摘要：随着电力系统中风电渗透率不断提升，大容量风电场并网运行将加剧系统次同步振荡的风险，不利于系统的可靠运行。
关键词：风电接入；电力系统次；同步振荡；机理
1风电场接入引发电力系统次同步振荡问题分析方法
1.1频域分析法
结合奈圭斯特稳定判据的频域分析法主要包括复转矩系数法和阻抗法。频域分析法由开环子系统频率响应特性判断闭环系统稳定性，通过建立2个开环子系统之间的次同步动态交互与闭环系统稳定性的联系，能够从物理意义角度揭示次同步振荡的成因。复转矩系数法是阻尼转矩分析法在次同步振荡领域的延展，即关注点从系统的机电振荡模式扩展到系统的次同步振荡模式。复转矩分析法为机电耦合交互作用引发系统次同步振荡问题的成因给出了物理解释，即电气系统对同步机机械系统的作用等效成了负阻尼的效应。一般情况下，复转矩系数法主要应用于分析传统次同步振荡问题上，通过分析同步发电机和串联补偿输电系统之间相互作用产生次同步振荡的现象并提出了一种抑制措施，将复转矩系数法推广至多机电力系统。基于实际电力系统中出现的弱阻尼次同步振荡问题，应用复转矩系数法提出了一种适用于工程实践的次同步振荡抑制策略。传统的复转矩系数法的应用领域是分析同步发电机轴系模式参与的次同步振荡问题，而随着当前电力系统电压源换流器(VSC)的大规模应用和新能源电力系统的大规模汇入，新形态的次同步振荡问题也随之在电力系统中出现(如SSCI)。由于研究表明DFIG风机机械系统的轴系模式一般不会引发系统发生次同步振荡，因而复转矩系数法在新形态次同步振荡问题上的适用性等问题需要进行研究和验证。为扩展复转矩系数法的应用领域进行了探索。应用复转矩系数法分析DFIG控制系统引发的SSCI问题，从理论上推导了定子、转子电磁转矩与转速的关系式，从机理上对DFIG串补输电系统中出现的SSCI问题进行解释，并设计了抑制策略。但与阻抗法和模式分析法相比，复转矩分析法在风电场接入引发系统次同步振荡方面的应用并不广泛。统频域阻抗模型，是目前分析次同步振荡(尤其是SSCI等新形态次同步振荡)问题应用较为广泛的分析方法。阻抗法由以下3个步骤构成:1)将电力系统分为两个开环子系统(子系统A为研究对象，子系统B为系统的其余部分)，进而建立两个子系统之间的闭环互联模型;2)将两个开环子系统分别进行阻抗建模，得到它们的阻抗Z A(jω)、Z B(jω);3)通过奈奎斯特曲线或者过零点频率下电阻的正负，对系统次同步振荡稳定性进行判定。综上所述，频域分析法从贡献负阻尼转矩或者负电阻的角度对次同步振荡的成因给出了物理解释;将待研究的对象和电力系统其余部分分别建模为不同的开环子系统，进而通过系统闭环互联模型、结合奈奎斯特稳定判据的方式对系统的次同步振荡稳定性进行分析。但是，频域分析方法是将各个子系统作为整体进行分析，无法针对电力系统中具体动态元件之间的两两次同步交互展开分析，这是将频域分析方法应用于大规模复杂电力系统时的制约点。
1.2模式分析法
模式分析法是一种基于系统振荡模式的分析方法，针对全电力系统、直接得到系统的特征信息，判定系统的稳定性。同时，根据计算得到的参与因子不仅可以辨识参与主导次同步振荡模式的系统动态元件，还能表征不同动态元件间次同步交互作用的程度。模式分析法用于次同步振荡稳定性问题的研究由以下3个步骤构成:1)建立系统的状态空间模型，并进行线性化处理，得到状态空间矩阵;2)根据状态空间矩阵求解系统的特征值，进而得到系统所有振荡模式的阻尼和频率等信息，并辨识阻尼最低的主导次同步振荡模式;3)求解主导次同步振荡模式的特征向量和参与因子，得到系统各动态元件对该模式的参与程度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆模式分析法的概念明确，基于严密的状态空间模型的理论，可以根据得到的特征信息对系统的稳定性进行准确的判定。同时，次同步振荡模式的相关信息(如各状态变量的参与程度)可以为次同步振荡抑制器的设计提供依据。但是模式分析法在应用过程中有以下几点问题:计算结果的精度取决于系统各动态元件参数化模型的精确度;当系统中动态元件过多时，会造成状态空间矩阵维数过高，严重影响计算效率;无法具体体现动态交互作用与系统稳定性的联系，在揭示次同步振荡发生的机理上存在困难。所以，目前通常的做法是将模式分析法作为一种结果验证的有效方法。
2关于风电场接入引发系统次同步振荡问题机理研究的讨论
2.1关于频域分析法和模式分析法的讨论
频域分析法借助于系统的闭环互联模型，从风电场会贡献负阻尼转矩或者负电阻的角度对次同步振荡的成因给出了物理解释，进而将开环子系统之间的次同步交互作用与闭环系统的稳定性联系起来，但频域分析法很难辨识系统中与风机进行次同步交互的动态元件;模式分析法可以得到系统的特征信息，对参与主导次同步振荡模式的系统动态元件及相应的交互程度进行判定，但很难对风电场接入引发系统次同步振荡进行机理解释。可以看到，两种广泛应用的次同步振荡分析方法在某些方面具有一定的局限性。
2.2风电场接入引发系统次同步振荡研究亟待解决的问题
次同步振荡频率变化现象:当出现风电场接入引发电力系统次同步振荡时，系统运行人员往往会采取切除风机的措施来消除次同步振荡，根据实际系统发生的次同步振荡事故中的记录数据发现事故中不同地点振荡频率相同，但次同步振荡的频率却并不固定，随着在线风机的数量和网络的拓扑结构的变化而变化，这种频率变化现象的出现还需要从理论上进行深入探究。采用风电场聚合模型和详细模型对分析的影响:目前针对风电场接入引发系统次同步振荡的研究一般将风电场中上百台风机用聚合模型进行表示并进行分析。随着风电场规模的逐渐扩大，不仅风机分布程度更加分散，而且根据不同地点的实际情况可能选取不同种类的风机，采取聚合模型将这些因素忽略将会造成理论分析与实际工程应用的脱节。同时风电场内部的风机之间的次同步控制交互是否会随着风机数量增加而显现需要进行理论上的探索和仿真验证。风电场无串补输电系统发生次同步振荡深入机理研究:虽然对我国新疆哈密地区次同步振荡事故给出了机理解释，但由于方法本身的限制，具体是系统中哪个动态元件与风电场之间的动态交互作用引发了次同步振荡仍然不明确。因而，揭示这类系统中发生次同步振荡的机理还需要进行更为深入的研究。多种新形态次同步振荡共存及其抑制:随着新技术、新设备的不断发展和应用，系统中的动态元件数目不断增多，电力系统已经成为了复杂的非线性系统。系统中的各个元件之间的动态交互引入了多种新形态次同步振荡(如SSCI)，系统中有可能有多种形态的次同步振荡共存的现象(如哈密电网事故，SSCI导致轴系扭振保护动作)。如何对多种形态次同步振荡进行抑制从而保证系统安全可靠运行需要更多的预防性解决方案。
结语
在我国风电高速发展的背景下，大规模风电场在远距离接入并网系统的情况下，引发次同步振荡的现象将越发普遍。由于风电机组内部结构及控制策略都与传统的火电机组存在显著的区别，现有的分析与抑制策略并不能直接应用于风电场并网系统的次同步振荡问题。因此，对大规模风电并网系统进行建模、分析与抑制策略的研究具有重要的现实意义。
参考文献
［1］谢小荣，王路平，贺静波，等．电力系统次同步谐振/振荡的形态分析［J］．电网技术，2017，41(4):1043－1049．
［2］李明节，于钊，许涛，等．新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其对策研究［J］．电网技术，2017，41(4):1035－1042．
论文作者:杨超杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/21
标签：系统论文; 分析法论文; 模式论文; 电力系统论文; 子系统论文; 风电场论文; 机理论文; 《电力设备》2018年第15期论文;