电力系统次同步谐振振荡的形态分析

作为电力系统稳定性的重要侧面,次同步谐振/振荡,从20世纪70年代至今,一直得到广泛的关注和研究。而随着电力系统的演变发展,SSR/SSO的形态和特征也处在不断的变化之中。1970年代,美国Mohave电厂发生的恶性SSR事件开启了机组轴系扭振与串补、高压直流等相互作用引发SSR/SSO的研究高潮;1990年代初开始,柔性交流输电系统(flexibleACtransmissionsystems,FACTS)技术兴起,推动了电力电子控制装置参与、影响以及抑制SSR/SSO的研究。21世纪以来,随着风电、光伏等新型可再生能源发电迅速发展,其不同于传统同步发电机的,采用变流器接入电网的方式,不仅影响传统的扭振特性,且与电网的互动正导致新的SSR/SSO形态,它们的内在机理和外在表现都跟传统SSR/SSO有很大的区别,难以融入IEEE在20世纪中后期逐步建立的术语与形态框架中,从而给该方向的研究和交流带来不便。目前,亟需针对SSR/SSO的新问题和新形态,扩展进而构建更通用的“学术语境”。

本文先简要回顾SSR/SSO的发展历史,重点讨论其形态分类,然后尝试提出一种新的分类方法,继而通过实例分析风电机组参与的新型SSR/SSO,最后讨论多形态SSR/SSO的共存与互动问题。

1 历史回顾

20世纪30年代,人们就认识到同步发电机和电动机对于电网中电抗与串补电容导致的次同步频率电流呈感应发电机(inductiongenerator,IG)特性,进而导致电气振荡或自励磁(self-excitation,SE)[1]。但是,1970年以前只是将发电机轴系看成一个单质块刚体,没有意识到机械扭振模式的参与。直到1970年底和1971年美国Mohave电厂先后发生2次大轴损坏事件,人们才认识到串补电网与汽轮机组机械系统之间相互作用可能导致扭振机械谐振(torsionalmechanicalresonance)的风险。

文[2]首次提出了SSR、SSO、感应发电机效应(inductiongeneratoreffect,IGE)和暂态扭矩放大(torqueamplified,TA)等概念。文[3]提出了扭振(模态)互作用(torsional(mode)interaction,TI)的概念,并说明其为串补输电系统的3种稳定性问题之一(其他2种是机电振荡和电气自激(electricalself-excitation)),并首次讨论了暂态扭矩(transienttorque)问题。

1974年,IEEE电力系统工程委员会的动态系统性能工作组成立了一个专门的工作小组来推动对SSR现象的认识,它在1976年首次公开发布了第1份IEEE委员会报告[4],并在1979年对该报告进行了第一次文献补充[5],将SSR的形态划分为感应电机效应(inductionmachineeffect,IME)和扭振(torsionaloscillation,TO)。此后每隔6年出版一次文献补遗[6-8],总结相关理论、分析方法与控制手段的最新进展。1977—1980年间,美国西部电网的Navajo电厂[9]、SanJuan电厂[10]相继出现SSR问题,以此为契机,学术界对SSR/SSO开展了大量的理论与实证研究。1980年,IEEE委员会在其报告中明确了SSR、SE(包括IGE/IME和TI)和STA(shafttorqueamplification)等术语定义[11]。

在发现串补电容导致SSR的同时,加拿大Lambton电厂发现电力系统稳定器(powersystemstabilizer,PPS)会恶化低阶扭振模态的阻尼,进而导致扭振[10]。1977年10月,在美国SquareButteHVDC系统调试中发现直流换流站与相邻汽轮发电机组的低阶扭振模态相互作用,导致HVDC-TI现象[12]。针对这些新情况,IEEE委员在1985年第2次文献补充[6]和新版定义[13]中增加了“装置型次同步振荡(devicedependentSSO)”的分类,将直流换流器、静止无功补偿器(staticvarcompensator,SVC)[14]、PSS、变速驱动以及其他宽频电力控制设备与邻近的汽轮机组之间相互作用引发的次同步振荡(SSO)归为这一类别,并针对HVDC、PSS这一类控制参与的次同步振荡问题首次提出了控制相互作用(controlinteraction,CI)的概念;而SSR 仍然限于汽轮机组与串补输电系统的相互作用。

1991年第3次文献补充[7]中提到极长、高并联电容补偿线路也可能引发低阶TI,并针对HVDC 引发的TI提出了次同步扭振互作用(subsynonoustorsionalinteraction,SSTI)的概念。1992年,IEEESSR工作组对SSR/SSO进行了概括性分类[15]：将SSR限定为串补电容与汽轮发电机

的相互作用,包括IGE、TI、TA共3类;SSO是指汽轮发电机与系统其他设备(PSS、SVC、HVDC[16]、电液调速、变速驱动变换器等)之间相互作用引发的次同步振荡。1997年,第4次文献补充[8]中阐明,轴系扭振同样存在于异步电机、柴油机组、同步电动机中。关于水轮机组相关的SSR/SSO问题,文[17]报道了具有低“发电机-水轮机惯性比”水轮机组接入直流系统的SSTI 问题;文[18]指出,接入串补电网的水轮机组也会出现IGE现象,并可能因故障导致高幅暂态扭矩。

20世纪末至今,在美国等西方国家,汽轮机组扭振相关的SSR/SSO理论与实践已逐渐成熟,且新增火电机组和串补装置减少,SSR/SSO问题不再突出,相关研究减少。而21世纪以来,中国、印度、巴西等国家的串补和直流工程增多,导致SSR/SSO问题突出,进而启动了新一轮的理论和实践工作,并取得了大量新的成果。如：文[19]深入分析了HVDC引发SSO的机理;文[20]通过优化火电经串补送出的规划和运行方案降低了SSR发生的风险;文[21]验证了在转子侧变流器控制器处加装滤波器来抑制SSO的方案的可行性;文[22]提出了叠加次同步正向电压从而对次同步电流进行阻尼的设计思路;而文[23]则从机网相互作用方式出发,通过优化晶闸管可控串联补偿装置(TCSC)的参数来抑制次同步振荡。

同时,新型发、输电技术,如可再生能源发电和柔性交直流输电技术的快速发展,带来新的SSR/SSO问题,并引起学术界和工程界的广泛关注。

1990年代兴起的FACTS技术推动了SSR/SSO两方面的研发工作：其一是包含新型串补技术的FACTS控制器,如TCSC[24]、SSSC、GCSC和UPFC等对SSR/SSO特性的影响研究;其二是基于各种串、并联或混合FACTS控制器实现对SSR/SSO的阻尼控制。同时,随着直流输电技术的发展,其对SSR/SSO的影响特性也在发生变化。基于电容换相变流器的CCC-HVDC仍跟传统LLC-HVDC一样,存在激发SSO或SSTI的风险[25]。而基于电压源变流器(voltagesourcedconverter,VSC)的柔性高压直流输电(VSC-HVDC)则仅在某些特殊工况下会导致临近机组的电气阻尼降低,但导致SSO的总体风险则大大降低[26]。对柔性交直流输电控制器的研究进一步扩展到一般性的VSC[27]。研究表明VSC可能对临近机组的阻尼产生影响,但其极性和大小跟其具体的控制策略和参数密切相关。

随着风电、光伏等可再生能源发电的迅速发展,并通过电力电子变流器大规模集群接入电网,其参与或引发的新型SSR/SSO问题得到广泛关注[28]。早期主要讨论自励磁感应发电机(self-excitedinductiongenerator,SEIG)和双馈感应发电机(doubly-fedinductiongenerator,DFIG)型风电机组与串补/HVDC相互作用引发SSR/SSO的风险[29]。分析表明,SEIG以放射式接入高串补度电网末端时,会产生感应电机自激(即IGE)和TA风险,但不会导致TI[16]。DFIG因变流器控制、特别是电流内环控制的参与,会大大加剧IGE风险[30]。典型例子如,2009年10月美国德州南部某电网因线路故障造成双馈风电机群放射式接入串补电网,引发严重SSR进而导致大量机组脱网以及部分机组损坏的事件。该新型SSO现象主要源于变流器控制与串补电网的相互作用,因而也被广泛称为次同步控制相互作用(subsynonouscontrolinteraction,SSCI)[31-32]。2011年始,我国华北沽源地区风电场在正常运行工况下也多次出现类似SSR/SSCI事件,表明在较低串补度和正常工况下,变流器控制也可能导致不稳定的SSR风险[33-34]。随后又开展了直驱风机是否会引发SSR/SSO的研究,但长期以来没有形成一致结论。文[35]认为直驱风机采用全变流器接口因而对SSTI呈显固有的免疫特性;但文[36]发现直驱风机对传统次同步振荡的整体电气阻尼有负面效应;文[37]指出直驱风机与柔性直流相互作用可能引发次同步和谐波振荡问题。直至2015年7月1日,我国新疆哈密地区发生的大范围功率振荡事件实证了：直驱风电机群与弱交流电网相互作用可能引发严重的SSR/SSO,且当其振荡功率的频率接近火电机组扭振频率时,会激发严重的轴系扭振,危害电网和机组安全运行。

2 形态分类