大规模风电场并网系统次同步振荡研究综述

2020-12-20张宏伟张振东

通信电源技术 2020年7期

张宏伟，张振东

（新疆吉木乃中广核风力发电有限公司，新疆阿勒泰 836800）

1 次同步振荡产生机理

中国电网规模不断扩大，网架结构日益复杂，不同风电基地和电网相连接的方式也存在一定的差别。风电机组类型较多，控制参数之间存在一定的差异，其中还包括不同的电力电子装置，因此地区之间的振荡产生机理并不相同。根据目前国内外研究情况来看，大规模风电场并网系统次同步振荡的产生机理按照相互作用对象不同，可以分为次同步谐振、装置引起的次同步振荡、次同步控制互作用。根据过往实际事故案例来看，具体的影响因素涉及串联补偿、弱交流系统、HVDC并网的规模。第一，次同步谐振。实际上，此种类型并不是风电机组主要的次同步振荡类型。在异常运行状态下，补偿电容会和风电机组轴系定子电感之间形成次同步谐振回路，能量在次同步振荡频率的载体上，不断被交换，严重危及机组和电网的安全运行。常见的次同步谐振可以分为感应发电机效应、扭转互作用、暂态扭矩放大作用。栗然、卢云、刘会兰等学者基于上述原理，在《双馈风电场经串补并网引起次同步振荡机理分析》中对这几种效应谐振展开分析，指出风速、风机并网数量以及控制方式这几种影响因素会导致振荡产生[1]。第二，装置引起的次同步振荡。HVDC并网、风电机组变流器等控制参数设计运行方式不合理时，就会出现振荡。高本峰、张学伟、李忍等在《大规模风电送出系统的次同步振荡问题研究综述》以及于淼、谢欢等在《大规模风电场汇集地区次同步振荡研究》均对HVDC并网装置导致振荡问题展开研究[2-3]。在《大规模风电场汇集地区次同步振荡研究》中还对如何有效控制降低振荡发生的措施进行了详细的分析，提出了新型设计准则。第三，次同步控制互作用。这一振荡问题主要受到串联补偿、弱交流系统两个方面的影响，其振荡频率和输电线路串补度、风电机组控制器等设备有关。高本峰、刘晋、李忍等在《风电机组的次同步控制相互作用研究综述》中明确指出双馈风电机组在实际应用过程中，如果变流器除数电压增加，导致发电机转子中感应到次同步电流，就会在无形之中加剧振荡。此外，电网串补度的增加、风速降低等都会增加次同步控制互作用风险[4]。需要注意的是，鼠笼型风电机组因其无变流器控制编制，因此不存在次同步控制互作用。

2 次同步振荡判断方法

根据对国内外文献的总结可以发现，常见的大规模风电场并网系统次同步振荡问题分析方法有6种，分别为频率扫描分析法、特征根分析法、复转矩系数法、时域仿真法、阻抗分析法以及幅相运动分析法。本文主要针对前三种进行介绍，具体的应用方式如下。

第一，频率扫描分析法。作为一种线性方法，在实际分析过程中首先要建立正序网络；其次，计算系统中其他电网元件的次暂态等值阻抗；最后，根据得到的等值阻抗进一步分析频率变化曲线。栗然、卢云、刘会兰在《双馈风电场经串补并网引起次同步振荡机理分析》就应用此种方法分析双馈风电机组并网系统中次同步振荡产生的机理和影响因素[5]。此种方法较为便捷、成本较低、可以有效筛选出存在风险的风电机组，但在非线性元件计算中无法应用，也没有考虑到系统运行和其他因素带来的影响。所以，在应用这一计算方法是，要综合应用精确分析法，对振荡程度和特性进行进一步验证。

第二，特征根分析法。同样作为一种近似线性的分析方法，借助小扰动信号，构建线性化模型，通过求解系统状态矩阵，来判断系统稳定性。谢小荣、刘华坤、在《直驱风电机组风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性分析》中就利用了这一方法，发现了直驱风电机在并入弱交流系统后，会产生次同步振荡，主要表现为负阻特性的容性阻抗。特征根分析法物力概念清晰、理论严密，分析方法准确[6]。但是在面对大规模电力系统中，其存在的缺陷也会逐渐凸显出来，不仅无法分析连续性频率的动态特性，且无法用数学模型表达特征根和其他参数之间的关系。

第三，复转矩系数法。该种方法将频率扫描分析法和特征根分析法进行了融合，在加入小扰动信号后，分别结算计算电气和机械部分的复转矩和阻尼系数。最后，结合相应的传递函数模型以及测试曲线，得到具体的分析结果。吕世荣、刘晓鹏、郭强等在《含TCSC的电力系统次同步谐振的复转矩系数分析法》中，利用该种分析方式估算除了次同步谐振模式特征值，并且准确判断出该系统发生的次同步震荡情况。通过实时仿真和现场试验，验证了该策略的有效性，但是在实际应用过程中，还需要对其他多方面因素进行充分考虑，以此保证分析结果的准确性[7]。

三种分析方法各具优缺，时域仿真法、阻抗分析法、幅相运动分析法也是如此。因此，需要综合考虑实际情况，展开全面的计算分析，结合风电场并网系统的实际情况，有针对性选择具体分析方法，确保分析结果的准确性。

3 次同步振荡抑制措施

综合分析可知，在大规模风电场运行过程中，次同步振荡对运行稳定性造成严重的负面影响。想要有效抑制该振荡的产生，降低发生风险，就要有针对性的落实相应的抑制措施。根据前文提出的抑制机理提出了如下几点措施。

3.1 改变电气参数

改变电气参数可以从根本上处理次同步谐振问题，常见的方式包括改变系统运行方式、控制风机合理短路比、优化风电机组控制器、应用串联型FACTS装置。优化风电机组控制器是改变电气参数中应用最为广泛的一种，不仅可以提高大规模风电场并网系统抑制次同步振荡的效果，也能够降低振荡带来的负面影响。黄耀、王西田、陈昆明在《双馈风电场次同步相互作用的机理仿真验证与实用抑制策略》中针对双馈风电场中变流器电流缓和锁相环这两个风电机组控制器进行优化，从实际结果来看，有效降低了振荡发生的风险。此外，串联型FACTS装置也是一种相对较优的措施，但是从结构上看并不灵活，可靠性较低，虽然抑制效果较好，但是成本较高，尤其是对于大规模风电场而言，非常不利[8]。

3.2 附加阻尼控制

附加阻尼控制主要是针对装置引起的次同步振荡进行分析，针对风电机组变流器、并联FACTS装置进行次同步阻尼控制。从目前情况来看，后者的应用更为广泛，在实际应用过程中结构更加灵活，国内外关于该装置的次同步阻尼控制研究较多。同时，并联FACTS装置的次同步阻尼控制在工程上使用较为便捷。但是该种附加阻尼控制方式，无法单独使用，需要配合其他抑制措施，以从根本上解决同步振荡问题。朱鑫要、金梦、李建生等在《统一潮流控制器附加阻尼抑制次同步谐振的理论与仿真》中，利用并联FACTS装置和串联侧抑制措施进行配合，有效抑制了装置引起的次同步振荡问题[9]。风电机组变流器附加阻尼控制虽然也可以在一定程度上抑制次同步振荡，也不需要额外增加设备，但是极容易受到其他硬件的限制，尤其是在一些已经建成的风电场中无法得到良好的应用。

3.3 附加滤波装置

附加滤波装置可以有效解决次同步控制互作用，主要可以分为两个方面：阻塞滤波器和旁路阻尼滤波器。风电场并网系统输电线路上串联阻塞滤波器，可以有效阻断的风电机组机械系统和电网电气系统之间的相互作用，真正抑制次同步振荡产生。但需要注意的是，阻塞滤波器本身对频率较为敏感，如果元件参数出现变化，容易失谐。同时，此种设备体积较大、造价较高，维护较为困难。相比较而言，旁路阻尼滤波器与阻塞滤波器作用相同，但是抑制作用更强，可有效抑制频率在90%以下的次同步振荡。但旁路阻尼滤波器也存在一定程度的容易失谐的问题，目前并没有在实际中得到应用，还需要对其应用原理进行深层次的分析研究。