大規模風電場并網系統次同步振蕩研究綜述

張宏偉，張振東

（新疆吉木乃中廣核風力發電有限公司，新疆 阿勒泰 836800）

1 次同步振蕩產生機理

中國電網規模不斷擴大，網架結構日益復雜，不同風電基地和電網相連接的方式也存在一定的差別。風電機組類型較多，控制參數之間存在一定的差異，其中還包括不同的電力電子裝置，因此地區之間的振蕩產生機理并不相同。根據目前國內外研究情況來看，大規模風電場并網系統次同步振蕩的產生機理按照相互作用對象不同，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。根據過往實際事故案例來看，具體的影響因素涉及串聯補償、弱交流系統、HVDC并網的規模。第一，次同步諧振。實際上，此種類型并不是風電機組主要的次同步振蕩類型。在異常運行狀態下，補償電容會和風電機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，嚴重危及機組和電網的安全運行。常見的次同步諧振可以分為感應發電機效應、扭轉互作用、暫態扭矩放大作用。栗然、盧云、劉會蘭等學者基于上述原理，在《雙饋風電場經串補并網引起次同步振蕩機理分析》中對這幾種效應諧振展開分析，指出風速、風機并網數量以及控制方式這幾種影響因素會導致振蕩產生[1]。第二，裝置引起的次同步振蕩。HVDC并網、風電機組變流器等控制參數設計運行方式不合理時，就會出現振蕩。高本峰、張學偉、李忍等在《大規模風電送出系統的次同步振蕩問題研究綜述》以及于淼、謝歡等在《大規模風電場匯集地區次同步振蕩研究》均對HVDC并網裝置導致振蕩問題展開研究[2-3]。在《大規模風電場匯集地區次同步振蕩研究》中還對如何有效控制降低振蕩發生的措施進行了詳細的分析，提出了新型設計準則。第三，次同步控制互作用。這一振蕩問題主要受到串聯補償、弱交流系統兩個方面的影響，其振蕩頻率和輸電線路串補度、風電機組控制器等設備有關。高本峰、劉晉、李忍等在《風電機組的次同步控制相互作用研究綜述》中明確指出雙饋風電機組在實際應用過程中，如果變流器除數電壓增加，導致發電機轉子中感應到次同步電流，就會在無形之中加劇振蕩。此外，電網串補度的增加、風速降低等都會增加次同步控制互作用風險[4]。需要注意的是，鼠籠型風電機組因其無變流器控制編制，因此不存在次同步控制互作用。

2 次同步振蕩判斷方法

根據對國內外文獻的總結可以發現，常見的大規模風電場并網系統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、復轉矩系數法、時域仿真法、阻抗分析法以及幅相運動分析法。本文主要針對前三種進行介紹，具體的應用方式如下。

第一，頻率掃描分析法。作為一種線性方法，在實際分析過程中首先要建立正序網絡；其次，計算系統中其他電網元件的次暫態等值阻抗；最后，根據得到的等值阻抗進一步分析頻率變化曲線。栗然、盧云、劉會蘭在《雙饋風電場經串補并網引起次同步振蕩機理分析》就應用此種方法分析雙饋風電機組并網系統中次同步振蕩產生的機理和影響因素[5]。此種方法較為便捷、成本較低、可以有效篩選出存在風險的風電機組，但在非線性元件計算中無法應用，也沒有考慮到系統運行和其他因素帶來的影響。所以，在應用這一計算方法是，要綜合應用精確分析法，對振蕩程度和特性進行進一步驗證。

第二，特征根分析法。同樣作為一種近似線性的分析方法，借助小擾動信號，構建線性化模型，通過求解系統狀態矩陣，來判斷系統穩定性。謝小榮、劉華坤、在《直驅風電機組風電場與交流電網相互作用引發次同步振蕩的機理與特性分析》中就利用了這一方法，發現了直驅風電機在并入弱交流系統后，會產生次同步振蕩，主要表現為負阻特性的容性阻抗。特征根分析法物力概念清晰、理論嚴密，分析方法準確[6]。但是在面對大規模電力系統中，其存在的缺陷也會逐漸凸顯出來，不僅無法分析連續性頻率的動態特性，且無法用數學模型表達特征根和其他參數之間的關系。

第三，復轉矩系數法。該種方法將頻率掃描分析法和特征根分析法進行了融合，在加入小擾動信號后，分別結算計算電氣和機械部分的復轉矩和阻尼系數。最后，結合相應的傳遞函數模型以及測試曲線，得到具體的分析結果。呂世榮、劉曉鵬、郭強等在《含TCSC的電力系統次同步諧振的復轉矩系數分析法》中，利用該種分析方式估算除了次同步諧振模式特征值，并且準確判斷出該系統發生的次同步震蕩情況。通過實時仿真和現場試驗，驗證了該策略的有效性，但是在實際應用過程中，還需要對其他多方面因素進行充分考慮，以此保證分析結果的準確性[7]。

三種分析方法各具優缺，時域仿真法、阻抗分析法、幅相運動分析法也是如此。因此，需要綜合考慮實際情況，展開全面的計算分析，結合風電場并網系統的實際情況，有針對性選擇具體分析方法，確保分析結果的準確性。

3 次同步振蕩抑制措施

綜合分析可知，在大規模風電場運行過程中，次同步振蕩對運行穩定性造成嚴重的負面影響。想要有效抑制該振蕩的產生，降低發生風險，就要有針對性的落實相應的抑制措施。根據前文提出的抑制機理提出了如下幾點措施。

3.1 改變電氣參數

改變電氣參數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運行方式、控制風機合理短路比、優化風電機組控制器、應用串聯型FACTS裝置。優化風電機組控制器是改變電氣參數中應用最為廣泛的一種，不僅可以提高大規模風電場并網系統抑制次同步振蕩的效果，也能夠降低振蕩帶來的負面影響。黃耀、王西田、陳昆明在《雙饋風電場次同步相互作用的機理仿真驗證與實用抑制策略》中針對雙饋風電場中變流器電流緩和鎖相環這兩個風電機組控制器進行優化，從實際結果來看，有效降低了振蕩發生的風險。此外，串聯型FACTS裝置也是一種相對較優的措施，但是從結構上看并不靈活，可靠性較低，雖然抑制效果較好，但是成本較高，尤其是對于大規模風電場而言，非常不利[8]。

3.2 附加阻尼控制

附加阻尼控制主要是針對裝置引起的次同步振蕩進行分析，針對風電機組變流器、并聯FACTS裝置進行次同步阻尼控制。從目前情況來看，后者的應用更為廣泛，在實際應用過程中結構更加靈活，國內外關于該裝置的次同步阻尼控制研究較多。同時，并聯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，無法單獨使用，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、李建生等在《統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FACTS裝置和串聯側抑制措施進行配合，有效抑制了裝置引起的次同步振蕩問題[9]。風電機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備，但是極容易受到其他硬件的限制，尤其是在一些已經建成的風電場中無法得到良好的應用。

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，主要可以分為兩個方面：阻塞濾波器和旁路阻尼濾波器。風電場并網系統輸電線路上串聯阻塞濾波器，可以有效阻斷的風電機組機械系統和電網電氣系統之間的相互作用，真正抑制次同步振蕩產生。但需要注意的是，阻塞濾波器本身對頻率較為敏感，如果元件參數出現變化，容易失諧。同時，此種設備體積較大、造價較高，維護較為困難。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，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，目前并沒有在實際中得到應用，還需要對其應用原理進行深層次的分析研究。

4 結 論

通過本文對大規模風電場并網系統次同步振蕩產生機理、判斷方法、抑制措施的研究論述可知，振蕩發生機理特性較為復雜，亟需開展深入研究。此外，還需要針對抑制進行深層次的考慮，分析不同類型、不同控制參數風電機組之間的相互作用，以提高大規模風電場并網系統適用性。