于笑，陳武暉

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇省 鎮(zhèn)江市 212013）

0 引言

次同步振蕩(subsynchronous oscillation，SSO)指電力系統(tǒng)機(jī)械或電氣元件之間以低于系統(tǒng)工頻(50/60 Hz)的頻率進(jìn)行能量交換的現(xiàn)象，會引發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性及電能質(zhì)量問題，危及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行[1-3]。該問題在工程上首次發(fā)現(xiàn)于火電機(jī)組-串補(bǔ)系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代，美國Mohave火電廠發(fā)生2次因扭振互作用(torsional interaction，TI)造成的機(jī)組大軸疲勞損壞事件[2]，引起了學(xué)者對次同步振蕩問題的廣泛關(guān)注。此后發(fā)現(xiàn)的暫態(tài)扭矩放大作用以及由電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、高壓直流輸電控制器或靜止無功補(bǔ)償器等快速控制設(shè)備引發(fā)的火電機(jī)組扭振問題均被納入次同步振蕩的概念之中[4]。經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究，火電機(jī)組參與的次同步振蕩的建模手段、分析方法、控制及保護(hù)策略已相對成熟，能夠滿足工程需求。

然而近年來，電力系統(tǒng)出現(xiàn)了變革性的發(fā)展，在電源側(cè)表現(xiàn)為以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電裝機(jī)容量迅速上升[5-6]?？紤]到環(huán)境及經(jīng)濟(jì)因素，風(fēng)力發(fā)電一般在偏遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模集中開發(fā)，風(fēng)機(jī)密集并網(wǎng)可能會造成地區(qū)電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)短路比過小，即出現(xiàn)弱交流電網(wǎng)情況[7]；此外，遠(yuǎn)距離輸電容量需求也逐漸上升，部分地區(qū)采用串補(bǔ)技術(shù)提升輸電能力[8]。因此，對于風(fēng)電并網(wǎng)可能形成以上 2種典型的網(wǎng)側(cè)環(huán)境。風(fēng)電機(jī)組本身類型復(fù)雜多樣，主要分為1—4型(即1/2/3/4型—鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)/繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)/雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)/永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī))，其中雙饋風(fēng)機(jī)(3型)與直驅(qū)風(fēng)機(jī)(4型)具有變流器并網(wǎng)接口，憑借能量轉(zhuǎn)換效率高、有功無功解耦控制等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用[9-10]。

大量包含變流器的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)引發(fā)的新型次同步振蕩問題已嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，目前工程中出現(xiàn)了雙饋風(fēng)電場-串補(bǔ)和直驅(qū)風(fēng)電場-弱電網(wǎng)2種引發(fā)次同步振蕩的場景[5,11]。由于雙饋/直驅(qū)風(fēng)機(jī)采用部分/全功率變流器并網(wǎng)，其次同步振蕩涉及到多變流器與電網(wǎng)的動態(tài)交互過程，針對這種新型次同步振蕩問題，目前常用的分析方法包括特征值分析法、時域仿真法、頻率掃描法及阻抗法。

特征值分析法基于系統(tǒng)小擾動線性化狀態(tài)空間模型，通過求解其狀態(tài)矩陣的特征根可以準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，獲取相關(guān)模態(tài)信息，另外借助參與因子與特征值靈敏度，可以確定影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素。然而對于設(shè)備眾多的大型系統(tǒng)，模型階數(shù)過高可能引發(fā)維數(shù)災(zāi)問題，降階處理則要以損失精度為代價。同時該方法需要研究者掌握目標(biāo)系統(tǒng)的完整電氣結(jié)構(gòu)，對于具有保密要求的風(fēng)機(jī)制造商來說一般難以接受，也限制了該分析方法的應(yīng)用范圍。綜上，特征值分析法適合應(yīng)用于對電氣特性明確的簡單系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析的場景。

時域仿真法基于設(shè)備的微分-代數(shù)方程建立數(shù)學(xué)模型，利用計算機(jī)數(shù)值積分算法實(shí)現(xiàn)方程組求解以獲取系統(tǒng)各變量在時域內(nèi)的運(yùn)行曲線，該方法能夠精確仿真系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，基于商業(yè)仿真平臺操作便捷。但該方法難以對現(xiàn)象機(jī)制作出闡釋，僅給出時域的結(jié)果，因此主要作為驗(yàn)證性的輔助分析方法。

頻率掃描法基于驅(qū)動點(diǎn)阻抗的概念，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)加入某一頻率的小信號擾動，檢測對應(yīng)頻率輸出信號以計算在該頻率下的阻抗值，通過不斷改變擾動信號頻率，可以辨識出系統(tǒng)頻率-阻抗特性曲線，以此判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是該方法在某些頻率附近的掃描結(jié)果精度較低，易損失關(guān)鍵信息，適用于精度要求不高的定性分析。

阻抗法[12-13]利用設(shè)備的端口外特性來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該方法將系統(tǒng)分為2個子系統(tǒng)，分別建立阻抗模型，根據(jù)所用坐標(biāo)系的不同，阻抗模型分為靜止abc坐標(biāo)系下的正負(fù)序阻抗模型和dq坐標(biāo)系下的阻抗模型，然后利用奈奎斯特或廣義奈奎斯特判據(jù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由于該方法不需要明晰設(shè)備詳細(xì)模型及參數(shù)，僅借助其端口特性進(jìn)行分析，在近年來電力電子設(shè)備大量接入電力系統(tǒng)的背景下得到了廣泛的關(guān)注。

次同步振蕩為新能源大規(guī)模并網(wǎng)引發(fā)的熱點(diǎn)問題之一，仍有諸多難題尚待研究。本文基于風(fēng)電參與的次同步振蕩工程實(shí)例，梳理了近年來次同步振蕩領(lǐng)域相關(guān)的建模與分析、控制與保護(hù)研究成果，為今后風(fēng)電次同步振蕩研究提供了參考。

1 雙饋風(fēng)電場-串補(bǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)

2009年10月，美國德州通過Ajo變電站入網(wǎng)的2座風(fēng)電場發(fā)生約20 Hz的次同步振蕩[14]。振蕩事故前因短路故障切除了一條臨近線路，使得系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生變化，風(fēng)電場通過單條串補(bǔ)線路輻射式入網(wǎng)，且線路串補(bǔ)度由 50%上升至75%。次同步振蕩期間出現(xiàn)了高達(dá)約2倍的過電壓，如圖1所示，造成2座風(fēng)電場內(nèi)大量風(fēng)電機(jī)組撬棒電路毀壞。

圖1 美國德州次同步振蕩事故電壓-電流錄波Fig. 1 Field measure during SSO incident at Texas

此外，中國華北沽源風(fēng)電集群在2010年串補(bǔ)投入后，也曾多次發(fā)生次同步振蕩現(xiàn)象[5,11]，振蕩頻率分布在3～10 Hz。從2012年底至2013年底，該地區(qū)出現(xiàn)次同步振蕩多達(dá)58次，嚴(yán)重時曾引起上千臺次風(fēng)機(jī)的脫網(wǎng)以及變壓器不正常振蕩和噪聲，嚴(yán)重地威脅了電網(wǎng)及風(fēng)電場安全運(yùn)行。

1.1 機(jī)制分析

目前研究表明以上2處次同步振蕩現(xiàn)象由風(fēng)電場內(nèi)的大量雙饋風(fēng)機(jī)與串補(bǔ)引發(fā)，其等值電路如圖2所示，機(jī)組電氣部分包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(double-fed induction generator，DFIG)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(rotor side converter，RSC)，網(wǎng)側(cè)變流器(grid side converter，GSC)。大多數(shù)研究中將眾多風(fēng)機(jī)等值為1臺機(jī)組，串補(bǔ)線路等值為R-L-C串聯(lián)電路，以單機(jī)-串補(bǔ)系統(tǒng)為對象進(jìn)行建模分析。研究結(jié)論普遍將該振蕩問題歸為感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(induction generator effect，IGE)引起的次同步諧振(subsynchronous resonance，SSR)或次同步控制互作用(subsynchronous control interaction，SSCI)[15]。

圖2 雙饋風(fēng)電場串補(bǔ)系統(tǒng)等值電路Fig. 2 Equivalent system of DFIG-based wind farms

Zhixin Miao等人較早對該次同步振蕩問題進(jìn)行了系統(tǒng)性研究[16-20]，文獻(xiàn)[16,18]分別采用特征值法和阻抗法分析了雙饋風(fēng)電場-串補(bǔ)系統(tǒng)的失穩(wěn)機(jī)制，指出IGE是引發(fā)系統(tǒng)振蕩的主要原因，低風(fēng)速、高串補(bǔ)度和不適當(dāng)?shù)腞SC電流環(huán)參數(shù)會惡化系統(tǒng)阻尼，而由于風(fēng)機(jī)軸系剛度很小，實(shí)際情況中不太可能出現(xiàn) TI。文獻(xiàn)[17]深入分析了雙饋-串補(bǔ)系統(tǒng)特征值計算結(jié)果，結(jié)合參與因子辨識出了 4種系統(tǒng)振蕩模態(tài)。文獻(xiàn)[20]基于雙饋風(fēng)機(jī)正負(fù)序阻抗模型和 dq阻抗模型分析了三相不平衡狀態(tài)下系統(tǒng)穩(wěn)定性，研究表明負(fù)序分量不會引發(fā)系統(tǒng)次同步振蕩。此外，文獻(xiàn)[21]建立了雙饋風(fēng)機(jī)完整的狀態(tài)空間模型，針對具體算例進(jìn)行了特征值與參與因子分析。頻率掃描法[22-25]和時域仿真法[26-27]也被廣泛應(yīng)用于雙饋風(fēng)機(jī)次同步振蕩研究，文獻(xiàn)[25]分析了電力電子設(shè)備中的頻率耦合現(xiàn)象，提出了一種改進(jìn)的頻率掃描方法以提高精度。文獻(xiàn)[28]基于定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分析法，從電磁轉(zhuǎn)矩的角度解釋了雙饋風(fēng)機(jī)串補(bǔ)系統(tǒng)次同步振蕩機(jī)制。文獻(xiàn)[29]基于特征值和時域仿真對大型風(fēng)電場中不同位置的風(fēng)機(jī)對次同步諧振特性影響程度進(jìn)行了比較分析。類似的，文獻(xiàn)[30]研究了不同位置的風(fēng)電場對于次同步振蕩的影響。文獻(xiàn)[31-32]利用特征值法研究了雙饋風(fēng)機(jī)全運(yùn)行區(qū)域的次同步特性，并分析了主要因素對穩(wěn)定區(qū)域面積的影響。文獻(xiàn)[33]應(yīng)用等效電阻分析了 IGE危險運(yùn)行區(qū)域，該方法物理透明度較大，分析表明IGE危險區(qū)域在系統(tǒng)自然諧振頻率對應(yīng)轉(zhuǎn)速的右側(cè)區(qū)域附近，該結(jié)論具有較強(qiáng)的普適性。文獻(xiàn)[34]進(jìn)一步引入了一種分段概率配點(diǎn)方法首次評估了雙饋風(fēng)電場 SSR在風(fēng)速不確定性條件下的隨機(jī)穩(wěn)定性問題，具有較高的工程意義。

2015年以來，謝小榮等學(xué)者基于中國沽源地區(qū)次同步振蕩實(shí)際問題進(jìn)行了研究[35-39]，文獻(xiàn)[35]通過時域仿真復(fù)現(xiàn)了沽源振蕩場景，并結(jié)合特征值法和等效電路分析了風(fēng)速、串補(bǔ)度、控制參數(shù)以及并網(wǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量對穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[37]利用沽源地區(qū)58次振蕩數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，與已有理論成果相互驗(yàn)證。文獻(xiàn)[36]基于阻抗模型提出聚合RLC電路的穩(wěn)定性量化分析方法，在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[38]提出了阻抗網(wǎng)絡(luò)模型以考慮復(fù)雜系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、風(fēng)速分布及風(fēng)機(jī)類型等因素對振蕩特性的影響，并提出了基于阻抗矩陣行列式的穩(wěn)定性判據(jù)。經(jīng)過多年研究，雙饋風(fēng)電場-串補(bǔ)系統(tǒng)次同步振蕩的機(jī)制分析已形成了較為成熟和一致的成果。此外，華北電力大學(xué)王海風(fēng)等學(xué)者提出了開環(huán)模式諧振分析方法，考慮了其他場景下雙饋風(fēng)電場的次同步振蕩問題。文獻(xiàn)[40]發(fā)現(xiàn)并分析了雙饋風(fēng)電場在無串補(bǔ)場景下出現(xiàn)的次同步振蕩現(xiàn)象，文獻(xiàn)[41]研究了包含火電機(jī)組、雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)的次同步交互作用，仿真表明該方法具有良好的準(zhǔn)確性。

1.2 控制與保護(hù)

雙饋風(fēng)電場次同步振蕩的抑制方法可以分為風(fēng)機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)抑制措施。風(fēng)機(jī)側(cè)抑制措施主要包括優(yōu)化變流器控制參數(shù)、改善控制策略、附加阻尼控制和附加陷波濾波器控制。電網(wǎng)側(cè)抑制措施主要包括改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、安裝串聯(lián)/并聯(lián)型FACTS裝置。

通過優(yōu)化控制器參數(shù)，規(guī)避雙饋機(jī)組次同步振蕩危險運(yùn)行區(qū)域，改善風(fēng)電機(jī)組的輸出阻抗特性，從而可以降低雙饋風(fēng)電場次同步振蕩風(fēng)險；在改善控制策略抑制次同步振蕩方面，文獻(xiàn)[42]比較了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用不同控制策略下的振蕩特性，研究表明采用直接轉(zhuǎn)速控制有助于提高系統(tǒng)阻尼。文獻(xiàn)[43-44]基于部分反饋線性化控制分別設(shè)計了網(wǎng)側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器次同步阻尼控制器以抑制次同步振蕩。文獻(xiàn)[45]提出了一種網(wǎng)側(cè)變流器附加阻尼控制與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器兩自由度微分控制結(jié)合的次同步振蕩抑制策略；附加阻尼控制是在變流器控制環(huán)節(jié)引入包含振蕩信息的輸入信號，控制變流器產(chǎn)生與次同步電流相位相同的次同步電壓，增強(qiáng)雙饋風(fēng)機(jī)的次同步等效電阻。文獻(xiàn)[46]在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出電壓指令位置加入附加阻尼控制，控制器由高通濾波器、比例微分控制器和限幅器組成。文獻(xiàn)[47]在相同位置引入附加阻尼控制，而其控制器由比例增益、相位補(bǔ)償、帶通濾波器和限幅環(huán)節(jié)組成。文獻(xiàn)[48]在轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率參考指令位置加入附加阻尼控制，實(shí)現(xiàn)了次同步振蕩有效抑制。文獻(xiàn)[19,49]基于特征值法和留數(shù)法對雙饋風(fēng)機(jī)附加阻尼控制的最優(yōu)輸入信號以及最優(yōu)附加位置進(jìn)行了分析。需要注意的是，由于各文獻(xiàn)中可能采用了不同的附加控制結(jié)構(gòu)或變流系統(tǒng)控制策略，因此其分析結(jié)論具有有限的普適性，需要對不同算例具體分析。文獻(xiàn)[50]首次提出在變流器控制系統(tǒng)中嵌入陷波濾波器濾除次同步頻段諧波以抑制雙饋風(fēng)機(jī)次同步振蕩，并研究了陷波濾波器嵌入不同位置的抑制效果和參數(shù)設(shè)計方法。

在雙饋風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)中，通過改變系統(tǒng)運(yùn)行方式規(guī)避振蕩風(fēng)險較大的危險運(yùn)行區(qū)域可以有效降低次同步振蕩的發(fā)生概率。在2010年10月沽源地區(qū)次同步問題產(chǎn)生之初，針對諧振多在風(fēng)電上送功率較低工況下產(chǎn)生的特點(diǎn)，采用了在沽源風(fēng)電上送功率低于100 MW情況下，臨時退出一套串補(bǔ)裝置的運(yùn)行措施，避免諧振的產(chǎn)生。該措施于2011年3月應(yīng)用后使振蕩次數(shù)大幅降低。進(jìn)入2012年12月以后，隨著沽源地區(qū)新建風(fēng)電場的大量接入，諧振的發(fā)生概率呈現(xiàn)增大趨勢，在風(fēng)電上送功率高于100 MW限值情況下，多次出現(xiàn)低頻諧振現(xiàn)象。隨后通過對每次諧振的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)跟蹤分析并結(jié)合理論研究，按照避免絕大多數(shù)諧振產(chǎn)生、同時不對沽源通道輸送極限及串補(bǔ)裝置的操作頻次產(chǎn)生明顯影響的原則，提出了沽源串補(bǔ)操作原則的調(diào)整建議，將臨時退出1套串補(bǔ)的風(fēng)電上送功率調(diào)整為250 MW。該措施建議于2014年4月對串補(bǔ)投退原則進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)一步降低了低頻諧振風(fēng)險，發(fā)生概率降低為原來的 5%以下。此外，還可以通過在電網(wǎng)側(cè)安裝 FACTS設(shè)備來抑制次同步振蕩。文獻(xiàn)[51]研究了晶閘管可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置(thyristor controlled series compensation，TCSC)控制器中附加阻尼控制，并分析識別了最優(yōu)輸入控制信號及參數(shù)設(shè)計方法。文獻(xiàn)[52]針對 TCSC抑制雙饋風(fēng)電場次同步振蕩的參數(shù)優(yōu)化問題，提出了單純形算法與電磁暫態(tài)仿真程序結(jié)合的非線性參數(shù)優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[53-54]分別研究了利用靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STAT- COM)、統(tǒng)一潮流控制器(united power flow controller，UPFC)抑制風(fēng)電場次同步振蕩的方法。文獻(xiàn)[55]利用特征值法分析了一種次同步阻尼器(subsynchronous damper，SSD)抑制雙饋風(fēng)電場次同步振蕩的效果，其原理類似于工作在次同步頻段的有源電力濾波器。近期，相關(guān)部門在沽源地區(qū)察北風(fēng)電匯集站低壓35 kV母線安裝了電網(wǎng)側(cè)次同步振蕩抑制裝置，容量為 10MV?A，裝置應(yīng)用后次同步振蕩電流幅值顯著降低。抑制方法研究總結(jié)見表1所示。

針對雙饋-串補(bǔ)系統(tǒng)次同步振蕩的保護(hù)方面，現(xiàn)有研究成果較少，文獻(xiàn)[39]提出了基于阻抗網(wǎng)絡(luò)理論的系統(tǒng)級保護(hù)方案，由分布在各風(fēng)電場的繼電保護(hù)裝置負(fù)責(zé)實(shí)時測量系統(tǒng)次同步阻抗并上傳至中央保護(hù)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在判斷系統(tǒng)失穩(wěn)后根據(jù)風(fēng)機(jī)對次同步總等值電阻的靈敏度來確定切機(jī)數(shù)量和位置。目前實(shí)際工程中，沽源地區(qū)采用旁路串補(bǔ)的臨時措施應(yīng)對嚴(yán)重的振蕩情況，但頻繁的投切串補(bǔ)會影響器件壽命，降低串補(bǔ)技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 抑制方法研究總結(jié)Tab. 1 Summary of SSO suppression methods

2 直驅(qū)風(fēng)電場-弱電網(wǎng)系統(tǒng)

新疆哈密是我國的大型風(fēng)電基地之一，其2015年網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖3所示，由于本地負(fù)荷較小，新能源難以就近消納，形成風(fēng)火打捆經(jīng)天中直流外送華中電網(wǎng)的輸電格局。風(fēng)電密集并網(wǎng)以及薄弱的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使得該地區(qū)近年來振蕩問題頻發(fā)。

圖3 新疆哈密地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Topology of power system in Hami

2015年7月1日，該地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)的次同步振蕩現(xiàn)象[5,11]，11:53:45、11:54:50、11:55:24，振蕩導(dǎo)致花園電廠2號、1號、3號機(jī)組軸系扭振保護(hù)動作跳閘(模態(tài)3，頻率30.76 Hz)，扭振幅值達(dá)到0.5 rad/s，共損失功率128萬kW；此期間，南湖電廠1號、2號機(jī)組軸系扭振保護(hù)啟動(模態(tài)2，頻率31.25 Hz)，并于20 s后復(fù)歸。機(jī)組跳閘后，國調(diào)緊急將天中直流功率由450萬kW降至300萬kW運(yùn)行。

花園電廠跳機(jī)故障，造成天山換流站聯(lián)絡(luò)變下網(wǎng)功率波動至350萬kW，西北電網(wǎng)頻率最低下降至49.91 Hz。直流近區(qū)220 kV母線電壓下降約2 kV，750 kV母線電壓下降約12 kV。對哈密變、天山換流站7月1日9:30至12:00同步相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)上述2個變電站內(nèi)各支路均存在次同步振蕩諧波，頻率在16～24 Hz波動，頻譜分析情況如圖4所示。結(jié)合扭振保護(hù)啟動時間進(jìn)行分析，表明次同步電流頻率與火電機(jī)組軸系扭振頻率互補(bǔ)時激發(fā)的軸系扭振，引起了保護(hù)動作切機(jī)。

圖4 7.1振蕩事故頻率分析結(jié)果Fig. 4 Frequency during 7.1 SSO incident

2.1 機(jī)制分析

圖5 直驅(qū)風(fēng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)Fig. 5 Typical structure of PMSG

直驅(qū)風(fēng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖5所示，電氣部分包含永磁同步發(fā)電機(jī)和交直交變流系統(tǒng)。網(wǎng)側(cè)逆變器一般采用直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制，通過鎖相環(huán)與電網(wǎng)保持同步。由于直流母線的緩沖作用，發(fā)電機(jī)和機(jī)側(cè)變流器對直驅(qū)風(fēng)機(jī)涉網(wǎng)特性的影響很小[56]，目前文獻(xiàn)大多將其等值為單一受控源，重點(diǎn)對網(wǎng)側(cè)變流器的特性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[56-57]較早研究了直驅(qū)風(fēng)機(jī)和火電機(jī)組之間的次同步動態(tài)交互作用，在建模、分析和抑制方面形成了系統(tǒng)性的研究成果。

在新疆哈密復(fù)雜振蕩問題引起廣泛關(guān)注后，通過對多次振蕩數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析并結(jié)合理論研究，目前認(rèn)為振蕩主要由直驅(qū)風(fēng)機(jī)和弱電網(wǎng)之間的動態(tài)交互作用引發(fā)。文獻(xiàn)[58]建立了單逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)合電流環(huán)模型，該研究認(rèn)為鎖相環(huán)、電流環(huán)和電網(wǎng)電抗等參數(shù)在匹配不當(dāng)?shù)那闆r下會形成正反饋?zhàn)饔迷斐上到y(tǒng)振蕩。文獻(xiàn)[59]分析了網(wǎng)側(cè)變流器次同步諧波的小信號動態(tài)響應(yīng)過程，認(rèn)為輸出分量與原擾動之間滿足一定相位關(guān)系時形成的放大效應(yīng)會導(dǎo)致振蕩。文獻(xiàn)[60]在dq坐標(biāo)下建立了網(wǎng)側(cè)變流器輸入導(dǎo)納模型，提出直驅(qū)風(fēng)機(jī)在次同步頻段表現(xiàn)出負(fù)電導(dǎo)特性，分析認(rèn)為接入弱電網(wǎng)使得風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的控制參數(shù)配置區(qū)間變小，多種因素可能激發(fā)次同步振蕩。文獻(xiàn)[61-62]通過時域仿真復(fù)現(xiàn)了哈密7.1振蕩事故，并利用特征值法和 dq坐標(biāo)下的阻抗法分析了次同步振蕩機(jī)制，表明直驅(qū)風(fēng)機(jī)在次同步頻段表現(xiàn)出負(fù)電阻、容性阻抗特性，接入感性電網(wǎng)構(gòu)成負(fù)阻尼串聯(lián)諧振電路導(dǎo)致不穩(wěn)定振蕩。文獻(xiàn)[63]利用基于阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的穩(wěn)定性分析方法研究了哈密次同步振蕩現(xiàn)象。文獻(xiàn)[64]應(yīng)用開環(huán)模式諧振分析方法，對直驅(qū)風(fēng)機(jī)鎖相環(huán)引發(fā)的次同步振蕩進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[65]借助文氏橋正弦波發(fā)生器電路分析了電力電子器件參與的寬頻振蕩問題發(fā)生機(jī)制，指出系統(tǒng)中因控制環(huán)節(jié)或延遲環(huán)節(jié)等因素會引起輸入-輸出之間的相移，在阻抗上表現(xiàn)為負(fù)電阻效應(yīng)，是系統(tǒng)發(fā)生自激振蕩的內(nèi)在機(jī)制。綜上，哈密地區(qū)復(fù)雜振蕩事件相關(guān)的理論研究處于起步階段，雖然已有研究成果從不同角度對失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了分析，但仍未形成一致的看法，有待于結(jié)合實(shí)際情況深入具體研究。

2.2 控制與保護(hù)

由于直接可依的機(jī)制分析成果較少，針對直驅(qū)風(fēng)電場-弱電網(wǎng)場景下次同步振蕩目前缺少有效的控制方法。風(fēng)電機(jī)組在設(shè)計過程中主要考慮強(qiáng)交流電網(wǎng)的情況，其控制參數(shù)對弱電網(wǎng)的適應(yīng)性較差，對控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可能有效降低振蕩風(fēng)險。文獻(xiàn)[66]基于網(wǎng)側(cè)變流器正負(fù)序阻抗模型對次同步振蕩進(jìn)行研究，并提出一種鎖相環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法以降低振蕩風(fēng)險。2016年初，哈密地區(qū)部分風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)進(jìn)行整改，且同時加強(qiáng)了750 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，整體降低了振蕩發(fā)生的概率[11]。此外，文獻(xiàn)[61]提出在網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)用附加阻尼控制實(shí)現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)機(jī)阻抗“重塑”，通過阻抗分析和時域仿真證實(shí)了該方法的有效性。

在缺乏有效的抑制措施情況下，為防止次同步振蕩加劇甚至引發(fā)汽輪機(jī)組扭振，建立完善的保護(hù)機(jī)制對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。目前南瑞繼保公司已在哈密地區(qū)布置了次同步振蕩監(jiān)控系統(tǒng)[67-68]，由檢測控制裝置、PMU和監(jiān)測分析主站3部分構(gòu)成，該方案提出了基于有功功率運(yùn)行軌跡的系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)快速識別判據(jù)，同時結(jié)合鄰近火電機(jī)組的模態(tài)頻率特征，采取分論分級的風(fēng)電機(jī)組切機(jī)策略，在火電機(jī)組扭振保護(hù)動作前快速平息電網(wǎng)次同步振蕩。該系統(tǒng)投運(yùn)近一年時間，有效平息了幾十次次同步振蕩，保證了電網(wǎng)的安穩(wěn)運(yùn)行，并且系統(tǒng)能夠保留振蕩期間整個地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，便于研究者對次同步振蕩事件實(shí)現(xiàn)全景分析。

3 結(jié)論

風(fēng)電等新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比例將持續(xù)升高，及時對風(fēng)電參與的次同步振蕩問題的發(fā)生機(jī)制和抑制措施進(jìn)行研究，對于未來風(fēng)電場的規(guī)劃和友好并網(wǎng)具有重要的意義。本文基于典型工程案例，從機(jī)制分析、控制和保護(hù)方面歸納梳理了風(fēng)電次同步振蕩相關(guān)研究成果，總結(jié)出以下2點(diǎn)。

1）雙饋風(fēng)電場經(jīng)串補(bǔ)并網(wǎng)的次同步振蕩普遍認(rèn)為是在電力電子設(shè)備積極參與下的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)引發(fā)的電氣振蕩，并與風(fēng)速、串補(bǔ)度和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流環(huán)參數(shù)密切相關(guān)，但現(xiàn)有的抑制措施實(shí)施成本較高，在復(fù)雜電網(wǎng)中的適應(yīng)性需要進(jìn)一步證實(shí)和研究。

2）直驅(qū)風(fēng)電場在弱電網(wǎng)環(huán)境下的復(fù)雜振蕩問題研究尚處于起步階段，目前認(rèn)為網(wǎng)側(cè)變流器控制參數(shù)不當(dāng)以及并網(wǎng)點(diǎn)短路比較低是引發(fā)振蕩的重要因素，工程上已采用的抑制措施對振蕩雖有緩解，但試圖從根本上解決問題還需要對振蕩機(jī)制深入研究。