大规模风电外送中的次同步振荡问题

第２７卷第１期２０１２年３月

电力科学与技术学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＩＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　　　　　　

Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１Ｍａｒ．２０１２　

大规模风电外送中的次同步振荡问题

毕天姝１，孔永乐１，肖仕武１，张　鹏１，张　涛２，刘　全２

（）华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京　１北京四方继保自动化股份有限公司，北京　１１．０２２０６；２．０００８５

摘　要：目前，中国正在建设７个千万ｋＷ级风电基地，大规模风电外送成为必然．串补交流输电和高压直流输电

作为风电外送的２种重要方式可能会诱发次同步振荡问题．分析鼠笼异步型、双馈感应型和永磁同步型风电机组论述次同步谐振、装置引起的次同步振荡以及风电机组控制器引起的次同步振荡，并分析总结不同类的结构特点，

型风电机组可能发生的次同步振荡类型．最后，指出亟待研究解决的问题．

关　键　词：次同步振荡；次同步谐振；装置引起的次同步振荡；控制器引起的次同步振荡；风力发电系统

（）中图分类号：ＴＭ７７　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７３９１４０２０１２０１００１００６－－－

Ｒｅｖｉｅｗｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌａｒｅｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｗｅｒ　　－　　　－　　　ｙｇｐ

１１１１２２

，ＫＯＮＧ，，，ＢＩＴｉａｎｓｈｕＹｏｎｌｅＸＩＡＯＳｈｉｕＺＨＡＮＧＰｅｎＺＨＡＮＧＴａｏＬＩＵ　Ｑｕａｎ　－　－　－ｗ　　ｇｇ，

（，Ｎ１．ＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＡｌｔｅｒｎａｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｓｔｅｍ　ｗｉｔｈＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒＳｏｕｒｃｅｓｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃ　　　　　　　　　ｙｙｙｇｙ　　　

，；，，）ＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ２．ＢｅｉｉｎＳｉｆａｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．Ｂｅｉｉｎ１０００８５，Ｃｈｉｎａ　　ｙｊｇｊｇｇｊｇ　　　　

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＮｏｗ，Ｃｈｉｎａｉｓｂｕｉｌｄｉｎ７ｗｉｎｄｏｗｅｒｂａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃａａｃｉｔｏｖｅｒｔｅｎｍｉｌｌｉｏｎｋｉｌｏｗａｔｔｓ　　　　　　　　　　ｇｐｙｐ　　ａｎｄｔｈｅｌａｒｅｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｅｓｓｅｎｔｉａｌｄｕｅｔｏｔｈｅｕｎｂａｌａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｗｅｒ　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｌｏａｄｓ．ＳｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄＡＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｈｉｈｖｏｌｔａｅＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　　　　　　　　　　ｐｇｇ（，，ｍＨＶＤＣ）ａｓｔｗｏｍａｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｓａｌｅａｄｔｏｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｗｈｅｎｔｈｅ　　　　　　－　　　ｙｙｙ　ａｒｅｏｗｅｒｅｎｅｒａｔｏｒｓａｌｉｅｄｔｏｗｉｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ　　　　　　　　　　　ｐｐｐｇ，，ｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄｉｎｔｈｉｓａｅｒｉｎｃｌｕｄｉｎｓｕｉｒｒｅｌｃａｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｅｎｅｒａｔｏｒ（ＳＣＩＧ）ｄｏｕｂｌｆｅｄｉｎ　　　　　　　－　－ｙｐｐｇｑｇｇｙ　ｄｕｃｔｉｏｎｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ）ａｎｄｅｒｍａｎｅｎｔｍａｎｅｔｉｃｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｅｎｅｒａｔｏｒ（ＰＭＳＧ）．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓ　　　　　　ｇｐｇｙｇ，，ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｉ．ｅ．ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＳＳＲ）ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｏｆ　－　－　－　－ｙｙｙ），ｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ（ＳＳＴＩａｎｄｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｏｆ　　　　－　　　　ｙｙｙ　　）ｗ，ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ（ＳＳＣＩｅｒｅｃｌａｒｉｆｉｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｈｅｏｓｓｉｂｌｅｔｅｓｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａ　　　　　　　－　－ｐｙｐｙ，ｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｅｎｅｒａｔｏｒｓｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｔｈｅｕｒｅｎｔ　　　　　　　　　　　　ｇｙｇｎｅｅｄｔｏｂｅｓｔｕｄｉｅｄｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄａｓｗｅｌｌ．ｒｏｂｌｅｍｓ　　　　　　　　ｙｐ

收稿日期：２０１２－０２－２８

“”（）基金项目：国家高技术研究发展计划（计划）８６３２０１２ＡＡ０５０２０８

，通讯作者：毕天姝（女，博士，教授，博士生导师，主要从事电力系统保护与控制、广域同步相量测量技术及应用、故障诊断等研究；１９７３－）

：Ｅ－ｍａｉｌｔｓｂｉｃｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＠ｎｐ

第２７卷第１期毕天姝，等：大规模风电外送中的次同步振荡问题

１１　

：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＳＳＲ）ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓ－　－　－　－ｙｙｙｙ　）；ｃｉｌｌａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｄｅｖｉｃｅｓ（ＳＳＴＩｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　　　－　　　ｙｙｙ　　）；ｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ（ＳＳＣＩｗｉｎｄｏｗｅｒｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｓｔｅｍ　　　　　ｐｇｙ１９世　　次同步振荡最早发现于火力发电系统中．美国Ｍ纪７０年代，ｏｈａｖｅ电厂次同步振荡事故导致其发电机大轴损坏，引起学术界次同步振荡研究的热潮，并在机理分析、分析方法及抑制对策等方面取

］１－２得显著成果［．

轴三部分，与火电机组相比较短，而且齿轮箱的存在约为０．使得风电机组轴系的刚度很小，１５～０．４０．轴系的柔性使得风电机组轴系的自然扭振频率很

［］

小，一般在１～２Ｈｚ８－９．

双馈感应型风电机组可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，这一良好的调节特性使其成为市场目前主流机型之一．双馈感应型风电机组采用双馈感应发电机转化能量，发电机定子与电网直接连／／接．转子通过一个ＡＣＤＣＡＣ变频器与电网连接，风电机组不要求以固定速度运行，转速可以通过变

９］频器动态控制调节［双馈感应型风电机组的轴系．

当今大规模开发利用风电已成为中国能源战略“的重要组成部分．十二五”期间，在甘肃、新疆、河北、吉林、内蒙古、江苏等地规划建设７个千万ｋＷ

］３－４

级风电基地［由于资源与负荷中心逆向分布，使．

得大容量、远距离风电外送势在必行．串补电容技术和高压直流输电技术能够有效提高线路输送容量，是实现大规模风电外送的２种主要方式，但可能会诱发风电系统的次同步振荡问题，影响大规模风电

］５－６基地及外送系统的安全稳定运行［．

也具有低自然扭振和鼠笼异步型风电机组相类似，频率的特点．

永磁同步型风电机组采用永磁体励磁，效率高，是目前市场上另外一种主流机型．永磁同步型风电机组采用永磁同步发电机实现能量转换．其定子与电网不直接耦合，通过全功率ＡＣＤＣＡＣ变频器＼＼与电网连接，因此，轴系很难与电网电气量直接耦合由于永磁同步型电机组轴系不存在齿轮产生扭振．

箱，风轮和发电机直接连接，其轴系刚度比以上２种风电机组要大．

美国德克萨斯州的一处风电场２００９年１０月，发生了串补电容引起的次同步振荡事故，造成风电

７］场大量机组跳机以及大量撬棒电路损坏［这次事．

越来越多的学者认识到风力发电系统次同步故后，

振荡问题严重，开始对此问题进行研究．

笔者在分析３种常见风电机组结构的基础上，分析总结不同类型风力发电系统可能发生的次同步并阐述当前研究现状，指出亟待研究解决振荡类型，的问题．

２　大规模风电外送中的次同步振荡问

题分析

　　风电机组结构特点决定了其在采用串补或ＨＶＤＣ外送输电时的次同步振荡问题和火电机组不完全相同．除了可能发生次同步谐振和装置引起的次同步振荡外，风电机组内部变频器控制同样可

１０］能引起次同步振荡问题［．

１　风电机组结构

主流风电机组主要有鼠笼异步型风电机组、双馈感应型风电机组和永磁同步型风电机组．这３类风电机组由于拓扑结构不同，其利用串联电容补偿技术或高压直流输电技术外送风电可能发生的次同步振荡类型也不同．

鼠笼异步型风电机组结构简单，是风力发电中最早使用的机型，目前，风电场中还存在一定数量的此类风电机组．鼠笼异步型风电机组采用鼠笼异步发电机转换能量，发电机正常运行时速度仅在很小其轴系主要包括高速轴、齿轮箱和低速范围内变化．

２．１　次同步谐振（ＳＳＲ）

次同步谐振是火力发电中经常遇到的次同步振荡现象之一．早在１美国Ｍ９７０和１９７１年，ｏｈａｖｅ电站发生的发电机大轴扭振破坏就是该类型的次同步

１１］振荡引起的［．ＩＥＥＥ工作组将同步谐振定义为次

在这种运行状态电力系统的一种不正常运行状态，

１２

电力科学与技术学报　　　　　　　　　　　　　２０１２年３月

下，电气系统和汽轮发电机组以低于系统同步频率的某个和多个振荡频率显著交换能量，从而危害汽

１２］轮发电机安全的动态过程［．

流同样可以进入发电机定子绕组内导致次同步谐振．但这２种风电机组的自然扭振轴系频率很低，要想激发风电机组轴系低频率的扭振模态，需要很高谐振频率的电流，．因此，同等串补度下，鼠笼异步型和双馈应型风电机组发生次同步谐振比火电机组难．对于永磁同步型风电机组，由于发电机与电网没有直接耦合，次同步谐振电流无法进入发电机定子绕组内，因此，永磁同步．

次同步谐振机理、分析方法和抑制方面的研究但主要集中在传统火力发电系统上，风力发电很多，

系统次同步谐振问题研究则刚刚起．文献［１４－］初步探讨了鼠笼异步型风电机组采用串补外送１８

风电时发生次同步谐振的机理，利用时域仿真法研究了鼠笼异步型风电机组次同步谐振的影响因素，指出了线路串补度和风电场出力影响谐振发散程串补度越高，输出有功功率越高，则次同步谐振度．

发散越严重．上述文献还尝试了利用ＦＡＣＴＳ控制，、可控串补（器（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｅｎｓａｔｏｒＳＶＣ）Ｔｈ　　－ｐｙ，、静止同ｒｉｓｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＳｅｒｉｅｓＣａａｃｉｔｏｒＴＣＳＣ）　　　ｐ，步无功补偿器（ＳｔａｔｉｃＳｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣｏｍｅｎｓａｔｏｒ　　ｙｐ和统一潮流控制器（ＳＴＡＴＣＯＭ）ＵｎｉｆｉｅｄＰｏｗｅｒ　，来抑制鼠笼异步型风电机ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵＰＦＣ）Ｆｌｏｗ　组次同步谐振，给出了抑制措施的仿真结果．

］文献［建立了用于次同步谐振分析的双馈感１９应型风电机组模型，利用特征值分析法和时域仿真法分析了影响双馈感应型风电机组次同步谐振的主研究发现：风速越低、串补度越高，双馈感应要因素．

严重．文献［为双馈感２０］应型风电机组设计了Ｓ并通过算例ＳＲ阻尼控制器，仿真验证了有效性．

然而，上述研究中的模型大部分是单机－无穷大等值系统模型，即将整个风场简单等值为１台风电机组；为仿真产生Ｓ７ＳＲ０％以，与实际系统不符；研究方法基本只使用时域仿真法，尚不能从机理层面揭示发生次同步谐振的原因．

）２．２　装置引起的次同步振荡（ＳＳＴＩ

高压直流输电（及ＦＨＶＤＣ）ＡＣＴＳ等电力电子装置的控制器参数不合理也可能引起发电机次同步振荡，统称为装置引起的次同步振荡．美国１９７７年，

考虑图１所示的风电外送等值系统，电气系统的自然谐振频率为

ＣＸＬ．ｆｅｆ０ｒ＝

（）１

式中　ｆ０为同步频率．在次同步频率下，发电机的等值电阻为负，如果该负值超过变压器和输电线路等值电阻系统则会产生负阻尼，系统会因为感应发

１３］

电机效应而发生次同步谐振［图１　采用串补输电的风电外送系统示意Ｆｉｕｒｅ１　Ｗｉｎｄａｎｄｉｔｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｎｅｒａｔｉｏｎ　

　　　　ｇｇ

ｓｓｔｅｍ　ｗｉｔｈｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ　　ｙｐ

设发电机旋转频率ｆｍ，当具有电气谐振频率转子上会感应出频ｆｅｒ的电流Ｉｓ１流过定子绕组时，率ｆｅ同时定子中的工频电流ｆｍ的电流分量Ｉｒ－ｒ１，分量Ｉｆｍ的电流Ｉｓ２在转子上感应出频率ｆ０－ｒ２．转子和定子电流分量相互作用，产生４个电磁转矩如表１所示．分量，４个电磁转矩分量之和就是发电机的电磁转矩，其频率ｆＴ＝ｆ０－ｆｅ如果此时发ｒ．电机轴系自然扭振频率在ｆＴ附近，即系统电气谐振频率和发电机轴系自然扭振频率互补时，发电机和串补系统间通过持续的弱阻尼振荡或暂态作用进行能量交换，将会导致发电机轴系疲劳或临界失效，通常称之为机电扭振互作用

［１３］

．

表１　各转矩分量Ｔａｂｌｅ１　Ｔｏｒｕｅｃｏｍｏｎｅｎｔｓ　　ｑｐ

转矩

相互关系

频率０

Ｔ１Ｔ２Ｔ３Ｔ４

ＩＩｓ１，ｒ１ＩＩｓ１，ｒ２ＩＩｓ２，ｒ１ＩＩｓ２，ｒ２

ｆ０－ｆｅｒｆ０－ｆｅｒ

０

鼠笼异步型风电机组和双馈型风电机组的定子都与电网直接相连，与火电机组具有相似性．谐振电

第２７卷第１期毕天姝，等：大规模风电外送中的次同步振荡问题

１３　

的ＳｕａｒｅＢｕｔｔｅｚ电厂在投入ＨＶＤＣ输电线路时，　ｑ

２１］

，发生了扭振现象［这是工程中最早遇到的装置引

起的次同步振荡问题．电力电子装置的控制器在次同步频率范围内对功率、电流等进行快速控制或响会影响到发电机电磁转矩和转速的相位差．如果应，

，电磁转矩和转速的相位差超过９这些装置就会０°给发电机引入负阻尼，从而引起发电机轴系的次同

５］

步增幅振荡［．

鼠笼异步型和双馈感应型风电机组与电网紧密耦合，附近存在电力电子装置时可能会给发电机引入负阻尼，发生次同步振荡．同

样，置附近时，鼠笼异步型和双馈感应型风电机组要比火电机组更容易发生次同步振荡，这是因为这２种风电机组轴系自然扭振频率相对较低，而直流输电对较低的扭振频率更易引起负阻尼作用．

此外，双馈感应型和永磁同步型风电机组本身内部存在变流控制器，如果该变流控制器的参数不在次同步区段表现出负阻尼特性，同样可能成合理，

为风力发电机组次同步振荡的激发源．

目前，装置引起的次同步振荡研究主要集中在火电机组利用ＨＶＤＣ外送电能时的次同步振荡问题上．风力发电发展较晚，实际工程中尚未遇到装置］引起的次同步振荡问题，因此其研究较少．文献［２２初步研究了鼠笼异步型风电机组利用ＨＶＤＣ外送］文献［指出转子侧变换风电时的次同步振荡问题．９器的级联控制回路参数设置不合理是引起双馈感应型风电机组次同步扭振的主要原因，并提出在转子侧变流器控制中加入一个阻尼环来抑制机组的次同步扭振．阻尼环ＰＩ控制器参数整定需要了解轴系的并且与变流器控制的其他参数相协调．固有频率，

２．３　风电机组控制器与外部控制器耦合引起的次）同步振荡（ＳＳＣＩ

　　风电机组控制器引起的次同步振荡问题是随着风力发电快速发展而产生的一种新的次同步振荡现象．与次同步谐振和装置引起的次同步振荡不同，风电机组控制器引起的次同步振荡和机械系统没有任何联系．此类次同步振荡的频率和衰减率由风电控制器参数和输电系统参数共同决定，与轴系固有模态频率完全无关，且比次同步谐振ＳＳＲ发散得更快，应引起足够的重视．图２所示为２００９年美国德

图３　采用串补的双馈感应型风电机组Ｆｉｕｒｅ３　Ｄｏｕｂｌｅｆｅｄｗｉｎｄｅｎｅｒａｔｏｒ　－　　ｇｇ

ｗｉｔｈｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ　　ｐ图２　美国风场次同步振荡事故录波Ｆｉｕｒｅ２　ＲｅｃｏｒｄｅｄｗａｖｅｏｆｔｈｅＳＳＯａｃｃｉｄｅｎｔ　　　　　　ｇ

ａｎＡｍｅｒｉｃａｎｗｉｎｄｆａｒｍｉｎ　　　　

克萨斯州风场次同步振荡事故风场内电压和电流录

７］

，波［这是人们第１次在工程中遇到ＳＳＣＩ问题．

风电机组控制器引起的次同步振荡是由电气谐振回路的谐振电流引起的．对于图３所示采用串补的风电外送系统，谐振电流在发电机应出该电流会引起转子电流波对应的次同步频率电流，

变流控制器感受到此变化后会形畸变和相位偏移，

调节逆变器输出电压，引起转子中实际电流的改变，如此构成一个闭环系统．如果输出电压助增转子电谐振电流的振荡将不稳定，进而引起整个系流增大，

２３］

［．

鼠笼异步型风电机组中无电力电子装置，因此，在利用串补电容外送风电时不存在Ｓ双ＳＣＩ问题．转子上使用馈感应型风电机组定子直接连接电网，

／／了Ａ谐振电流易进入发电机的ＣＤＣＡＣ变频器，统不稳定振荡，因此，双馈感应型风电机组利用串补电容外送风电时易发生永磁同步型虽然存在电力电子装置，但发电ＳＳＣＩ．因机和电网不耦合导致谐振电流无法进入发电机，

１４

电力科学与技术学报　　　　　　　　　　　　　２０１２年３月

此，在利用串补电容外送风电时也不存在ＳＳＣＩ问

２４］题［．

参考文献：

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ｏｆｌａｒｅｗｉｎｄｆａｒｍｓｉｎｔｏｕｔｉｌｉｔｒｉｄｓ（Ｐａｒｔ２–Ｐｅｒｆｏｒｍ－　　　　　　ｇｙｇ　）［ａｎｃｅＩｓｓｕｅｓＣ］．ＩＥＥＥＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｏｃｉｅｔＧｅｎ　　　－ｇｇｙ　　，，，ｅｒａｌＭｅｅｔｉｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＤａｌｌａｓＴｅｘａｓＵＳＡ，２００３．　ｇ　［］Ｂ／／［／：／／７ｅｌｋｉｎＰ．Ｅｖｅｎｔｏｆ１０２２０９ＥＢＯＬ］．ｈｔｔｗｗｗ．ｅｒ　　　－ｐ

／／／／ｃｏｔ．ｃｏｍｃａｌｅｎｄａｒ２０１００１２０１００１２６－ＴＥＣＨ．２０１０－０１－２６．

［］Ｍ８ｅｉＦ，ＰａｌＢ．Ｍｏｄａｌａｎａｌｓｉｓｏｆｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｄｏｕｂｌ　　　　　－　ｙｇｙ

］ｆｅｄｅｎｅｒａｔｏｒｓ［ｉｎｄｕｃｔｉｏｎＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉｏｎｓＥｎｅｒ　　　　ｇｇｙ

ＳＳＣＩ－! －

目前Ｓ分析方法和抑制ＳＣＩ的机理还不明确，文献［述了双馈感应型风电机．２３］组利用串补电容外送风电时Ｓ并ＳＣＩ发生的原因，利用一个超前滞后环节设计了ＳＳＣＩ阻尼控制器，来抑制次同步控制互作用，取得了较好的抑制效果，但该阻尼控制器是针对特定控制策略设计的．

综上所述，机间的相互作用；装置引起的次同步振荡强调发电机和电力电子等快速控制装置间的相互作用；风电机组控制器与外部系统耦合引起的次同步振荡强调串补输电系统和风电机组内部变流控制器间的相互作用．

不同类型风电机组可能产生的次同步振荡问题事实上，由于大规模风电场或者场群一如表２所示．

般是由多种类型的风电机组共同组成，所以其产生的次同步振荡与抑制问题将更为复杂．

表２　不同类型风电机组次同步振荡问题对比ｒｏｂｌｅｍｓＴａｂｌｅ２　Ｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　　　－　　ｐｙ

ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｏｆｗｉｎｄｅｎｅｒａｔｏｒｓ　　　　　ｙｐｇ

机组

鼠笼异步型风电机组双馈感应型风电机组永磁同步型风电机组

ＳＳＲ　! ! －

ＳＳＴＩ　! ! !

，（）：２００７，２２３７２８７３６．Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ－

［］Ｖ北９ｌａｄｉｓｌａｗ　Ａｋｈｍａｔｏｖ．风力发电用感应发电机［Ｍ］．

中国电力出版社，京：２００９．

［１０］ＩｒｗｉｎＧＤ．Ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｗｉｎｄ　　－　　　ｙ

［Ｃ］．ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲＥＺＳｓｔｅｍ　Ｄｅｔｕｒｂｉｎｅｓ　－Ｃ　－ｙ，，，ＵｓｉｎａｎｄＯｅｒａｔｉｏｎＴａｌｏｒＴｅｘａｓＳＡ，２０１０．　　ｇｐｙ

３　结语

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，而且风电场／场群又是由多种类型风电机组构成，导致大规模风电基地外送的次同步振荡问题变得十分复杂．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风力发电机组中，需要进一步研究．而风电机组自身控制器引起的次同步振荡现象在工程中发生较晚，无论随着中国大规国内还是国外目前研究基本是空白．

模风电基地建设，其次同步振荡建模、分析与抑制对策成为亟待解决的问题．

［］Ｗ１１ａｌｋｅｒＤＮ，ＢｏｗｌｅｒＣＥ，ＪａｃｋｓｏｎＲＬ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　　　　　　　

ｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅｔｅｓｔａｔｍｏｈａｖｅ［Ｊ］．　－　　　　ｙ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＡａｒａｔｕｓａｎｄＳｓｔｅｍｓ　　　　　　ｐｐｙ（）：１９７５，９４５１８７８１８８９．　－　

［１２］ＩＥＥＥＳｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓＲｅｓｏｎａｎｃｅＷｏｒｋｉｎＧｒｏｕ．　－　　ｙｇｐ　

Ｐｒｏｏｓｅｄｔｅｒｍｓａｎｄｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓｆｏｒｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　　－ｐｙ［］ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＰｏｗｅｒＡａｒａ　　　　－ｐｐ，（）：ｔｕｓａｎｄＳｓｔｅｍｓ１９８０，９９２５０６５１１．　　－ｙ

［］ｕｉｄｅ１３ＥＥＣｏｍｍｉｔｔｅｅＲｅｏｒｔ．Ｒｅａｄｅｒ ｓｔｏｓｕｂｓｎ　　　　　－－ｇｐｙ

］ｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅ［Ｊ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＰｏｗｅｒ　　　　，（）：Ｓｓｔｅｍｓ１９９２，７１１５０１５７．－ｙ

［］Ｖ１４ａｒｍａＲ　Ｋ，ＡｕｄｄＳ．Ｍｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　－ｙｇｙ　

ｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｎａｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄｗｉｎｄｆａｒｍｕｓｉｎ　　　－　　　ｐｇＦＡＣＴＳｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒ　　　　

第２７卷第１期毕天姝，等：大规模风电外送中的次同步振荡问题

１５　

，（）：Ｄｅｌｉｖｅｒ２００８，２３３１６４５１６５４．　－　ｙ

［］Ｖ１５ａｒｍａＲ　Ｋ，ＡｕｄｄＳ．Ｍｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　－ｙｇｙ　

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［］Ｅ，１７ｌｏｕｓｒｉＭ　ＳＢａｋＪｅｎｓｅｎＢ，ＡｂｄｅｌａｈｍａｎＭ　Ｈ．－Ｍ　－　－Ｒ　

ＮｏｖｅｌＳＴＡＴＣＯＭｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｍｉｔｉａｔｉｎＳＳＲａｎｄ　　　　　ｇｇ　ｏｗｅｒｄａｍｉｎｓｓｔｅｍｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎａｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎ　　　　　　－ｐｐｇｙｐ　［］ｓａｔｅｄｗｉｎｄＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥａｒｋｓ　　　　　　－ｐ，（）：ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ２０１０，２５２４２９４４１．－

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］：的抑制作用［Ｊ．电力系统及自动化，２０１０，３４（８）１０１－１０５．

，，ＷＡＮＧＧＵ　ＷｅｉＬＩＸｉｎＹｕｈｏｎ．Ｍｉｔｉａｔｉｏｎｕａｎ　－　－ｇｇｇｙｅｆｆｅｃｔｏｆＵＰＦＣｏｎｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎａ　　　　－　　　ｙｗｉｎｄｆａｒｍ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｓ　　　　　－ｙ，（）：ｔｅｍｓ２０１０，３４８１０１１０５．－

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［］２３ＩｒｗｉｎＧＤ，ＪｉｎｄａｌＡ　Ｋ，ＩｓａａｃｓＡＬ．Ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　　　－ｙ

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／／／／ｗｗｗ．ｅｒｃｏｔ．ｃｏｍｃａｌｅｎｄａｒ２０１００１２０１００１２６ＥＣＨ，－Ｔ２０１０－０１－２６．

第２７卷第１期２０１２年３月

电力科学与技术学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＩＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　　　　　　

Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１Ｍａｒ．２０１２　

大规模风电外送中的次同步振荡问题

毕天姝１，孔永乐１，肖仕武１，张　鹏１，张　涛２，刘　全２

（）华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京　１北京四方继保自动化股份有限公司，北京　１１．０２２０６；２．０００８５

摘　要：目前，中国正在建设７个千万ｋＷ级风电基地，大规模风电外送成为必然．串补交流输电和高压直流输电

作为风电外送的２种重要方式可能会诱发次同步振荡问题．分析鼠笼异步型、双馈感应型和永磁同步型风电机组论述次同步谐振、装置引起的次同步振荡以及风电机组控制器引起的次同步振荡，并分析总结不同类的结构特点，

型风电机组可能发生的次同步振荡类型．最后，指出亟待研究解决的问题．

关　键　词：次同步振荡；次同步谐振；装置引起的次同步振荡；控制器引起的次同步振荡；风力发电系统

（）中图分类号：ＴＭ７７　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７３９１４０２０１２０１００１００６－－－

Ｒｅｖｉｅｗｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｌａｒｅｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｗｅｒ　　－　　　－　　　ｙｇｐ

１１１１２２

，ＫＯＮＧ，，，ＢＩＴｉａｎｓｈｕＹｏｎｌｅＸＩＡＯＳｈｉｕＺＨＡＮＧＰｅｎＺＨＡＮＧＴａｏＬＩＵ　Ｑｕａｎ　－　－　－ｗ　　ｇｇ，

（，Ｎ１．ＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＡｌｔｅｒｎａｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｓｔｅｍ　ｗｉｔｈＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒＳｏｕｒｃｅｓｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃ　　　　　　　　　ｙｙｙｇｙ　　　

，；，，）ＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ２．ＢｅｉｉｎＳｉｆａｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．Ｂｅｉｉｎ１０００８５，Ｃｈｉｎａ　　ｙｊｇｊｇｇｊｇ　　　　

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＮｏｗ，Ｃｈｉｎａｉｓｂｕｉｌｄｉｎ７ｗｉｎｄｏｗｅｒｂａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃａａｃｉｔｏｖｅｒｔｅｎｍｉｌｌｉｏｎｋｉｌｏｗａｔｔｓ　　　　　　　　　　ｇｐｙｐ　　ａｎｄｔｈｅｌａｒｅｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｅｓｓｅｎｔｉａｌｄｕｅｔｏｔｈｅｕｎｂａｌａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｗｅｒ　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｌｏａｄｓ．ＳｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄＡＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｈｉｈｖｏｌｔａｅＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　　　　　　　　　　ｐｇｇ（，，ｍＨＶＤＣ）ａｓｔｗｏｍａｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｓａｌｅａｄｔｏｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｗｈｅｎｔｈｅ　　　　　　－　　　ｙｙｙ　ａｒｅｏｗｅｒｅｎｅｒａｔｏｒｓａｌｉｅｄｔｏｗｉｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ　　　　　　　　　　　ｐｐｐｇ，，ｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄｉｎｔｈｉｓａｅｒｉｎｃｌｕｄｉｎｓｕｉｒｒｅｌｃａｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｅｎｅｒａｔｏｒ（ＳＣＩＧ）ｄｏｕｂｌｆｅｄｉｎ　　　　　　　－　－ｙｐｐｇｑｇｇｙ　ｄｕｃｔｉｏｎｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ）ａｎｄｅｒｍａｎｅｎｔｍａｎｅｔｉｃｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｅｎｅｒａｔｏｒ（ＰＭＳＧ）．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓ　　　　　　ｇｐｇｙｇ，，ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｉ．ｅ．ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＳＳＲ）ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｏｆ　－　－　－　－ｙｙｙ），ｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ（ＳＳＴＩａｎｄｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｏｆ　　　　－　　　　ｙｙｙ　　）ｗ，ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ（ＳＳＣＩｅｒｅｃｌａｒｉｆｉｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｈｅｏｓｓｉｂｌｅｔｅｓｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａ　　　　　　　－　－ｐｙｐｙ，ｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｅｎｅｒａｔｏｒｓｗｅｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｔｈｅｕｒｅｎｔ　　　　　　　　　　　　ｇｙｇｎｅｅｄｔｏｂｅｓｔｕｄｉｅｄｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄａｓｗｅｌｌ．ｒｏｂｌｅｍｓ　　　　　　　　ｙｐ

收稿日期：２０１２－０２－２８

“”（）基金项目：国家高技术研究发展计划（计划）８６３２０１２ＡＡ０５０２０８

，通讯作者：毕天姝（女，博士，教授，博士生导师，主要从事电力系统保护与控制、广域同步相量测量技术及应用、故障诊断等研究；１９７３－）

：Ｅ－ｍａｉｌｔｓｂｉｃｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＠ｎｐ

第２７卷第１期毕天姝，等：大规模风电外送中的次同步振荡问题

１１　

：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＳＳＲ）ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓ－　－　－　－ｙｙｙｙ　）；ｃｉｌｌａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｄｅｖｉｃｅｓ（ＳＳＴＩｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　　　－　　　ｙｙｙ　　）；ｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ（ＳＳＣＩｗｉｎｄｏｗｅｒｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｓｔｅｍ　　　　　ｐｇｙ１９世　　次同步振荡最早发现于火力发电系统中．美国Ｍ纪７０年代，ｏｈａｖｅ电厂次同步振荡事故导致其发电机大轴损坏，引起学术界次同步振荡研究的热潮，并在机理分析、分析方法及抑制对策等方面取

］１－２得显著成果［．

轴三部分，与火电机组相比较短，而且齿轮箱的存在约为０．使得风电机组轴系的刚度很小，１５～０．４０．轴系的柔性使得风电机组轴系的自然扭振频率很

［］

小，一般在１～２Ｈｚ８－９．

双馈感应型风电机组可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，这一良好的调节特性使其成为市场目前主流机型之一．双馈感应型风电机组采用双馈感应发电机转化能量，发电机定子与电网直接连／／接．转子通过一个ＡＣＤＣＡＣ变频器与电网连接，风电机组不要求以固定速度运行，转速可以通过变

９］频器动态控制调节［双馈感应型风电机组的轴系．

当今大规模开发利用风电已成为中国能源战略“的重要组成部分．十二五”期间，在甘肃、新疆、河北、吉林、内蒙古、江苏等地规划建设７个千万ｋＷ

］３－４

级风电基地［由于资源与负荷中心逆向分布，使．

得大容量、远距离风电外送势在必行．串补电容技术和高压直流输电技术能够有效提高线路输送容量，是实现大规模风电外送的２种主要方式，但可能会诱发风电系统的次同步振荡问题，影响大规模风电

］５－６基地及外送系统的安全稳定运行［．

也具有低自然扭振和鼠笼异步型风电机组相类似，频率的特点．

永磁同步型风电机组采用永磁体励磁，效率高，是目前市场上另外一种主流机型．永磁同步型风电机组采用永磁同步发电机实现能量转换．其定子与电网不直接耦合，通过全功率ＡＣＤＣＡＣ变频器＼＼与电网连接，因此，轴系很难与电网电气量直接耦合由于永磁同步型电机组轴系不存在齿轮产生扭振．

箱，风轮和发电机直接连接，其轴系刚度比以上２种风电机组要大．

美国德克萨斯州的一处风电场２００９年１０月，发生了串补电容引起的次同步振荡事故，造成风电

７］场大量机组跳机以及大量撬棒电路损坏［这次事．

越来越多的学者认识到风力发电系统次同步故后，

振荡问题严重，开始对此问题进行研究．

笔者在分析３种常见风电机组结构的基础上，分析总结不同类型风力发电系统可能发生的次同步并阐述当前研究现状，指出亟待研究解决振荡类型，的问题．

２　大规模风电外送中的次同步振荡问

题分析

　　风电机组结构特点决定了其在采用串补或ＨＶＤＣ外送输电时的次同步振荡问题和火电机组不完全相同．除了可能发生次同步谐振和装置引起的次同步振荡外，风电机组内部变频器控制同样可

１０］能引起次同步振荡问题［．

１　风电机组结构

主流风电机组主要有鼠笼异步型风电机组、双馈感应型风电机组和永磁同步型风电机组．这３类风电机组由于拓扑结构不同，其利用串联电容补偿技术或高压直流输电技术外送风电可能发生的次同步振荡类型也不同．

鼠笼异步型风电机组结构简单，是风力发电中最早使用的机型，目前，风电场中还存在一定数量的此类风电机组．鼠笼异步型风电机组采用鼠笼异步发电机转换能量，发电机正常运行时速度仅在很小其轴系主要包括高速轴、齿轮箱和低速范围内变化．

２．１　次同步谐振（ＳＳＲ）

次同步谐振是火力发电中经常遇到的次同步振荡现象之一．早在１美国Ｍ９７０和１９７１年，ｏｈａｖｅ电站发生的发电机大轴扭振破坏就是该类型的次同步

１１］振荡引起的［．ＩＥＥＥ工作组将同步谐振定义为次

在这种运行状态电力系统的一种不正常运行状态，

１２

电力科学与技术学报　　　　　　　　　　　　　２０１２年３月

下，电气系统和汽轮发电机组以低于系统同步频率的某个和多个振荡频率显著交换能量，从而危害汽

１２］轮发电机安全的动态过程［．

流同样可以进入发电机定子绕组内导致次同步谐振．但这２种风电机组的自然扭振轴系频率很低，要想激发风电机组轴系低频率的扭振模态，需要很高谐振频率的电流，．因此，同等串补度下，鼠笼异步型和双馈应型风电机组发生次同步谐振比火电机组难．对于永磁同步型风电机组，由于发电机与电网没有直接耦合，次同步谐振电流无法进入发电机定子绕组内，因此，永磁同步．

次同步谐振机理、分析方法和抑制方面的研究但主要集中在传统火力发电系统上，风力发电很多，

系统次同步谐振问题研究则刚刚起．文献［１４－］初步探讨了鼠笼异步型风电机组采用串补外送１８

风电时发生次同步谐振的机理，利用时域仿真法研究了鼠笼异步型风电机组次同步谐振的影响因素，指出了线路串补度和风电场出力影响谐振发散程串补度越高，输出有功功率越高，则次同步谐振度．

发散越严重．上述文献还尝试了利用ＦＡＣＴＳ控制，、可控串补（器（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｅｎｓａｔｏｒＳＶＣ）Ｔｈ　　－ｐｙ，、静止同ｒｉｓｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＳｅｒｉｅｓＣａａｃｉｔｏｒＴＣＳＣ）　　　ｐ，步无功补偿器（ＳｔａｔｉｃＳｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣｏｍｅｎｓａｔｏｒ　　ｙｐ和统一潮流控制器（ＳＴＡＴＣＯＭ）ＵｎｉｆｉｅｄＰｏｗｅｒ　，来抑制鼠笼异步型风电机ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵＰＦＣ）Ｆｌｏｗ　组次同步谐振，给出了抑制措施的仿真结果．

］文献［建立了用于次同步谐振分析的双馈感１９应型风电机组模型，利用特征值分析法和时域仿真法分析了影响双馈感应型风电机组次同步谐振的主研究发现：风速越低、串补度越高，双馈感应要因素．

严重．文献［为双馈感２０］应型风电机组设计了Ｓ并通过算例ＳＲ阻尼控制器，仿真验证了有效性．

然而，上述研究中的模型大部分是单机－无穷大等值系统模型，即将整个风场简单等值为１台风电机组；为仿真产生Ｓ７ＳＲ０％以，与实际系统不符；研究方法基本只使用时域仿真法，尚不能从机理层面揭示发生次同步谐振的原因．

）２．２　装置引起的次同步振荡（ＳＳＴＩ

高压直流输电（及ＦＨＶＤＣ）ＡＣＴＳ等电力电子装置的控制器参数不合理也可能引起发电机次同步振荡，统称为装置引起的次同步振荡．美国１９７７年，

考虑图１所示的风电外送等值系统，电气系统的自然谐振频率为

ＣＸＬ．ｆｅｆ０ｒ＝

（）１

式中　ｆ０为同步频率．在次同步频率下，发电机的等值电阻为负，如果该负值超过变压器和输电线路等值电阻系统则会产生负阻尼，系统会因为感应发

１３］

电机效应而发生次同步谐振［图１　采用串补输电的风电外送系统示意Ｆｉｕｒｅ１　Ｗｉｎｄａｎｄｉｔｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｎｅｒａｔｉｏｎ　

　　　　ｇｇ

ｓｓｔｅｍ　ｗｉｔｈｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ　　ｙｐ

设发电机旋转频率ｆｍ，当具有电气谐振频率转子上会感应出频ｆｅｒ的电流Ｉｓ１流过定子绕组时，率ｆｅ同时定子中的工频电流ｆｍ的电流分量Ｉｒ－ｒ１，分量Ｉｆｍ的电流Ｉｓ２在转子上感应出频率ｆ０－ｒ２．转子和定子电流分量相互作用，产生４个电磁转矩如表１所示．分量，４个电磁转矩分量之和就是发电机的电磁转矩，其频率ｆＴ＝ｆ０－ｆｅ如果此时发ｒ．电机轴系自然扭振频率在ｆＴ附近，即系统电气谐振频率和发电机轴系自然扭振频率互补时，发电机和串补系统间通过持续的弱阻尼振荡或暂态作用进行能量交换，将会导致发电机轴系疲劳或临界失效，通常称之为机电扭振互作用

［１３］

．

表１　各转矩分量Ｔａｂｌｅ１　Ｔｏｒｕｅｃｏｍｏｎｅｎｔｓ　　ｑｐ

转矩

相互关系

频率０

Ｔ１Ｔ２Ｔ３Ｔ４

ＩＩｓ１，ｒ１ＩＩｓ１，ｒ２ＩＩｓ２，ｒ１ＩＩｓ２，ｒ２

ｆ０－ｆｅｒｆ０－ｆｅｒ

０

鼠笼异步型风电机组和双馈型风电机组的定子都与电网直接相连，与火电机组具有相似性．谐振电

第２７卷第１期毕天姝，等：大规模风电外送中的次同步振荡问题

１３　

的ＳｕａｒｅＢｕｔｔｅｚ电厂在投入ＨＶＤＣ输电线路时，　ｑ

２１］

，发生了扭振现象［这是工程中最早遇到的装置引

起的次同步振荡问题．电力电子装置的控制器在次同步频率范围内对功率、电流等进行快速控制或响会影响到发电机电磁转矩和转速的相位差．如果应，

，电磁转矩和转速的相位差超过９这些装置就会０°给发电机引入负阻尼，从而引起发电机轴系的次同

５］

步增幅振荡［．

鼠笼异步型和双馈感应型风电机组与电网紧密耦合，附近存在电力电子装置时可能会给发电机引入负阻尼，发生次同步振荡．同

样，置附近时，鼠笼异步型和双馈感应型风电机组要比火电机组更容易发生次同步振荡，这是因为这２种风电机组轴系自然扭振频率相对较低，而直流输电对较低的扭振频率更易引起负阻尼作用．

此外，双馈感应型和永磁同步型风电机组本身内部存在变流控制器，如果该变流控制器的参数不在次同步区段表现出负阻尼特性，同样可能成合理，

为风力发电机组次同步振荡的激发源．

目前，装置引起的次同步振荡研究主要集中在火电机组利用ＨＶＤＣ外送电能时的次同步振荡问题上．风力发电发展较晚，实际工程中尚未遇到装置］引起的次同步振荡问题，因此其研究较少．文献［２２初步研究了鼠笼异步型风电机组利用ＨＶＤＣ外送］文献［指出转子侧变换风电时的次同步振荡问题．９器的级联控制回路参数设置不合理是引起双馈感应型风电机组次同步扭振的主要原因，并提出在转子侧变流器控制中加入一个阻尼环来抑制机组的次同步扭振．阻尼环ＰＩ控制器参数整定需要了解轴系的并且与变流器控制的其他参数相协调．固有频率，

２．３　风电机组控制器与外部控制器耦合引起的次）同步振荡（ＳＳＣＩ

　　风电机组控制器引起的次同步振荡问题是随着风力发电快速发展而产生的一种新的次同步振荡现象．与次同步谐振和装置引起的次同步振荡不同，风电机组控制器引起的次同步振荡和机械系统没有任何联系．此类次同步振荡的频率和衰减率由风电控制器参数和输电系统参数共同决定，与轴系固有模态频率完全无关，且比次同步谐振ＳＳＲ发散得更快，应引起足够的重视．图２所示为２００９年美国德

图３　采用串补的双馈感应型风电机组Ｆｉｕｒｅ３　Ｄｏｕｂｌｅｆｅｄｗｉｎｄｅｎｅｒａｔｏｒ　－　　ｇｇ

ｗｉｔｈｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ　　ｐ图２　美国风场次同步振荡事故录波Ｆｉｕｒｅ２　ＲｅｃｏｒｄｅｄｗａｖｅｏｆｔｈｅＳＳＯａｃｃｉｄｅｎｔ　　　　　　ｇ

ａｎＡｍｅｒｉｃａｎｗｉｎｄｆａｒｍｉｎ　　　　

克萨斯州风场次同步振荡事故风场内电压和电流录

７］

，波［这是人们第１次在工程中遇到ＳＳＣＩ问题．

风电机组控制器引起的次同步振荡是由电气谐振回路的谐振电流引起的．对于图３所示采用串补的风电外送系统，谐振电流在发电机应出该电流会引起转子电流波对应的次同步频率电流，

变流控制器感受到此变化后会形畸变和相位偏移，

调节逆变器输出电压，引起转子中实际电流的改变，如此构成一个闭环系统．如果输出电压助增转子电谐振电流的振荡将不稳定，进而引起整个系流增大，

２３］

［．

鼠笼异步型风电机组中无电力电子装置，因此，在利用串补电容外送风电时不存在Ｓ双ＳＣＩ问题．转子上使用馈感应型风电机组定子直接连接电网，

／／了Ａ谐振电流易进入发电机的ＣＤＣＡＣ变频器，统不稳定振荡，因此，双馈感应型风电机组利用串补电容外送风电时易发生永磁同步型虽然存在电力电子装置，但发电ＳＳＣＩ．因机和电网不耦合导致谐振电流无法进入发电机，

１４

电力科学与技术学报　　　　　　　　　　　　　２０１２年３月

此，在利用串补电容外送风电时也不存在ＳＳＣＩ问

２４］题［．

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［］Ｐ，６ｏｕｒｂｅｉｋＰ，ＫｏｅｓｓｌｅｒＲＪＤｉｃｋｍａｎｄｅｒＤＬ，ｅｔａｌ．Ｉｎｔｅｒａｔｉｏｎ　　　　　　ｇ

ｏｆｌａｒｅｗｉｎｄｆａｒｍｓｉｎｔｏｕｔｉｌｉｔｒｉｄｓ（Ｐａｒｔ２–Ｐｅｒｆｏｒｍ－　　　　　　ｇｙｇ　）［ａｎｃｅＩｓｓｕｅｓＣ］．ＩＥＥＥＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｏｃｉｅｔＧｅｎ　　　－ｇｇｙ　　，，，ｅｒａｌＭｅｅｔｉｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＤａｌｌａｓＴｅｘａｓＵＳＡ，２００３．　ｇ　［］Ｂ／／［／：／／７ｅｌｋｉｎＰ．Ｅｖｅｎｔｏｆ１０２２０９ＥＢＯＬ］．ｈｔｔｗｗｗ．ｅｒ　　　－ｐ

／／／／ｃｏｔ．ｃｏｍｃａｌｅｎｄａｒ２０１００１２０１００１２６－ＴＥＣＨ．２０１０－０１－２６．

［］Ｍ８ｅｉＦ，ＰａｌＢ．Ｍｏｄａｌａｎａｌｓｉｓｏｆｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｄｏｕｂｌ　　　　　－　ｙｇｙ

］ｆｅｄｅｎｅｒａｔｏｒｓ［ｉｎｄｕｃｔｉｏｎＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉｏｎｓＥｎｅｒ　　　　ｇｇｙ

ＳＳＣＩ－! －

目前Ｓ分析方法和抑制ＳＣＩ的机理还不明确，文献［述了双馈感应型风电机．２３］组利用串补电容外送风电时Ｓ并ＳＣＩ发生的原因，利用一个超前滞后环节设计了ＳＳＣＩ阻尼控制器，来抑制次同步控制互作用，取得了较好的抑制效果，但该阻尼控制器是针对特定控制策略设计的．

综上所述，机间的相互作用；装置引起的次同步振荡强调发电机和电力电子等快速控制装置间的相互作用；风电机组控制器与外部系统耦合引起的次同步振荡强调串补输电系统和风电机组内部变流控制器间的相互作用．

不同类型风电机组可能产生的次同步振荡问题事实上，由于大规模风电场或者场群一如表２所示．

般是由多种类型的风电机组共同组成，所以其产生的次同步振荡与抑制问题将更为复杂．

表２　不同类型风电机组次同步振荡问题对比ｒｏｂｌｅｍｓＴａｂｌｅ２　Ｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　　　－　　ｐｙ

ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｏｆｗｉｎｄｅｎｅｒａｔｏｒｓ　　　　　ｙｐｇ

机组

鼠笼异步型风电机组双馈感应型风电机组永磁同步型风电机组

ＳＳＲ　! ! －

ＳＳＴＩ　! ! !

，（）：２００７，２２３７２８７３６．Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ－

［］Ｖ北９ｌａｄｉｓｌａｗ　Ａｋｈｍａｔｏｖ．风力发电用感应发电机［Ｍ］．

中国电力出版社，京：２００９．

［１０］ＩｒｗｉｎＧＤ．Ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｗｉｎｄ　　－　　　ｙ

［Ｃ］．ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲＥＺＳｓｔｅｍ　Ｄｅｔｕｒｂｉｎｅｓ　－Ｃ　－ｙ，，，ＵｓｉｎａｎｄＯｅｒａｔｉｏｎＴａｌｏｒＴｅｘａｓＳＡ，２０１０．　　ｇｐｙ

３　结语

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，而且风电场／场群又是由多种类型风电机组构成，导致大规模风电基地外送的次同步振荡问题变得十分复杂．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风力发电机组中，需要进一步研究．而风电机组自身控制器引起的次同步振荡现象在工程中发生较晚，无论随着中国大规国内还是国外目前研究基本是空白．

模风电基地建设，其次同步振荡建模、分析与抑制对策成为亟待解决的问题．

［］Ｗ１１ａｌｋｅｒＤＮ，ＢｏｗｌｅｒＣＥ，ＪａｃｋｓｏｎＲＬ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　　　　　　　

ｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅｔｅｓｔａｔｍｏｈａｖｅ［Ｊ］．　－　　　　ｙ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＡａｒａｔｕｓａｎｄＳｓｔｅｍｓ　　　　　　ｐｐｙ（）：１９７５，９４５１８７８１８８９．　－　

［１２］ＩＥＥＥＳｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓＲｅｓｏｎａｎｃｅＷｏｒｋｉｎＧｒｏｕ．　－　　ｙｇｐ　

Ｐｒｏｏｓｅｄｔｅｒｍｓａｎｄｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓｆｏｒｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　　－ｐｙ［］ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＰｏｗｅｒＡａｒａ　　　　－ｐｐ，（）：ｔｕｓａｎｄＳｓｔｅｍｓ１９８０，９９２５０６５１１．　　－ｙ

［］ｕｉｄｅ１３ＥＥＣｏｍｍｉｔｔｅｅＲｅｏｒｔ．Ｒｅａｄｅｒ ｓｔｏｓｕｂｓｎ　　　　　－－ｇｐｙ

］ｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅ［Ｊ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＰｏｗｅｒ　　　　，（）：Ｓｓｔｅｍｓ１９９２，７１１５０１５７．－ｙ

［］Ｖ１４ａｒｍａＲ　Ｋ，ＡｕｄｄＳ．Ｍｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　－ｙｇｙ　

ｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｎａｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄｗｉｎｄｆａｒｍｕｓｉｎ　　　－　　　ｐｇＦＡＣＴＳｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒ　　　　

第２７卷第１期毕天姝，等：大规模风电外送中的次同步振荡问题

１５　

，（）：Ｄｅｌｉｖｅｒ２００８，２３３１６４５１６５４．　－　ｙ

［］Ｖ１５ａｒｍａＲ　Ｋ，ＡｕｄｄＳ．Ｍｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　－ｙｇｙ　

ｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｎａｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄｗｉｎｄｆａｒｍ　ｗｉｔｈｓｔａｔ　　　－　　　－ｐ［ｉｃｖａｒｃｏｍｅｎｓａｔｏｒＣ］．ＩＥＥＥＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｏｃｉ　　　　－ｐｇｇ　，Ｍ，，ｅｔＧｅｎｅｒａｌＭｅｅｔｉｎｏｎｔｒａｉｌＣａｎａｄａ２００６．　ｙｇ　［１６］ＶａｒｍａＲ　Ｋ，ＳｅｍｓｅｄｉｎｉＹ，ＡｕｄｄＳ．Ｍｉｔｉａｔｉｏｎｏｆ　　　ｙｇ　

ｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｎａｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄｓｕｂ－　　　　－ｙｐｗｉｎｄｆａｒｍ　ｗｉｔｈｔｈｒｉｓｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｅｒｉｅｓｃａａｃｉｔｏｒ　　　　　ｙｐ（［ＴＣＳＣ）Ｃ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｓｏｆＩＥＥＥＰｏｗｅｒＳｓｔｅｍｓ　　　　ｇｙ：Ａ，Ｃ，ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｄｖａｎｃｅｄＭｅｔｅｒｉｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｎｔｒｏｌ　ｇ　，，，ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＣｌｅｍｓｏｎ　　ＳＣ，ＵＳＡ，２００７．

［］Ｅ，１７ｌｏｕｓｒｉＭ　ＳＢａｋＪｅｎｓｅｎＢ，ＡｂｄｅｌａｈｍａｎＭ　Ｈ．－Ｍ　－　－Ｒ　

ＮｏｖｅｌＳＴＡＴＣＯＭｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｍｉｔｉａｔｉｎＳＳＲａｎｄ　　　　　ｇｇ　ｏｗｅｒｄａｍｉｎｓｓｔｅｍｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎａｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎ　　　　　　－ｐｐｇｙｐ　［］ｓａｔｅｄｗｉｎｄＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＥａｒｋｓ　　　　　　－ｐ，（）：ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ２０１０，２５２４２９４４１．－

［］顾威，李兴源，王渝红，等．１８ＵＰＦＣ对风电场次同步谐振

］：的抑制作用［Ｊ．电力系统及自动化，２０１０，３４（８）１０１－１０５．

，，ＷＡＮＧＧＵ　ＷｅｉＬＩＸｉｎＹｕｈｏｎ．Ｍｉｔｉａｔｉｏｎｕａｎ　－　－ｇｇｇｙｅｆｆｅｃｔｏｆＵＰＦＣｏｎｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎａ　　　　－　　　ｙｗｉｎｄｆａｒｍ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｓ　　　　　－ｙ，（）：ｔｅｍｓ２０１０，３４８１０１１０５．－

［］Ｆ１９ａｎＬ，ＫａｖａｓｓｅｒｉＲ，ＭｉａｏＺＬ．ＭｏｄｅｌｉｎｏｆＤＦＩＧ　　　　　－ｇ　

［］ｂａｓｅｄｗｉｎｄｆａｒｍｓｆｏｒＳＳＲａｎａｌｓｉｓＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉ　　　　　　－ｙ，（）：ｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒ２０１０，２５４２０７３２０８２．　　　　－　ｙ［］Ｚ２０ｈｕＣＸ，ＦａｎＬＬ，ＨｕＭ　Ｑ．Ｃｏｎｔｒｏｌａｎｄａｎａｌｓｉｓｏｆ　　　　　　　　ｙ

ｂａｓｅｄｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｎａｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄＤＦＩＧ－　　　　　　ｐ［ｎｅｔｗｏｒｋｆｏｒＳＳＲｄａｍｉｎＣ］．ＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒＳｏ　　　　　－ｐｇｇｙ　，ｃｉｅｔＧｅｎｅｒａｌＭｅｅｔｉｎ２０１０ＩＥＥＥＤｉｉｔａｌｏｂｅｃｔＩｄｅｎ　　　　－ｙｇｇｊ　：／，ｔｉｆｉｅｒ１０．１１０９ＰＥＳ．２０１０．５５９００９１ＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＹｅａｒ　，ＭＮ，ＵＭｉｎｎｅａｏｌｉｓＳＡ，２０１０．ｐ

［］Ｂ，２１ａｈｒｍａｎＭ，ＬａｒｓｅｎＥＶ，ＰｉｗｋｏＲＪｅｔａｌ．Ｅｘｅｒｉ　　　　　　－ｐ

ｅｎｅｒａｔｏｒｅｎｃｅｗｉｔｈＨＶＤＣｔｕｒｂｉｎｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｎｔｅｒａｃ　　－－　　－ｇ［］ｔｉｏｎａｔｓｕａｒｅｂｕｔｔｅＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒ　　　　　　ｑ，（）：Ａａｒａｔｕｓ１９８０，９９３９６６９７５．－ｐｐ

［］Ｃ，Ａ２２ｈｏｏＹｉｎＣｈｉｎａｌａｏｎｋａｒＡＰ，ＭｕｔｔａｉＫ　Ｍ，ｅｔ　　　　　ｇｇｑ

ａｌ．Ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ－　　　　ｙｅｎｅｒａｔｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｎｉｔｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏａｎＨＶＤＣ　－　　　　　ｇＣ］．ＩＥＣＯＮ２０１０３６ｔｈＡｎｎｕａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎｓｓｔｅｍ［　－　　　ｙ

，Ｇ，ＡＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＹｅａｒｌｅｎｄａｌｅＺ，　　　ＵＳＡ，２０１０．

［］２３ＩｒｗｉｎＧＤ，ＪｉｎｄａｌＡ　Ｋ，ＩｓａａｃｓＡＬ．Ｓｕｂｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　　　　　－ｙ

ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｅ３ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓａｎｄ　　　　　　ｙｐｓｅｒｉｅｓｃｏｍｅｎｓａｔｅｄＡＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｓｔｅｍｓ［Ｃ］．　　　　ｐｙ，，Ｍ，ＩＥＥＥＰＥＳＧｅｎｅｒａｌＭｅｅｔｉｎＤｅｔｒｏｉｔＩＵＳＡ，２０１１．　　　ｇ［／：／／ｒｏｅｃｔ２４］ＲｅｅｄＧ．ＣＲＥＺｏｖｅｒｖｉｅｗ［ＥＢＯＬ］．ｈｔｔ　　　ｐｊｐ

／／／／ｗｗｗ．ｅｒｃｏｔ．ｃｏｍｃａｌｅｎｄａｒ２０１００１２０１００１２６ＥＣＨ，－Ｔ２０１０－０１－２６．