組也通過(guò)變流器（一般由轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器、直流電容及電網(wǎng)側(cè)逆變器組成）與電網(wǎng)相聯(lián)。通過(guò)在轉(zhuǎn)子繞組中施加變頻電流，在定子繞組中感應(yīng)出恒頻電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行。

圖4 雙饋感應(yīng)型風(fēng)電機(jī)組Fig.4 Double fed induction generator

DFIG的數(shù)學(xué)模型：定子采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子采用電動(dòng)機(jī)慣例，同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，定、轉(zhuǎn)子電壓及磁鏈方程為

式中，p為微分算子；usd、usq和isd、isq為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子電壓、電流的dq軸分量；urd、urq和ird、irq為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電壓、電流的dq軸分量；ψsd、ψsq和ψrd、ψrq為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子磁鏈的dq軸分量；ωs、ωr為定子和轉(zhuǎn)子的電氣角速度；Rs和Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻；Ls，Lr和Lm為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子的等效自感及互感，Ls=Lss+1.5Lmm，Lr=Lrr+1.5Lmm，Lm=1.5Lmm，Lss，Lrr，Lmm分別為定、轉(zhuǎn)子漏感及互感。

DFIG的控制策略主要有矢量控制策略、直接功率控制策略、直接轉(zhuǎn)矩控制策略、多標(biāo)量勵(lì)磁控制策略和雙通道勵(lì)磁控制策略等[20]。矢量控制策略現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛。矢量控制也叫做矢量變換控制或解耦控制，就是令同步坐標(biāo)系的d軸與某一電磁量的合成矢量（定向矢量）同相。定向矢量可以是定子磁鏈、電網(wǎng)電壓、氣隙磁鏈等。

采用定子磁鏈定向，令定子磁鏈ψ1與dq坐標(biāo)系中的d軸同相，即ψsd=ψ1，ψsq=0[21,22]。假設(shè)定子磁鏈恒定，忽略定子電阻，則根據(jù)式（1）有usd=0，usq=?ωsψ1。代入式（2）～式（4），可以得到轉(zhuǎn)子電壓、電流的dq軸增量方程為

式中，a1=-Lm/Ls；a2=Lr-L2m/Ls。

圖5所示為DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)框圖。采用 dq解耦的雙閉環(huán)控制，d軸采用定無(wú)功功率Qref控制，q軸根據(jù)最大風(fēng)能追蹤機(jī)理求取在某一風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出的最大功率，除去機(jī)械損耗后，將其作為DFIG輸出有功功率的參考值Pref[23]。Δps、Δqs分別為DFIG輸出的瞬時(shí)有功及無(wú)功功率變化量；kg2、ki2和kg1、ki1分別為控制器的內(nèi)、外環(huán) PI參數(shù)。

對(duì)于 DFIG的SSCI 問(wèn)題是現(xiàn)有研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]通過(guò)PSCAD仿真表明DFIG存在發(fā)生SSCI的危險(xiǎn)，并通過(guò)保持控制回路輸出信號(hào)觀察振蕩變化趨勢(shì)，表明控制回路對(duì)SSCI有重要影響。文獻(xiàn)[16]通過(guò)多機(jī)系統(tǒng)仿真，得到功率和電流振蕩曲線，表明DFIG存在發(fā)生SSCI的危險(xiǎn)。理論分析和工程實(shí)踐表明，DFIG最容易發(fā)生 SSCI問(wèn)題，特別是當(dāng)風(fēng)電通過(guò)帶固定串補(bǔ)線路送出或故障下導(dǎo)致出現(xiàn)這種運(yùn)行方式時(shí)。因此，本文以下將重點(diǎn)對(duì) DFIG的SSCI問(wèn)題進(jìn)行分析。

圖5 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制框圖Fig.5 DFIG rotor-side converter control block

3 SSCI發(fā)生的機(jī)理與特性

3.1 SSCI發(fā)生的機(jī)理

發(fā)生擾動(dòng)后，系統(tǒng)中諧振電流會(huì)在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出相應(yīng)的次同步電流，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子電流波形畸變和相位偏移。轉(zhuǎn)子側(cè)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。如果輸出電壓助增轉(zhuǎn)子電流增大，諧振電流的振蕩將會(huì)加劇，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩[7,24,25]，發(fā)生SSCI。

3.2 SSCI的特性分析

3.2.1控制器參數(shù)對(duì)SSCI的影響

文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)電流控制回路的研究，認(rèn)為控制器內(nèi)環(huán)對(duì) SSCI的影響較大，外環(huán)影響相對(duì)較小。并得出結(jié)論，轉(zhuǎn)子側(cè)電流控制回路快速、直接的特性是引起 SSCI的主要原因。文獻(xiàn)[26]和文獻(xiàn)[17]進(jìn)一步研究表明，隨著轉(zhuǎn)子側(cè)電流控制回路的內(nèi)環(huán)比例增益ki2（見(jiàn)圖5）的增大，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。線路電抗與電阻之比X/R=3時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子側(cè)電流控制回路的內(nèi)環(huán)積分增益kg2（見(jiàn)圖5）的減小，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定；X/R=9時(shí)，隨著kg2的增大，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。綜上，目前大部分研究都認(rèn)為控制器內(nèi)、外環(huán)參數(shù)對(duì) SSCI的影響很大，但也有的研究認(rèn)為與控制器有關(guān)的狀態(tài)變量并不是 SSCI的主要影響因素。

文獻(xiàn)[27]通過(guò)特征值分析，結(jié)果表明轉(zhuǎn)子側(cè)變換器內(nèi)環(huán)電流控制對(duì)振蕩模態(tài)影響較小。文獻(xiàn)[28]通過(guò)頻率掃描和特征值分析認(rèn)為SSCI的參與因子主要是電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的狀態(tài)變量，而與控制有關(guān)的狀態(tài)變量對(duì)振蕩影響較小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)變量則沒(méi)有參與。

3.2.2系統(tǒng)參數(shù)對(duì)SSCI的影響

機(jī)械系統(tǒng)雖然不參與SSCI的振蕩過(guò)程，但是SSCI發(fā)散快慢與機(jī)械系統(tǒng)提供的阻尼大小有關(guān)，而風(fēng)速影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即影響機(jī)械系統(tǒng)提供的阻尼大小，所以風(fēng)速是影響SSCI的因素；SSCI是串補(bǔ)和發(fā)電機(jī)變頻器控制裝置相互作用產(chǎn)生的，所以串補(bǔ)度也是SSCI的影響因素。

（1）風(fēng)速。文獻(xiàn)[6]通過(guò)時(shí)域仿真得出結(jié)論，隨著風(fēng)速增大，系統(tǒng)阻尼增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)。文獻(xiàn)[17,26,27]通過(guò)理論分析也得出了相同的結(jié)論。

（2）串補(bǔ)度。文獻(xiàn)[24]研究認(rèn)為隨著串補(bǔ)度的提高，系統(tǒng)等效電阻下降，甚至降為負(fù)值，使得系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。同時(shí)，振蕩頻率隨著串補(bǔ)度的升高而增大。文獻(xiàn)[17,26,27,29]分別通過(guò)理論分析和復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法分析也得出了相似的結(jié)論。

4 SSCI問(wèn)題的研究方法

與傳統(tǒng)的火電機(jī)組次同步振蕩分析方法類似，目前應(yīng)用于 SSCI的分析方法有頻率掃描分析法、特征值分析法、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法和時(shí)域仿真法，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

頻率掃描分析法是一種近似的線性方法，利用該方法分析問(wèn)題時(shí)，需將研究的相關(guān)系統(tǒng)用正序網(wǎng)來(lái)模擬；除待研究的發(fā)電機(jī)之外的網(wǎng)絡(luò)中的其他發(fā)電機(jī)用次暫態(tài)電抗等效電路來(lái)模擬，對(duì)于分析含固定串補(bǔ)的系統(tǒng)中SSR問(wèn)題十分有效。它的優(yōu)點(diǎn)是所需要的原始數(shù)據(jù)較少，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，物理概念明確；缺點(diǎn)是用它所得的結(jié)果是近似的，只能作為篩選可能發(fā)生 SSCI的系統(tǒng)的工具，無(wú)法精確地、定量地研究系統(tǒng)發(fā)生SSCI的詳細(xì)特性[3]。

特征值分析法可以分析振蕩模式及其阻尼特性；可以找出與SSCI強(qiáng)相關(guān)的參與因子，以便進(jìn)行監(jiān)測(cè)；可以對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行靈敏度分析，以便采取有效的預(yù)防對(duì)策。優(yōu)點(diǎn)是可以得到上述大量有用的信息，易得出抑制策略實(shí)施前后的特征值變化情況；缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的描述只用正序網(wǎng)絡(luò)，求特征值的矩陣階數(shù)高，可能產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)”，難以應(yīng)用于多機(jī)電力系統(tǒng)的情況。

復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法在次同步頻率范圍內(nèi)對(duì)軸系機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)及電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)進(jìn)行頻率掃描，根據(jù)使機(jī)械彈性系數(shù)和電氣彈性系數(shù)之和為零的頻率下，凈阻尼系數(shù)的正負(fù)來(lái)判定系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生次同步振蕩?？梢缘玫诫姎庾枘嵯禂?shù)隨頻率變化的全貌，還可以考慮到各種控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程及運(yùn)行工況對(duì)次同步振蕩的影響。

時(shí)域仿真可用于分析包括 SSCI在內(nèi)的各種機(jī)網(wǎng)相互作用問(wèn)題，適用于電力系統(tǒng)在各種大擾動(dòng)下的暫態(tài)分析[30-33]。優(yōu)點(diǎn)是可以得到各參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，可以計(jì)及各種非線性因素的作用；缺點(diǎn)是無(wú)法為SSCI的發(fā)生機(jī)理提供信息，而且若對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)建模將極大地增加仿真的復(fù)雜度，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、資源利用率低。

文獻(xiàn)[28]利用頻率掃描和特征值分析，得出SSCI和發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)的結(jié)論。文獻(xiàn)[34]運(yùn)用頻率掃描和時(shí)域仿真得到發(fā)生 SSCI的條件。文獻(xiàn)[19]通過(guò)時(shí)域仿真得到發(fā)生 SSCI的條件。文獻(xiàn)[18]利用頻率掃描和時(shí)域仿真，認(rèn)為含永磁同步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生SSCI。文獻(xiàn)[26]利用特征值分析得出控制系統(tǒng)參數(shù)和串補(bǔ)度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，并通過(guò)時(shí)域仿真驗(yàn)證了之前的分析。

5 SSCI的抑制措施

SSCI問(wèn)題涉及到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家、風(fēng)電場(chǎng)以及電網(wǎng)公司等多個(gè)方面，是一個(gè)包含多學(xué)科的復(fù)雜問(wèn)題，因此 SSCI問(wèn)題的解決需要多方面的配合。國(guó)內(nèi)、外文獻(xiàn)中針對(duì) SSCI的抑制措施，主要分為以下幾類[9,35-40]。

5.1 配置附加阻尼控制器（SSDC）

研究結(jié)果均表明，DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的電流控制器對(duì)SSCI影響最為顯著[9]。因此，在轉(zhuǎn)子側(cè)電流控制器上，為DFIG配置SSDC，進(jìn)而優(yōu)化DFIG的控制策略，能在一定程度上抑制SSCI。文獻(xiàn)[9,29,36,37]為DFIG設(shè)計(jì)了用于抑制SSCI的SSDC，取得了較好的抑制效果。此外文獻(xiàn)[37]中對(duì)比了加入 SSDC位置對(duì)抑制效果的影響，結(jié)果表明在轉(zhuǎn)子側(cè)換流器配置SSDC比在電網(wǎng)側(cè)換流器加入效果更顯著。

上述文獻(xiàn)只是針對(duì)單臺(tái)DFIG的SSCI問(wèn)題進(jìn)行分析，SSDC抑制效果并沒(méi)有在多機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。此外，針對(duì)SSDC的參數(shù)選擇，并沒(méi)有給出可行的SSDC的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的DFIG風(fēng)電場(chǎng)，采用此種方法對(duì)每臺(tái) DFIG配置 SSDC，具有一定的困難。

5.2 采用FACTS裝置

針對(duì)傳統(tǒng)火電機(jī)組的SSR問(wèn)題，以靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）為代表的并聯(lián)型FACTS裝置，以及以可控串補(bǔ)（TCSC）為代表的串聯(lián)型 FACTS裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于工程實(shí)際。文獻(xiàn)[38]對(duì)SVC和TCSC，文獻(xiàn)[39]對(duì)TCSC和晶閘管控制串聯(lián)電容器（GCSC），抑制風(fēng)電場(chǎng)的SSCI的控制策略分別進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，其對(duì)SSCI的阻尼效果。

采用 FACTS裝置抑制 SSCI，既可以依托于FACTS裝置原有的主要控制功能，采用附加控制的方式[40]，又可以采用專門的SSCI阻尼控制策略。該方法具有響應(yīng)速度快，抑制效果好的優(yōu)點(diǎn)，但投資較大，控制較復(fù)雜。

5.3 安裝阻塞濾波器或旁路濾波器

與抑制火電機(jī)組引發(fā)的SSR類似，在輸電線路上裝設(shè)阻塞濾波器能夠阻斷諧振電流的流動(dòng)，避免SSCI的發(fā)生。在固定串補(bǔ)上并聯(lián)旁路濾波器也能抑制SSCI，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，其原理是調(diào)整L、C、R的參數(shù)使其在工頻狀態(tài)下發(fā)生并聯(lián)諧振，則工頻電流不通過(guò)旁路濾波器；當(dāng)電路中有諧振電流時(shí)，旁路濾波器呈現(xiàn)小阻抗，諧振電路流經(jīng)旁路濾波器，相當(dāng)于在系統(tǒng)串入了電阻R，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的阻尼[13]。

圖6 旁路濾波器Fig.6 Bypass filters

5.4 合理安排系統(tǒng)運(yùn)行方式和風(fēng)電機(jī)組的比例

SSCI多發(fā)生在風(fēng)電僅通過(guò)固定串補(bǔ)送出的情況下，并且其是否發(fā)生與系統(tǒng)的運(yùn)行方式相關(guān)。因此，在規(guī)劃系統(tǒng)運(yùn)行方式時(shí)，可以基于風(fēng)電場(chǎng)的詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型，仿真分析各個(gè)運(yùn)行方式下系統(tǒng)發(fā)生SSCI的可能性，盡可能避免有可能引發(fā)SSCI的運(yùn)行方式出現(xiàn)。

此外，文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果表明，永磁同步型風(fēng)電機(jī)組不會(huì)引發(fā)SSCI問(wèn)題，而且能夠提供正阻尼，在一定程度上抑制DFIG的SSCI[16]。合理安排DFIG和永磁同步型風(fēng)電機(jī)組所占的比例，能夠在一定程度上緩解SSCI問(wèn)題。

需要指出的是，上述措施只是在理論層面具有可行性，目前還沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際工程中，實(shí)際效果還需進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

6 研究展望

預(yù)計(jì)到 2020年，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量將超過(guò)2億kW，其中海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到3 000萬(wàn)kW，風(fēng)電年發(fā)電量達(dá)到3 900億 kW時(shí)，風(fēng)電發(fā)電量在全國(guó)發(fā)電量中的比重超過(guò)5%[41]，由此而引發(fā)的次同步振蕩尤其是 SSCI問(wèn)題值得關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)方式與傳統(tǒng)火電機(jī)組有很大的區(qū)別，以往的針對(duì)火電機(jī)組 SSR問(wèn)題的建模、機(jī)理以及抑制方法還不能直接應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分析中。未來(lái)在如下幾個(gè)方面亟待深入研究。

（1）SSCI發(fā)生機(jī)理的進(jìn)一步分析?，F(xiàn)在的研究普遍認(rèn)為發(fā)生 SSCI時(shí)變流控制器感受到轉(zhuǎn)子電流變化后會(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。上述結(jié)論只是針對(duì)單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與固定串補(bǔ)作用時(shí)的定性分析，沒(méi)有考慮實(shí)際中多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互作用的影響，也沒(méi)有定量得到導(dǎo)致SSCI的關(guān)鍵參數(shù)[42]。

（2）SSCI分析方法的優(yōu)化改進(jìn)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多采用特征值法對(duì) SSCI問(wèn)題進(jìn)行分析。但實(shí)際上由于變流器等電力電子裝置電磁暫態(tài)模型較難建立，許多研究的特征值分析使用變流器的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，造成分析不準(zhǔn)確。另外，特征值法計(jì)算量大，存在嚴(yán)重的“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題，對(duì)于實(shí)際的大型風(fēng)電場(chǎng)多個(gè)機(jī)組的情況較難推廣應(yīng)用[43,44]。因此，能夠適用于工程實(shí)際的一套SSCI問(wèn)題分析方法還有待探索。

（3）風(fēng)電與火電捆綁送出方式下的次同步振蕩相關(guān)問(wèn)題研究。風(fēng)電的波動(dòng)性特點(diǎn)決定了風(fēng)電難以單獨(dú)遠(yuǎn)距離輸送，需要與一定規(guī)模的火電打捆經(jīng)串補(bǔ)或者 HVDC送出[45,46]。經(jīng)固定串補(bǔ)送出時(shí)，不但會(huì)引發(fā)風(fēng)電機(jī)組的SSCI，還可能會(huì)引發(fā)常規(guī)火電機(jī)組的SSR。經(jīng)HVDC送出時(shí)，如果火電機(jī)組與HVDC換流站電氣距離較近，會(huì)存在發(fā)生 SSTI的危險(xiǎn)[47,48]。此時(shí)的風(fēng)電、火電機(jī)組的次同步振蕩問(wèn)題將變得十分復(fù)雜，其發(fā)生機(jī)理、二者如何相互影響以及采用何種方法抑制等諸多問(wèn)題均有待深入分析研究。

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