大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩研究綜述

張宏偉，張振東

（新疆吉木乃中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司，新疆 阿勒泰 836800）

1 次同步振蕩產(chǎn)生機(jī)理

中國(guó)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，不同風(fēng)電基地和電網(wǎng)相連接的方式也存在一定的差別。風(fēng)電機(jī)組類型較多，控制參數(shù)之間存在一定的差異，其中還包括不同的電力電子裝置，因此地區(qū)之間的振蕩產(chǎn)生機(jī)理并不相同。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理按照相互作用對(duì)象不同，可以分為次同步諧振、裝置引起的次同步振蕩、次同步控制互作用。根據(jù)過(guò)往實(shí)際事故案例來(lái)看，具體的影響因素涉及串聯(lián)補(bǔ)償、弱交流系統(tǒng)、HVDC并網(wǎng)的規(guī)模。第一，次同步諧振。實(shí)際上，此種類型并不是風(fēng)電機(jī)組主要的次同步振蕩類型。在異常運(yùn)行狀態(tài)下，補(bǔ)償電容會(huì)和風(fēng)電機(jī)組軸系定子電感之間形成次同步諧振回路，能量在次同步振蕩頻率的載體上，不斷被交換，嚴(yán)重危及機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。常見的次同步諧振可以分為感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)、扭轉(zhuǎn)互作用、暫態(tài)扭矩放大作用。栗然、盧云、劉會(huì)蘭等學(xué)者基于上述原理，在《雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)并網(wǎng)引起次同步振蕩機(jī)理分析》中對(duì)這幾種效應(yīng)諧振展開分析，指出風(fēng)速、風(fēng)機(jī)并網(wǎng)數(shù)量以及控制方式這幾種影響因素會(huì)導(dǎo)致振蕩產(chǎn)生[1]。第二，裝置引起的次同步振蕩。HVDC并網(wǎng)、風(fēng)電機(jī)組變流器等控制參數(shù)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式不合理時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)振蕩。高本峰、張學(xué)偉、李忍等在《大規(guī)模風(fēng)電送出系統(tǒng)的次同步振蕩問題研究綜述》以及于淼、謝歡等在《大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)匯集地區(qū)次同步振蕩研究》均對(duì)HVDC并網(wǎng)裝置導(dǎo)致振蕩問題展開研究[2-3]。在《大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)匯集地區(qū)次同步振蕩研究》中還對(duì)如何有效控制降低振蕩發(fā)生的措施進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了新型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。第三，次同步控制互作用。這一振蕩問題主要受到串聯(lián)補(bǔ)償、弱交流系統(tǒng)兩個(gè)方面的影響，其振蕩頻率和輸電線路串補(bǔ)度、風(fēng)電機(jī)組控制器等設(shè)備有關(guān)。高本峰、劉晉、李忍等在《風(fēng)電機(jī)組的次同步控制相互作用研究綜述》中明確指出雙饋風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果變流器除數(shù)電壓增加，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)到次同步電流，就會(huì)在無(wú)形之中加劇振蕩。此外，電網(wǎng)串補(bǔ)度的增加、風(fēng)速降低等都會(huì)增加次同步控制互作用風(fēng)險(xiǎn)[4]。需要注意的是，鼠籠型風(fēng)電機(jī)組因其無(wú)變流器控制編制，因此不存在次同步控制互作用。

2 次同步振蕩判斷方法

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，常見的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩問題分析方法有6種，分別為頻率掃描分析法、特征根分析法、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法、時(shí)域仿真法、阻抗分析法以及幅相運(yùn)動(dòng)分析法。本文主要針對(duì)前三種進(jìn)行介紹，具體的應(yīng)用方式如下。

第一，頻率掃描分析法。作為一種線性方法，在實(shí)際分析過(guò)程中首先要建立正序網(wǎng)絡(luò)；其次，計(jì)算系統(tǒng)中其他電網(wǎng)元件的次暫態(tài)等值阻抗；最后，根據(jù)得到的等值阻抗進(jìn)一步分析頻率變化曲線。栗然、盧云、劉會(huì)蘭在《雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)并網(wǎng)引起次同步振蕩機(jī)理分析》就應(yīng)用此種方法分析雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)中次同步振蕩產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素[5]。此種方法較為便捷、成本較低、可以有效篩選出存在風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)電機(jī)組，但在非線性元件計(jì)算中無(wú)法應(yīng)用，也沒有考慮到系統(tǒng)運(yùn)行和其他因素帶來(lái)的影響。所以，在應(yīng)用這一計(jì)算方法是，要綜合應(yīng)用精確分析法，對(duì)振蕩程度和特性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

第二，特征根分析法。同樣作為一種近似線性的分析方法，借助小擾動(dòng)信號(hào)，構(gòu)建線性化模型，通過(guò)求解系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，來(lái)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。謝小榮、劉華坤、在《直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)與交流電網(wǎng)相互作用引發(fā)次同步振蕩的機(jī)理與特性分析》中就利用了這一方法，發(fā)現(xiàn)了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)在并入弱交流系統(tǒng)后，會(huì)產(chǎn)生次同步振蕩，主要表現(xiàn)為負(fù)阻特性的容性阻抗。特征根分析法物力概念清晰、理論嚴(yán)密，分析方法準(zhǔn)確[6]。但是在面對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)中，其存在的缺陷也會(huì)逐漸凸顯出來(lái)，不僅無(wú)法分析連續(xù)性頻率的動(dòng)態(tài)特性，且無(wú)法用數(shù)學(xué)模型表達(dá)特征根和其他參數(shù)之間的關(guān)系。

第三，復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法。該種方法將頻率掃描分析法和特征根分析法進(jìn)行了融合，在加入小擾動(dòng)信號(hào)后，分別結(jié)算計(jì)算電氣和機(jī)械部分的復(fù)轉(zhuǎn)矩和阻尼系數(shù)。最后，結(jié)合相應(yīng)的傳遞函數(shù)模型以及測(cè)試曲線，得到具體的分析結(jié)果。呂世榮、劉曉鵬、郭強(qiáng)等在《含TCSC的電力系統(tǒng)次同步諧振的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)分析法》中，利用該種分析方式估算除了次同步諧振模式特征值，并且準(zhǔn)確判斷出該系統(tǒng)發(fā)生的次同步震蕩情況。通過(guò)實(shí)時(shí)仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該策略的有效性，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還需要對(duì)其他多方面因素進(jìn)行充分考慮，以此保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。

三種分析方法各具優(yōu)缺，時(shí)域仿真法、阻抗分析法、幅相運(yùn)動(dòng)分析法也是如此。因此，需要綜合考慮實(shí)際情況，展開全面的計(jì)算分析，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，有針對(duì)性選擇具體分析方法，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 次同步振蕩抑制措施

綜合分析可知，在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，次同步振蕩對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。想要有效抑制該振蕩的產(chǎn)生，降低發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，就要有針對(duì)性的落實(shí)相應(yīng)的抑制措施。根據(jù)前文提出的抑制機(jī)理提出了如下幾點(diǎn)措施。

3.1 改變電氣參數(shù)

改變電氣參數(shù)可以從根本上處理次同步諧振問題，常見的方式包括改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、控制風(fēng)機(jī)合理短路比、優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組控制器、應(yīng)用串聯(lián)型FACTS裝置。優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組控制器是改變電氣參數(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種，不僅可以提高大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)抑制次同步振蕩的效果，也能夠降低振蕩帶來(lái)的負(fù)面影響。黃耀、王西田、陳昆明在《雙饋風(fēng)電場(chǎng)次同步相互作用的機(jī)理仿真驗(yàn)證與實(shí)用抑制策略》中針對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)中變流器電流緩和鎖相環(huán)這兩個(gè)風(fēng)電機(jī)組控制器進(jìn)行優(yōu)化，從實(shí)際結(jié)果來(lái)看，有效降低了振蕩發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。此外，串聯(lián)型FACTS裝置也是一種相對(duì)較優(yōu)的措施，但是從結(jié)構(gòu)上看并不靈活，可靠性較低，雖然抑制效果較好，但是成本較高，尤其是對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)而言，非常不利[8]。

3.2 附加阻尼控制

附加阻尼控制主要是針對(duì)裝置引起的次同步振蕩進(jìn)行分析，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組變流器、并聯(lián)FACTS裝置進(jìn)行次同步阻尼控制。從目前情況來(lái)看，后者的應(yīng)用更為廣泛，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中結(jié)構(gòu)更加靈活，國(guó)內(nèi)外關(guān)于該裝置的次同步阻尼控制研究較多。同時(shí)，并聯(lián)FACTS裝置的次同步阻尼控制在工程上使用較為便捷。但是該種附加阻尼控制方式，無(wú)法單獨(dú)使用，需要配合其他抑制措施，以從根本上解決同步振蕩問題。朱鑫要、金夢(mèng)、李建生等在《統(tǒng)一潮流控制器附加阻尼抑制次同步諧振的理論與仿真》中，利用并聯(lián)FACTS裝置和串聯(lián)側(cè)抑制措施進(jìn)行配合，有效抑制了裝置引起的次同步振蕩問題[9]。風(fēng)電機(jī)組變流器附加阻尼控制雖然也可以在一定程度上抑制次同步振蕩，也不需要額外增加設(shè)備，但是極容易受到其他硬件的限制，尤其是在一些已經(jīng)建成的風(fēng)電場(chǎng)中無(wú)法得到良好的應(yīng)用。

3.3 附加濾波裝置

附加濾波裝置可以有效解決次同步控制互作用，主要可以分為兩個(gè)方面：阻塞濾波器和旁路阻尼濾波器。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)輸電線路上串聯(lián)阻塞濾波器，可以有效阻斷的風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)和電網(wǎng)電氣系統(tǒng)之間的相互作用，真正抑制次同步振蕩產(chǎn)生。但需要注意的是，阻塞濾波器本身對(duì)頻率較為敏感，如果元件參數(shù)出現(xiàn)變化，容易失諧。同時(shí)，此種設(shè)備體積較大、造價(jià)較高，維護(hù)較為困難。相比較而言，旁路阻尼濾波器與阻塞濾波器作用相同，但是抑制作用更強(qiáng)，可有效抑制頻率在90%以下的次同步振蕩。但旁路阻尼濾波器也存在一定程度的容易失諧的問題，目前并沒有在實(shí)際中得到應(yīng)用，還需要對(duì)其應(yīng)用原理進(jìn)行深層次的分析研究。

4 結(jié) 論

通過(guò)本文對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩產(chǎn)生機(jī)理、判斷方法、抑制措施的研究論述可知，振蕩發(fā)生機(jī)理特性較為復(fù)雜，亟需開展深入研究。此外，還需要針對(duì)抑制進(jìn)行深層次的考慮，分析不同類型、不同控制參數(shù)風(fēng)電機(jī)組之間的相互作用，以提高大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)適用性。