4SSCI問題的研究方法
與傳統的火電機組次同步振蕩分析方法類似,目前應用于SSCI的分析方法有頻率掃描分析法、特征值分析法、復轉矩系數法和時域仿真法,它們各有其優缺點和適用范圍。
頻率掃描分析法是一種近似的線性方法,利用該方法分析問題時,需將研究的相關系統用正序網來模擬;除待研究的發電機之外的網絡中的其他發電機用次暫態電抗等效電路來模擬,對于分析含固定串補的系統中SSR問題十分有效。它的優點是所需要的原始數據較少,計算方法簡單,物理概念明確;缺點是用它所得的結果是近似的,只能作為篩選可能發生SSCI的系統的工具,無法精確地、定量地研究系統發生SSCI的詳細特性[3]。
特征值分析法可以分析振蕩模式及其阻尼特性;可以找出與SSCI強相關的參與因子,以便進行監測;可以對狀態變量進行靈敏度分析,以便采取有效的預防對策。優點是可以得到上述大量有用的信息,易得出抑制策略實施前后的特征值變化情況;缺點是對系統的描述只用正序網絡,求特征值的矩陣階數高,可能產生“維數災”,難以應用于多機電力系統的情況。
復轉矩系數法在次同步頻率范圍內對軸系機械復轉矩系數及電氣復轉矩系數進行頻率掃描,根據使機械彈性系數和電氣彈性系數之和為零的頻率下,凈阻尼系數的正負來判定系統是否會發生次同步振蕩。可以得到電氣阻尼系數隨頻率變化的全貌,還可以考慮到各種控制系統的動態過程及運行工況對次同步振蕩的影響。
時域仿真可用于分析包括SSCI在內的各種機網相互作用問題,適用于電力系統在各種大擾動下的暫態分析[30-33]。優點是可以得到各參數隨時間變化的曲線,可以計及各種非線性因素的作用;缺點是無法為SSCI的發生機理提供信息,而且若對每臺風電機組及其控制系統進行詳細建模將極大地增加仿真的復雜度,導致計算時間長、資源利用率低。
文獻[28]利用頻率掃描和特征值分析,得出SSCI和發電機及電網狀態強相關的結論。文獻[34]運用頻率掃描和時域仿真得到發生SSCI的條件。文獻[19]通過時域仿真得到發生SSCI的條件。文獻[18]利用頻率掃描和時域仿真,認為含永磁同步型風力發電機組的系統是穩定的,不會發生SSCI。文獻[26]利用特征值分析得出控制系統參數和串補度對系統穩定的影響,并通過時域仿真驗證了之前的分析。
5SSCI的抑制措施
SSCI問題涉及到風力發電機組生產廠家、風電場以及電網公司等多個方面,是一個包含多學科的復雜問題,因此SSCI問題的解決需要多方面的配合。國內、外文獻中針對SSCI的抑制措施,主要分為以下幾類[9,35-40]。
5.1配置附加阻尼控制器(SSDC)
研究結果均表明,DFIG轉子側的電流控制器對SSCI影響最為顯著[9]。因此,在轉子側電流控制器上,為DFIG配置SSDC,進而優化DFIG的控制策略,能在一定程度上抑制SSCI。文獻[9,29,36,37]為DFIG設計了用于抑制SSCI的SSDC,取得了較好的抑制效果。此外文獻[37]中對比了加入SSDC位置對抑制效果的影響,結果表明在轉子側換流器配置SSDC比在電網側換流器加入效果更顯著。
上述文獻只是針對單臺DFIG的SSCI問題進行分析,SSDC抑制效果并沒有在多機系統中進行驗證。此外,針對SSDC的參數選擇,并沒有給出可行的SSDC的設計方法。對于已經投運的DFIG風電場,采用此種方法對每臺DFIG配置SSDC,具有一定的困難。
5.2采用FACTS裝置
針對傳統火電機組的SSR問題,以靜止無功補償器(SVC)和靜止同步補償器(STATCOM)為代表的并聯型FACTS裝置,以及以可控串補(TCSC)為代表的串聯型FACTS裝置已經成功應用于工程實際。文獻[38]對SVC和TCSC,文獻[39]對TCSC和晶閘管控制串聯電容器(GCSC),抑制風電場的SSCI的控制策略分別進行了分析,并驗證了當系統發生大擾動時,其對SSCI的阻尼效果。
采用FACTS裝置抑制SSCI,既可以依托于FACTS裝置原有的主要控制功能,采用附加控制的方式[40],又可以采用專門的SSCI阻尼控制策略。該方法具有響應速度快,抑制效果好的優點,但投資較大,控制較復雜。
5.3安裝阻塞濾波器或旁路濾波器
與抑制火電機組引發的SSR類似,在輸電線路上裝設阻塞濾波器能夠阻斷諧振電流的流動,避免SSCI的發生。在固定串補上并聯旁路濾波器也能抑制SSCI,其結構如圖6所示,其原理是調整L、C、R的參數使其在工頻狀態下發生并聯諧振,則工頻電流不通過旁路濾波器;當電路中有諧振電流時,旁路濾波器呈現小阻抗,諧振電路流經旁路濾波器,相當于在系統串入了電阻R,進而增加了系統的阻尼[13]。
圖6旁路濾波器
5.4合理安排系統運行方式和風電機組的比例
SSCI多發生在風電僅通過固定串補送出的情況下,并且其是否發生與系統的運行方式相關。因此,在規劃系統運行方式時,可以基于風電場的詳細的電磁暫態模型,仿真分析各個運行方式下系統發生SSCI的可能性,盡可能避免有可能引發SSCI的運行方式出現。
此外,文獻[16]研究結果表明,永磁同步型風電機組不會引發SSCI問題,而且能夠提供正阻尼,在一定程度上抑制DFIG的SSCI[16]。合理安排DFIG和永磁同步型風電機組所占的比例,能夠在一定程度上緩解SSCI問題。
需要指出的是,上述措施只是在理論層面具有可行性,目前還沒有應用到實際工程中,實際效果還需進一步分析驗證。