大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩次同步振蕩分析方法

適用于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩問題的分析方法主要包括頻率掃描分析法、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)分析法等 。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩頻率掃描分析法

頻率掃描分析法可以篩選出具有次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)運(yùn)行方式，它是一種近似的線性方法。首先，建立風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的正序網(wǎng)絡(luò);其次，從待研究的風(fēng)電機(jī)組看向并網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)，計(jì)算系統(tǒng)中的其他電網(wǎng)元件(主要包括其他風(fēng)電機(jī)組、線路、變壓器等)的次暫態(tài)等值阻抗;然后通過計(jì)算得到SSO等值電阻和SSO等值電抗隨頻率變化的曲線當(dāng)SSO等值電抗在零附近所對(duì)應(yīng)的次同步頻率點(diǎn)上的SSO等值電阻小于零時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)較高，而且等值電阻絕對(duì)值越大電氣振蕩越容易發(fā)散。

有文獻(xiàn)采用頻率掃描分析法研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)中IGE產(chǎn)生的機(jī)理與影響因素，得出串補(bǔ)度的增加與風(fēng)速的減小會(huì)誘發(fā)IGE的產(chǎn)生。也有文獻(xiàn)采用此方法指出雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩的參與因子主要是風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的狀態(tài)變量，控制器的變量對(duì)振蕩特性影響較小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)變量幾乎對(duì)振蕩沒有影響。

頻率掃描分析法可以有效地定性篩選有次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)電機(jī)組，而且方法比較簡(jiǎn)單，成本較低。但該方法存在以下缺點(diǎn):不適用于存在電力電子等非線性元件的計(jì)算;沒有考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式以及控制器暫態(tài)特性的影響，由于簡(jiǎn)化了發(fā)電機(jī)模型，分析結(jié)果不夠精確。所以需要采用精確分析法進(jìn)一步對(duì)風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩的程度與特性進(jìn)行驗(yàn)證。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩特征根分析法

首先在系統(tǒng)中加入小擾動(dòng)信號(hào)，其次對(duì)系統(tǒng)建立線性化模型，然后通過求解系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的特征根、特征向量和相關(guān)因子來(lái)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法是特征根分析法。

右文獻(xiàn)通過特征根方法分析得到直驅(qū)風(fēng)機(jī)并入弱交流系統(tǒng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生次同步振蕩，在這種振蕩模態(tài)下，直驅(qū)風(fēng)機(jī)表現(xiàn)為具有負(fù)阻特性的容性阻抗，與電網(wǎng)產(chǎn)生諧振回路，誘發(fā)次同步振蕩的產(chǎn)生。也有文獻(xiàn)通過此方法指出雙饋風(fēng)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)速的減小和串補(bǔ)度的增加會(huì)誘發(fā)IGE，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流環(huán)控制器參數(shù)的增大會(huì)誘發(fā)SSCI的產(chǎn)生。有研究利用此方法設(shè)計(jì)了抑制風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的附加阻尼控制器，并取得了較好的效果。有文獻(xiàn)建立了雙饋風(fēng)電場(chǎng)串補(bǔ)系統(tǒng)等值模型，通過特征值靈敏度分析了各因素變化對(duì)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性與安全運(yùn)行域的影響，結(jié)果表明，串補(bǔ)度越高、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流環(huán)比例系數(shù)越大，穩(wěn)定面積越小，影響穩(wěn)定性最大的因素為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而線路串補(bǔ)度和風(fēng)機(jī)并網(wǎng)臺(tái)數(shù)對(duì)諧振頻率有重要影響。

特征根分析法科學(xué)理論嚴(yán)密，物理概念清晰，分析方法精確，可以用于優(yōu)化設(shè)計(jì)控制器以抑制次同步振蕩，適用于分析除了TA作用之外的各種次同步振蕩問題。但是其只能用于描述系統(tǒng)的正序網(wǎng)絡(luò)，且隨著電力系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，線性化系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的維數(shù)將會(huì)非常高，使用特征根法時(shí)將出現(xiàn)嚴(yán)重的“維數(shù)災(zāi)”問題。它只能用于孤立模態(tài)的動(dòng)態(tài)特性分析，不能分析連續(xù)頻率的動(dòng)態(tài)特性，且難以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)特征根與元件參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法

復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)分析法將頻率掃描方法和特征根分析方法進(jìn)行了結(jié)合，具體如下:首先對(duì)系統(tǒng)中的某一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)角度上施加一個(gè)強(qiáng)制小干擾分量△s，然后分別計(jì)算風(fēng)電機(jī)組電氣部分與機(jī)械部分的電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩，其中電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)分為電氣彈性系數(shù)和電氣阻尼系數(shù)，機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)分為機(jī)械彈性系數(shù)和機(jī)械阻尼系數(shù)。當(dāng)電氣彈性系數(shù)和機(jī)械彈性系數(shù)之和為0時(shí)，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，如果此時(shí)系統(tǒng)阻尼為負(fù)，則表明在次同步頻率。系統(tǒng)將發(fā)生次同步振蕩。電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)可以通過系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型得到。與此同時(shí)，電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)還可以通過物理系統(tǒng)的測(cè)試曲線或者時(shí)域仿真響應(yīng)曲線計(jì)算得出。

有文獻(xiàn)提出一種根據(jù)復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)頻率掃描的計(jì)算結(jié)果來(lái)估算次同步諧振模式特征值的方法，方便判斷系統(tǒng)是否發(fā)生次同步振蕩。也有文獻(xiàn)提出一種微小擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)算法用于計(jì)算含TCSC的電力系統(tǒng)次同步諧振的復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，這種算法可以推廣到復(fù)雜的大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩時(shí)域仿真法

時(shí)域仿真法是通過建立包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、電力電子裝置及電網(wǎng)元件的等值模型，在電磁暫態(tài)仿真軟件中用數(shù)值積分方法求解并網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的微分方程組，得到系統(tǒng)中變量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，從而分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的方法。時(shí)域仿真可以模擬元件從幾百納秒至幾秒之間的電磁暫態(tài)及機(jī)電暫態(tài)過程，仿真過程不僅可以考慮風(fēng)電機(jī)組、電力電子裝置的控制特性，電網(wǎng)元件(如避雷器、變壓器、電抗器等)的非線性特性，輸電線路分布參數(shù)特性和參數(shù)的頻率特性，還可以進(jìn)行線路開關(guān)操作和各種故障類型模擬。

時(shí)域仿真法的優(yōu)點(diǎn)主要有:模型適用范圍廣泛，適用于非線性設(shè)備的暫態(tài)過程模擬，詳細(xì)模擬控制和故障過程，分析不同強(qiáng)度擾動(dòng)下的次同步振蕩，可計(jì)算次同步等效電抗、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)等，為其他分析方法做仿真驗(yàn)證。但缺點(diǎn)是難以分析次同步振蕩的振蕩模式、阻尼特性、產(chǎn)生機(jī)理、影響因素和預(yù)防與抑制策略等。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩阻抗分析法

阻抗分析法通過建立電力電子裝置的小信號(hào)頻域阻抗模型，利用奈奎斯特判據(jù)或者推廣的奈奎斯特判據(jù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行判定，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的理論方法。根據(jù)建立阻抗模型所用坐標(biāo)系不同，阻抗分析又可分為:靜止坐標(biāo)中建立正負(fù)序阻抗模型和dq坐標(biāo)中建立阻抗模型。

J. Sun教授于2009年提出了基于諧波線性化的電力電子裝置正負(fù)序阻抗建模方法，得到了具有物理含義清晰的正負(fù)序阻抗以及應(yīng)用簡(jiǎn)便的穩(wěn)定性判據(jù)。本方法克服了傳統(tǒng)相量模型在頻域范圍上的局限性以及電磁暫態(tài)模型不可線性化的問題，并且在此阻抗模型基礎(chǔ)上建立的系統(tǒng)等效電路模型可以有效地揭示不同電力電子裝置(新能源變流器、FACTS及HVDC等)與電網(wǎng)之間相互作用，包括常見的次同步和超同步振蕩問題的機(jī)理和根源，為解決這些問題提供了有效的解析手段。

由于該理論是在小干擾理論下衍生的，所以它不能用于分析TA作用下的次同步振蕩，而且隨著電力電子化電力系統(tǒng)的普及，越來(lái)越多的電力電子設(shè)備并入公共電網(wǎng)，對(duì)于基于阻抗的多輸入多輸出系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)需要進(jìn)一步的深入研究。但是阻抗分析方法有一定的局限性，難以應(yīng)用到直流電壓、轉(zhuǎn)速等秒級(jí)時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)問題的分析和研究中。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩幅相運(yùn)動(dòng)分析法

有文獻(xiàn)提出了基于幅相運(yùn)動(dòng)的電力電子化電力系統(tǒng)電壓功角穩(wěn)定分析方法?？紤]直流電壓控制的影響提出了基于幅相運(yùn)動(dòng)方程的并網(wǎng)變流器建模方法，建立了內(nèi)在電勢(shì)與功率波動(dòng)之間的狀態(tài)方程，并與時(shí)域仿真、特征根方法對(duì)比證明了此方法的可行性。也有文獻(xiàn)基于幅相運(yùn)動(dòng)方程分析了電壓源換流器并入弱電網(wǎng)時(shí)電流環(huán)控制范圍內(nèi)的相互作用，提出可以將電流環(huán)分為自穩(wěn)定和與電網(wǎng)互作用2部分，通過分析得到加速電流控制將會(huì)降低系統(tǒng)阻尼，惡化系統(tǒng)穩(wěn)定性。

根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)，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)理按照相互作用的對(duì)象不同可以分為3種類型，分別是:次同步諧振(SSR)、裝置引起的次同步振蕩(SSTI)以及次同步控制互作用(SSCI) 。

次同步諧振(SSR)

次同步諧振產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示，在異常運(yùn)行狀態(tài)下，串聯(lián)補(bǔ)償電路中的補(bǔ)償電容與風(fēng)電機(jī)組軸系的定子電感之間形成次同步諧振回路，能量以某個(gè)或多個(gè)次同步振蕩頻率在風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)間不斷交換，危及風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)具體產(chǎn)生機(jī)理，次同步諧振主要包含3種類型:感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(IGE);扭轉(zhuǎn)互作用(TI);暫態(tài)扭矩放大作用(TA) 。

IGE是指在某次同步頻率下，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的等效電阻表現(xiàn)為負(fù)阻值特性，當(dāng)轉(zhuǎn)子等效負(fù)值電阻大于電網(wǎng)系統(tǒng)(輸電線路、變壓器等)和發(fā)電機(jī)定子在此頻率下等效電阻之和時(shí)，整個(gè)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的等值電阻為負(fù)值，形成電氣回路的自激，并網(wǎng)次同步電流將持續(xù)發(fā)散振蕩。IGE強(qiáng)調(diào)的是一種電氣回路的諧振現(xiàn)象。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的IGE現(xiàn)象通常發(fā)生在串補(bǔ)度非常高的情形，并且只涉及電氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，與風(fēng)電機(jī)軸系無(wú)關(guān)。風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中暫未發(fā)生扭轉(zhuǎn)互作用與暫態(tài)扭矩放大作用引起的SSO現(xiàn)象。

有文獻(xiàn)分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組(DFIG)并網(wǎng)系統(tǒng)IGE產(chǎn)生的機(jī)理與影響因素，得出串補(bǔ)度的增加與風(fēng)速的減小會(huì)誘發(fā)IGE產(chǎn)生的結(jié)論。指出由于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的背靠背變流器將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)隔離，阻止了電網(wǎng)中的次同步振蕩電流與風(fēng)電機(jī)組定子內(nèi)部繞組的相互作用。因此，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組不存在次同步諧振現(xiàn)象。有文獻(xiàn)指出雙饋型風(fēng)電機(jī)組和鼠籠風(fēng)電機(jī)組的軸系長(zhǎng)度較短，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，而且存在齒輪箱，這使得這2種類型的風(fēng)電機(jī)組軸系自然扭振頻率較低，因此只有當(dāng)輸電線路串補(bǔ)度非常高時(shí)才會(huì)引發(fā)此類型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的次同步振蕩。有文獻(xiàn)建立了雙饋風(fēng)場(chǎng)并入帶串補(bǔ)的交流系統(tǒng)等效模型，通過仿真復(fù)現(xiàn)了SSR現(xiàn)象，并利用特征根方法分析其主導(dǎo)因素為風(fēng)速、風(fēng)機(jī)并網(wǎng)數(shù)量以及控制方式，揭示了DFIG次同步諧振的產(chǎn)生機(jī)理。考慮輸電線路的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，實(shí)際工程中的串補(bǔ)度一般小于70%，電氣諧振的自激條件難以實(shí)現(xiàn)。因此，在正常情況下，SSR并不是風(fēng)電機(jī)組主要的次同步振蕩類型。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩裝置引起的次同步振蕩(SSTI)

如圖2所示，當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)中的風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組變流器、HVDC或者FACTS裝置等控制參數(shù)設(shè)計(jì)與運(yùn)行方式不合理時(shí)，風(fēng)電機(jī)組軸系可能與電力電子設(shè)備控制器之間相互作用，引起風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩。上述電力電子裝置控制器的快速響應(yīng)能力可能會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的相位差產(chǎn)生負(fù)面影響，當(dāng)兩者之間的相位差大于90度時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將引入負(fù)阻尼效應(yīng)，誘發(fā)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩。

目前，由于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以提供緊急無(wú)功支撐、提高電壓靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性以及增加系統(tǒng)輸送的容量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)。MMC-HVDC由于其輸出電壓畸變小、有功無(wú)功解藕控制等優(yōu)勢(shì)，成為海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的解決方案。但是這些電力電子裝置本身的快速響應(yīng)能力有可能誘發(fā)并加劇風(fēng)電機(jī)組發(fā)生次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

裝置引起的次同步振蕩主要研究集中在火電機(jī)組領(lǐng)域，由于風(fēng)電在實(shí)際工程中尚未遇到此問題，因此研究較少。有文獻(xiàn)研究了海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)的功率振蕩問題，提出了對(duì)VSC和風(fēng)機(jī)控制器的阻尼控制的一種新型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)討論了魯棒性與控制延遲、風(fēng)機(jī)機(jī)械共振、風(fēng)場(chǎng)可提供的阻尼以及功率曲線對(duì)實(shí)際工程阻尼設(shè)計(jì)的限制。也有文獻(xiàn)建立了風(fēng)電機(jī)組與MMC的阻抗模型，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)HVDC并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩的機(jī)理為風(fēng)電機(jī)組變流器與HVDC系統(tǒng)相互作用引起的，并提出一種有源阻尼控制方法有效地降低了振蕩發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩次同步控制相互作用(SSCI)

由風(fēng)電機(jī)組控制器與弱交流系統(tǒng)或者串聯(lián)補(bǔ)償之間的相互作用引發(fā)的次同步振蕩稱為次同步控制互作用（SSCI），SSCI與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸系扭振無(wú)關(guān)，其振蕩頻率與弱交流系統(tǒng)阻抗、輸電線路串補(bǔ)度、風(fēng)電機(jī)組控制器以及系統(tǒng)運(yùn)行方式相關(guān)。有文獻(xiàn)指出對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)電網(wǎng)中產(chǎn)生次同步電流時(shí)，如果雙饋型風(fēng)電機(jī)組變流器的輸出電壓增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)到的次同步電流，將會(huì)加劇電網(wǎng)次同步電流的振蕩，從而使DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)控制器與串補(bǔ)線路之間形成互激，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩現(xiàn)象。也有文獻(xiàn)通過理論與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了風(fēng)電機(jī)組與串補(bǔ)系統(tǒng)相互作用引起的次同步振蕩特性，揭示SSCI的產(chǎn)生主要原因是DFIG在次同步頻率下具有負(fù)阻尼特性，分析結(jié)果表明風(fēng)電機(jī)組的振蕩頻率隨著時(shí)間、電網(wǎng)運(yùn)行方式及發(fā)電機(jī)數(shù)量的不同而不斷變化。

針對(duì)次同步振蕩(subsynchronous oscillation, SSO)問題的討論最早始于20世紀(jì)30年代，但直到1970年，美國(guó)Mohave電站先后發(fā)生了2起次同步振蕩導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)組事故，才引起了廣大學(xué)者對(duì)這一問題的重視，并在世界范圍內(nèi)掀起了研究的熱潮。與汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組相比，對(duì)風(fēng)電機(jī)組次同步振蕩問題的研究起步較晚，但隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的快速增長(zhǎng)，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間相互作用引起的新型次同步振蕩問題近幾年已成為風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要挑戰(zhàn)之一。

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)由數(shù)百臺(tái)臺(tái)甚至數(shù)千臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組成，它們類型多樣(雙饋風(fēng)電機(jī)組、鼠籠式風(fēng)電機(jī)組、直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組等)，控制參數(shù)各異，而且運(yùn)行方式各不相同。風(fēng)電場(chǎng)大多地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，其并網(wǎng)點(diǎn)短路比(SCR)隨著風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)數(shù)量的增加而降低，形成弱交流系統(tǒng)。同時(shí)，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)常采用高壓直流輸電(HVDC)技術(shù)或串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離外送。相關(guān)研究表明，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并入弱交流系統(tǒng)、含串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)，以及HVDC系統(tǒng)時(shí)，均可能發(fā)生次同步振蕩。另外，在不合理的控制參數(shù)與運(yùn)行方式下，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置將可能加劇SSO問題的嚴(yán)重性，給大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 。

2009年10月，美國(guó)德州發(fā)生電網(wǎng)故障導(dǎo)致某雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過含75%串聯(lián)補(bǔ)償?shù)木€路并入電網(wǎng)，引發(fā)了20 Hz左右的次同步振蕩現(xiàn)象，系統(tǒng)電壓振蕩幅值超過2.0 pu，造成風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)及crowbar電路損壞。2011年以來(lái)，我國(guó)華北地區(qū)也多次出現(xiàn)以雙饋風(fēng)電機(jī)組為主的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)線路送出時(shí)的次同步振蕩問題。2015年7月，我國(guó)西北某以直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組為主的風(fēng)電基地，在沒有串聯(lián)補(bǔ)償?shù)那闆r下，多次出現(xiàn)次同步頻率范圍的持續(xù)功率振蕩現(xiàn)象，甚至引發(fā)200 km以外的直流送出配套火電機(jī)組扭振保護(hù)動(dòng)作切機(jī)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，影響風(fēng)電的并網(wǎng)消納 。

由于風(fēng)電場(chǎng)中存在大量類型多樣、控制參數(shù)各異的風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償裝置，且運(yùn)行方式各不相同，其并入不同特征電網(wǎng)而產(chǎn)生次同步振蕩的機(jī)理與相關(guān)特性各不相同，所使用的分析方法以及針對(duì)不同的振蕩類型所采用的抑制措施也各有區(qū)別。首先介紹了大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串聯(lián)補(bǔ)償、弱交流系統(tǒng)或HVDC并網(wǎng)引發(fā)次同步振蕩的機(jī)理，然后論述了分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的主要方法，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了次同步振蕩的抑制措施，最后對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)次同步振蕩問題未來(lái)的研究方向予以展望。

自2009年美國(guó)德州雙饋風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生次同步振蕩引起關(guān)注之后，國(guó)際上眾多學(xué)者對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的次同步振蕩進(jìn)行了大量的研究，提出了多種方法以抑制次同步振蕩的產(chǎn)生或者降低其發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)抑制機(jī)理的不同分為以下幾種類型:改變電氣參數(shù)、附加阻尼控制、附加濾波裝置 。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩改變電氣參數(shù)

（1）改變系統(tǒng)運(yùn)行方式

在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，如果已經(jīng)檢測(cè)到系統(tǒng)中存在次同步振蕩現(xiàn)象，可通過避開不安全的運(yùn)行方式來(lái)避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。例如切除風(fēng)電機(jī)組，切除無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，SVG恒電壓控制改為恒無(wú)功控制、風(fēng)電場(chǎng)或者HVDC降功率運(yùn)行等等。

（2）控制風(fēng)機(jī)合理短路比

大型直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)接入弱交流系統(tǒng)或者雙饋風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)串補(bǔ)并入電網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)，因此可在規(guī)劃階段通過評(píng)估風(fēng)電機(jī)組接入總?cè)萘颗c電網(wǎng)短路容量以及串補(bǔ)度的關(guān)系，合理規(guī)劃風(fēng)電發(fā)展。適當(dāng)增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，降低輸電線路與變壓器阻抗，提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)短路比，同時(shí)優(yōu)化輸電線路串補(bǔ)度，也可以降低次同步振蕩發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。但是增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)會(huì)大幅度地增加風(fēng)電建設(shè)成本，經(jīng)濟(jì)效益不高。建設(shè)初期合理的規(guī)劃風(fēng)電裝機(jī)容量更對(duì)解決此問題更有幫助。

（3）優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組控制器

通過優(yōu)化控制器參數(shù)、改善控制策略，提高風(fēng)電機(jī)組抑制次同步振蕩的能力，改變風(fēng)電機(jī)組的輸出阻抗特性，從而改變風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)相互作用的次同步振蕩諧振點(diǎn)，可以有效降低次同步振蕩對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害。

（4）串聯(lián)型FACTS裝置

常用來(lái)抑制風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的串聯(lián)型FACTS裝置主要包括可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器TCSC、門級(jí)控制串聯(lián)電容器、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)等。有文獻(xiàn)分析了TCSC和GCSC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩的抑制策略，并通過仿真驗(yàn)證了大干擾下對(duì)SSCI的阻尼效果。雖然串聯(lián)型FACTS裝置通過合理的設(shè)計(jì)能夠取得很好的抑制效果，但它串接于系統(tǒng)之中，結(jié)構(gòu)上不夠靈活，缺乏可靠性，且全控型的FACTS裝置價(jià)格昂貴。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩附加阻尼控制

（1）風(fēng)電機(jī)組變流器附加阻尼控制

有文獻(xiàn)指出在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)或者網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)控制系統(tǒng)中附加阻尼控制，可以抑制風(fēng)電場(chǎng)的次同步振蕩，且轉(zhuǎn)子側(cè)附加阻尼效果較好。也有文獻(xiàn)提出在DFIG的轉(zhuǎn)子換流器的控制器內(nèi)電流環(huán)d軸或者q軸上附加一個(gè)陷波器以抑制次同步振蕩，特征根分析與仿真結(jié)果證明所提方法有效，并且d軸比q軸抑制效果較好。此方法通過修改雙饋風(fēng)電機(jī)組變流控制器控制方式，引入阻尼控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)抑制次同步振蕩的方式，不需要額外增加設(shè)備，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方式。但是在工程實(shí)際中會(huì)受到控制器硬件的限制，在已建成風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組中難以增加額外的阻尼控制回路。

（2）并聯(lián)FACTS裝置的次同步阻尼控制

抑制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩的主要并聯(lián)FACTS裝置包括靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)以及超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)等。有文獻(xiàn)采用概率法研究了多運(yùn)行方式下風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩的統(tǒng)計(jì)屬性，利用參與因子分析其相互作用模式，并提出了基于附加阻尼的SVC抑制措施。也有文獻(xiàn)提出一種基于VSC的集中抑制風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)SSCI引起次同步振蕩的裝置一次同步振蕩阻尼器(SSD)，通過特征值分析設(shè)計(jì)了SSD的控制參數(shù)為SSCI提供正阻尼，并利用時(shí)域仿真驗(yàn)證所提裝置的有效性。

相比串聯(lián)型FACTS裝置，并聯(lián)型FACTS裝置在結(jié)構(gòu)上靈活可靠，在工程使用上更為方便，但是并聯(lián)型的抑制能力有限，不能從根本上解決次同步振蕩問題。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩附加濾波裝置

（1）阻塞濾波器

與抑制火電機(jī)組的次同步振蕩相似，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)輸電線路上串聯(lián)在次同步頻率下具有高阻抗，工頻下具有低阻抗特性的阻塞濾波器阻斷風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)與電網(wǎng)電氣系統(tǒng)的相互作用，從而可抑制次同步振蕩的產(chǎn)生這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是存在一些缺點(diǎn)制約了其大規(guī)模工程應(yīng)用:1)對(duì)頻率十分敏感，

當(dāng)環(huán)境溫度導(dǎo)致元件參數(shù)變化時(shí)，容易失諧;2)體積大、造價(jià)高，運(yùn)行時(shí)會(huì)有功率損耗且維護(hù)困難。

（2）旁路阻尼濾波器

旁路阻尼濾波器(BDF)是并聯(lián)在串補(bǔ)線路中，由一個(gè)電阻和多個(gè)LC并聯(lián)諧振濾波器串聯(lián)組成。正常運(yùn)行狀況下，BDF在工頻下具有高阻抗，在次同步頻率下具有低阻抗，因此濾波器中的工頻電流很小，次同步電流很大，從而抑制次同步振蕩的發(fā)生。BDF對(duì)于IGE的抑制作用最為有效，它可以抑制頻率在90%基頻以下的次同步振蕩，但是高于此范圍，BDF就無(wú)能為力了。與BF類似，BDF也存在參數(shù)整定困難、容易失諧等缺點(diǎn)，目前還沒有實(shí)際投運(yùn)的工程。

HVDC控制參數(shù)不合理可能引起次同步振蕩，稱為裝置引起的次同步振蕩(SSTI)。 1977年，美國(guó)的Square Buttez電廠在投入HVDC時(shí)，發(fā)生了第一起SSTI問題。換流器在次同步頻率范圍內(nèi)對(duì)功率、電流等進(jìn)行快速控制時(shí)，會(huì)影響到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的相位差。當(dāng)相位差超過90度，換流器會(huì)給發(fā)電機(jī)引入負(fù)阻尼，從而引發(fā)發(fā)電機(jī)軸系的次同步增幅振蕩。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，次同步振蕩問題主要出現(xiàn)在火電機(jī)組經(jīng)HVDC送出系統(tǒng)中。由于風(fēng)電發(fā)展較晚，在實(shí)際工程中，風(fēng)電經(jīng)HVDC送出尚未發(fā)生次同步振蕩問題。國(guó)內(nèi)外主要研究多集中在火電機(jī)組的次同步振蕩問題。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩風(fēng)電場(chǎng)等值方法

由于HVDC系統(tǒng)復(fù)雜的調(diào)節(jié)特性，采用時(shí)域仿真法研究風(fēng)電經(jīng)HVDC送出時(shí)的次同步振蕩問題是合理有效的。然而，時(shí)域仿真會(huì)受到計(jì)算機(jī)內(nèi)存和仿真時(shí)間的限制，仿真規(guī)模不能過大，對(duì)于含大量風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)直接進(jìn)行時(shí)域仿真在現(xiàn)階段是不可行的。因此，需要采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)電場(chǎng)等值方法對(duì)規(guī)模龐大的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值，相關(guān)研究如下。

用一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組模擬風(fēng)電場(chǎng)中所有風(fēng)電機(jī)組的方法。這種方法中，所有風(fēng)電機(jī)組通過出口變壓器接于同一母線，忽略風(fēng)速分布、功率損耗等因素，簡(jiǎn)單易行，但只能用于理想風(fēng)電場(chǎng)的等值建模中。考慮風(fēng)速差異影響的方法。該方法考慮了不同區(qū)段因尾流效應(yīng)造成的風(fēng)速差異，將每個(gè)區(qū)段的風(fēng)電機(jī)組用一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組等值，但忽略了一些約束并且以風(fēng)力機(jī)群運(yùn)行條件一致為前提，這與實(shí)際情況中風(fēng)電機(jī)組類型不盡相同的現(xiàn)狀不符。參數(shù)辨識(shí)等值建模法，這種方法借鑒同步發(fā)電機(jī)同調(diào)等值中傳遞函數(shù)的概念，基于異步機(jī)模型，使用頻域響應(yīng)辨識(shí)法的改進(jìn)算法對(duì)異步發(fā)電機(jī)的同步電抗、暫態(tài)電抗、轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)和初始轉(zhuǎn)差進(jìn)行最小二乘法擬合求取風(fēng)電場(chǎng)的等值參數(shù)。

上述方法對(duì)于風(fēng)電機(jī)組與高壓直流輸電系統(tǒng)的相互作用缺乏關(guān)注，且外送直流模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與實(shí)際工程有一定差距。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩次同步振蕩抑制措施

由于目前在風(fēng)電經(jīng)HVDC送出過程中尚未發(fā)生過次同步振蕩問題，對(duì)次同步振蕩抑制措施的研究主要集中于火電機(jī)組的SSTI抑制措施。有文獻(xiàn)提出在轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制中加入一個(gè)阻尼環(huán)節(jié)抑制風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩，其PI控制器參數(shù)須與軸系固有頻率以及其他變頻器控制參數(shù)相協(xié)調(diào)。

實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)HVDC選擇的輸入信號(hào)是從換流站母線中提取時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的振蕩信號(hào)可能過小而難以精確提取，同時(shí)，對(duì)于在機(jī)端附加阻尼控制器這一類方法，對(duì)于含眾多不同種類風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，可能難以滿足經(jīng)濟(jì)性和可行性。因此，現(xiàn)有HVDC可能無(wú)法滿足抑制風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩的要求。同時(shí)，風(fēng)火打捆經(jīng)HVDC送出場(chǎng)景下，HVDC的有效性并未得到驗(yàn)證。能否通過對(duì)SSDC進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其能同時(shí)抑制風(fēng)/火電機(jī)組次同步振蕩問題，有待深入研究。

由于我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模龐大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各風(fēng)電基地與電網(wǎng)相連接的方式也不盡相同，風(fēng)電機(jī)組類型多樣、控制參數(shù)各異，多種電力電子裝置接入，導(dǎo)致西北和華北地區(qū)振蕩機(jī)理亦不同。因此，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理、振蕩特性、影響因素、抑制策略等函待深入研究。未來(lái)的研究方向可從以下幾方面進(jìn)行。

1}無(wú)串聯(lián)補(bǔ)償?shù)囊灾彬?qū)風(fēng)電機(jī)組為主的大型風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩問題。目前針對(duì)接入弱交流系統(tǒng)下以直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組為主的風(fēng)電場(chǎng)的次同步振蕩問題研究較少，其振蕩發(fā)生機(jī)理與特性較為復(fù)雜，參與因子較多，函需開展研究。

2 ) FACTS裝置(靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC、靜止無(wú)功發(fā)生器SVG等)、VSC-HVDC等電力電子裝置對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)次同步振蕩特性的影響需要進(jìn)一步的深化研究。

3)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的異構(gòu)型多機(jī)次同步振蕩問題分析。現(xiàn)有針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)問題的研究大多以單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)為背景，多機(jī)系統(tǒng)僅考慮了相同控制參數(shù)、同種類型風(fēng)電機(jī)組的情況，未考慮不同類型、不同控制參數(shù)風(fēng)電機(jī)組間的相互作用。相應(yīng)的抑制措施同樣未考慮對(duì)風(fēng)電機(jī)組種類各異、控制參數(shù)不同而且數(shù)量龐大的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的適用性。

國(guó)外風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)過的風(fēng)電出力高風(fēng)險(xiǎn)爬坡事件曾給電網(wǎng)造成過很大損失。在我國(guó)大規(guī)模高集中風(fēng)電接入系統(tǒng)的背景下安全問題更加嚴(yán)峻，高風(fēng)險(xiǎn)爬坡事件呈現(xiàn)出難建模、難預(yù)測(cè)、難防范的顯著特點(diǎn)。本課題在時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析、風(fēng)場(chǎng)局地氣候與風(fēng)機(jī)地理布局以及風(fēng)機(jī)功率限制與狀態(tài)切換三個(gè)層面上逐層深入研究極端氣候條件下風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)特性的建模和仿真，消除了傳統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)模型在極端事件下的不適用性。提出綜合運(yùn)用高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、概率統(tǒng)計(jì)以及智能模式識(shí)別技術(shù)，建立高風(fēng)險(xiǎn)爬坡事件智能在線滾動(dòng)預(yù)測(cè)模型，通過長(zhǎng)過程仿真計(jì)算，給出計(jì)及風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)概率，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)警。協(xié)調(diào)防御體系的優(yōu)化機(jī)制方面，在空間域利用分解協(xié)調(diào)的理念將優(yōu)化問題分解為主-從迭代問題，在時(shí)間線上采用時(shí)序遞進(jìn)、滾動(dòng)協(xié)調(diào)方式通過邊界約束實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)計(jì)劃與既定計(jì)劃的協(xié)調(diào)，建立適應(yīng)多時(shí)空、多目標(biāo)、全工況的協(xié)調(diào)防御體系。

《風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)》主要內(nèi)容包括風(fēng)電場(chǎng)的組成與控制，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定和要求，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方案，風(fēng)電場(chǎng)調(diào)壓計(jì)算、潮流計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、一次部分計(jì)算、繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、調(diào)度自動(dòng)化、通信，風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行，風(fēng)能和抽水蓄能及其他儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，可再生能源發(fā)電微電網(wǎng)運(yùn)行等。

本書全面介紹了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)方面的知識(shí)及相關(guān)的主要問題，幫助讀者了解風(fēng)電并網(wǎng)的最新研究成果及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，介紹與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的主要電氣、機(jī)械知識(shí)，機(jī)械工程師可以學(xué)習(xí)到足夠的電力工程知識(shí)，使他們可以理解風(fēng)電場(chǎng)電壓控制和故障穿越問題；而電氣工程師可以從介紹的風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)中獲益。他們都需要理解電力市場(chǎng)，尤其是風(fēng)電可能如何交易。目前國(guó)內(nèi)還沒有像此書這樣綜合性地全面介紹風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)的專著。尤其在我國(guó)風(fēng)電迅速發(fā)展，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)已成為一個(gè)重大關(guān)注問題的背景下，本書有重要參考價(jià)值。

本書適用于風(fēng)力發(fā)電尤其是風(fēng)電并網(wǎng)方面的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用等方面的有關(guān)人員，包括研究、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行人員；本書也適用于可再生能源有關(guān)專業(yè)的大學(xué)本科生和研究生，也可用于教學(xué)培訓(xùn)。