浅谈考虑大规模风电外送的电力系统次同步振荡问题

浅谈考虑大规模风电外送的电力系统次同步振荡问题
随着三北地区大规模风电基地的建设，使得大规模远距离外送风电成为必然。

串联补偿技术可以有效地提高线路的输送容量，减少输电损耗，但也由此引发次同步谐振问题。

由于风电系统的结构复杂，传统抑制火电外送系统的次同步谐振方法并不完全适用，因此，大规模风电外送系统的次同步振荡成为亟待解决的问题。

标签：次同步振荡，串联补偿技术，风电外送
1 电力系统次同步振荡问题概述
中国风电基地主要集中在三北地区，这些风电基地大多位置较偏，受电力负荷小等因素限制，风电消纳能力有限，大规模风电必须通过外送至其他区域电网消纳。

因此，这种资源和负荷中心的逆向分布，使得大规模、远距离外送风电成为必然趋势。

对于大规模风电外送系统，串联补偿技术可以在提高系统稳定性的基础上有效地增加线路的输送容量，减少输电损耗。

但当输电线路串联电容补偿后，处于平衡状态的电力系统受到扰动时，电力网络与汽轮发电机组彼此互激，以一个或多个低于同步频率的自然频率交换数量可观的能量，从而使汽轮发电机的轴系断裂，这种现象称为次同步谐振（subsynchrous resonance，SSR）。

近年来，随着串联电容补偿的广泛应用，次同步谐振问题发生得更加频繁，造成的危害也更加严重。

因此，在广泛采用串补技术增加输电容量的同时，避免由此引发的SSR是一个迫切需要解决的问题。

由此看来，分析电力系统SSR现象和抑制电力系统SSR的产生具有重要的理论指导意义和现实意义。

2 串联补偿技术中的次同步谐振产生机理
大规模风电外送中的串联补偿技术应用越来越广泛，这里主要讨论交流输电系统中由串联电容补偿引起的次同步谐振问题。

通过对含有串补电容的单机无穷大的输电线路来阐述串补电容引起SSR的原理，如下图所示。

频率为fe的发电机定子谐振电流会产生转速为的旋转磁场，此磁场相对于发电机转子的转速为，转子将受到频率为的交变力矩作用，当接近或等于发电机轴系的任一自然振荡频率fm时，就会发生电气-机械共振现象，即次同步谐振。

次同步谐振是由电气谐振引起的机械振荡，实质上是电网和汽轮发电机轴之间进行能量交换所产生的。

可见，次同步谐振发生的条件为。

一般来说，如果输电网络中有多处安装串联补偿电容装置，则电气系统中就会有若干个次同步频率。

汽轮发电机组由多个转子连接而成，故机械系统中有若干个自然扭振频率。

只要前者中有一个频率与后者中的一个频率“互补”，即则系统就可能发生次同步谐振。

3 传统次同步振荡的分析方法和抑制措施
目前，在SSR的分析方法中常用的大概可以分为两类，一类是定性、近似的分析，也就是筛选出可能次同步振荡的发电机组，并计算出相关的扭振模态。

这类方法主要有：频率扫描法，主要研究由串补引起的SSR问题；机组作用系数法，主要分析由高压直流输电引起的SSR问题。

另一类方法可以对SSR进行较精确和定量的研究，这类方法包括特征结构分析法、复转矩系数法、时域仿真法、测试信号法等。

SSR是由于电气系统和机械系统互激引起汽轮发电机轴系发生扭振，当系统不能提供足够的阻尼时，这种扭振幅度增大，超过轴系的弹性承受能力，轴系发生断裂。

因此，可以采用适当的措施破坏机械系统和电气系统之间的耦合，或者增加某种元件，使其向系统提供一定的阻尼，阻止轴系扭振的发散。

常见的抑制措施可以分为两类，一类是在汽轮发电机侧采取措施，代表性的抑制方法有发电机组轴系扭振继电保护、改变电力系统的运行方式、改造发电机组和系统、附加励磁阻尼控制器。

另外一類是通过改造电气网络系统，这类方法主要是通过增加滤波器或者加装FACTS装置，阻断电气系统与机械系统的耦合，减小次同步频率的电流进入发电机的可能性，从而使轴系减少或免于扭转振荡。

4 小结与展望
串联补偿技术可以有效地提升输电容量，在电力系统，特别是大规模风电外送系统中得到了广泛的应用。

从次同步振荡产生的机理出发，可以采用多种分析方法建模与分析，从而得到多种抑制次同步振荡的措施。

但是，由于风力发电系统的结构、并网方式与传统火力发电机组相比均有本质的区别，而且大规模风电基地又是由多种类型风电机组构成，导致大规模风电外送的次同步振荡问题变得十分复杂。

因此在火力发电机组及外送系统中比较成熟的次同步振荡建模、机理分析与抑制对策的研究成果还不能直接应用到大规模风电外送系统中，需要进一步研究。

随着中国大规模风电基地建设，其次同步振荡建模、分析与抑制对策将成为亟待解决的问题。

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