风电机组的次同步控制相互作用

大规模风电经固定串补线路送出时，风力发电机组可能会存在由于转子侧变流器与固定串补之间相互作用而引起的次同步振荡问题，称为次同步控制相互作用。次同步控制相互作用是随着风力发电技术的快速发展而出现的一种新的次同步振荡现象。

近年来，风力发电在国内外得到了迅猛的发展。2014 年我国新增风电装机容量为 2319.6 万 kW，单年装机容量首次突破 2000 万千瓦，同时累计装机量达到 1.14609 亿 kW，突破了 1.1 亿 kW，双双创下历史记录 。由于风电场大多地处偏远地区，远离负荷中心， 常采用串联补偿技术解决大规模风电外送问题。研究表明，串联补偿技术存在诱发风电机组的次同步振荡风险，不利于风电场以及外送系统的安全稳定运行。风电机组的次同步振荡问题有三种类型，分别是由风电机组控制器与固定串补之间的相互作用引发的次同步控制相互作用；风电机组轴系与固定串补之间的相互作用引发的次同步谐振；风电机组控制器或者相邻的 FACTS 装置控制器与风电机组轴系之间的作用引发的装置引起的次同步振荡。

一、次同步控制相互作用问题的由来

目前公布的第一起次同步控制相互作用事故发生于2009年9月，在美国德克萨斯州的某风电场。事故造成风力发电机组大量跳机以及内部撬棒电路损坏。事故发生前，该风电场附近一条双回线路中的一条发生接地故障并断开，导致系统接线方式发生变化，串补度突然上升。故障发生后，风力发电机组控制系统与固定串补间出现持续增大的振荡现象，发电机出口电压电流畸变严重。故障发生3s后，固定串补保护装置将线路的固定串补旁路，振荡逐渐被抑制。事后分析结果表明，本次事故中并不存在风电机组轴系与固定串补之间的相互作用引发的次同步谐振，而是由双馈感应发电机的转子侧变流器与固定串补系统的相互作用所引起， 将此种现象称为次同步控制相互作用 。

二、各种类型风电机组的次同步控制相互作用特性

目前主流的风电机组主要有笼型异步型风电机组、永磁同步型风电机组和双馈感应型风电机组。这三种机组的结构和控制策略不同，其对次同步控制相互作用的作用免疫情况也不同。

1、笼型异步风电机组

笼型异步风电机组结构，包括定桨距风力机、感应发电机和并联无功补偿电容器，其中风力机和发电机的轴系通过齿轮箱连接。由于这种类型的风电机组不存在电力电子控制装置，所以不存在次同步控制相互作用问题。

2、永磁同步型风电机组

在永磁同步型风电机组中，风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化，通过交-直-交或交-交变频器与电网相连， 在电网侧得到频率恒定的电压。这种类型的机组由于发电机与固定串补经换流器相连，并没有直接的耦合关系，谐振电流无法进入发电机内，因此不会发生次同步控制相互作用问题。

3、双馈感应型风电机组

双馈感应型风电机组是一种采用脉宽调制技术的风力发电机组，是目前主流的风力发电机组。这种发电机除定子绕组与电网有电气连接外， 其转子绕组也通过变流器（一般由转子侧逆变器、直流电容及电网侧逆变器组成）与电网相联。通过在转子绕组中施加变频电流，在定子绕组中感应出恒频电动势，从而实现了风力发电机组的变速恒频运行。

三、次同步控制相互作用发生的机理与特性

1、次同步控制相互作用发生的机理

发生扰动后，系统中谐振电流会在转子上感应出相应的次同步电流，进而引起转子电流波形畸变和相位偏移。转子侧控制器感受到此变化后会调节逆变器输出电压，引起转子中实际电流的改变。如果输出电压助增转子电流增大，谐振电流的振荡将会加剧，进而导致系统的振荡，发生次同步控制相互作用。

2、次同步控制相互作用的特性分析

1)、控制器参数对次同步控制相互的影响

转子侧电流控制回路快速、直接的特性是引起次同步控制相互作用的主要原因。

2)、系统参数对次同步控制相互作用的影响

a、风速

b、串补度

四、次同步控制相互作用的研究方法以及抑制措施

目前应用于次同步控制相互作用的分析方法有频率扫描分析法、特征值分析法、复转矩系数法和时域仿真法，它们各有其优缺点和适用范围。

1、配置附加阻尼控制器

2、采用 FACTS 装置

3、安装阻塞滤波器或旁路滤波器

4、合理安排系统运行方式和风电机组的比例