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一、風(fēng)力發(fā)電的次同步諧振問(wèn)題

早在20世紀(jì)30年代，人們就發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在容性負(fù)載或者經(jīng)由串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)木€路接入系統(tǒng)時(shí)，會(huì)在一定條件下引發(fā)振蕩頻率低于系統(tǒng)額定頻率的自激現(xiàn)象。1970年和1971年，美國(guó)亞利桑那州Mohave電站發(fā)生了兩起因固定串補(bǔ)導(dǎo)致大軸損壞的事故，之后，人們才對(duì)次同步諧振（SubsynchronousResonance,SSR）有了深入的研究和認(rèn)識(shí)。次同步諧振是電力系統(tǒng)的一種工作狀態(tài)：在一個(gè)或數(shù)個(gè)低于同步頻率的次同步頻率上，電力網(wǎng)絡(luò)和發(fā)電機(jī)之間交換顯著的能量。SSR又分為感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)（IGE）、扭振互作用（TI）和暫態(tài)力矩放大（TA）三種現(xiàn)象。2009年10月，美國(guó)德克薩斯州的一處風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生了由于串補(bǔ)電容引起的次同步諧振事故，造成了大量機(jī)組脫網(wǎng)以及機(jī)組撬棒電路的損壞。2012年12月，我國(guó)北方地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)也發(fā)生了次同步諧振，造成部分風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)；此后，該地區(qū)又多次出現(xiàn)SSR現(xiàn)象。以上兩處風(fēng)電場(chǎng)都經(jīng)由串補(bǔ)線路接入電網(wǎng)。截至到2012年底，上述我國(guó)北方地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量已超過(guò)3000MW。該地區(qū)風(fēng)機(jī)以雙饋型風(fēng)機(jī)（DFIG）為主，并有少量的恒速風(fēng)機(jī)和永磁風(fēng)機(jī)。圖3為2013年1月份該地區(qū)SSR的發(fā)生情況。該地區(qū)SSR現(xiàn)象的基本規(guī)律為：①振蕩頻率大約為6～8Hz。②電流振蕩幅值最高可達(dá)50%，電壓波動(dòng)幅度較小，在1%以內(nèi)。③大部分情況下，發(fā)生SSR時(shí)所有風(fēng)電場(chǎng)的總輸出功率在100～300MW之內(nèi)。④諧振往往發(fā)生在功率下降時(shí)。相關(guān)研究指出，在恒轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，雙饋風(fēng)機(jī)最容易導(dǎo)致SSR；這與已知的風(fēng)電場(chǎng)SSR事件是一致的，因此，這里將重點(diǎn)放在由DFIG導(dǎo)致的SSR問(wèn)題上。電力網(wǎng)絡(luò)近似等值的前提假設(shè)為：①該地區(qū)所有風(fēng)機(jī)均為容量為1.5MW的雙饋型風(fēng)機(jī)。②所有并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)相同，且均勻分布于各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的主變壓器上。③該地區(qū)所有風(fēng)電場(chǎng)的主變壓器相同，場(chǎng)用變壓器的工作狀態(tài)相同。該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的等值電路如圖4所示；其諧振頻率、發(fā)散速度與風(fēng)速和并網(wǎng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的關(guān)系如圖5所示；風(fēng)機(jī)的特征曲線如圖6所示。結(jié)合風(fēng)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知：系統(tǒng)阻尼與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速正相關(guān)，即轉(zhuǎn)速越高系統(tǒng)阻尼越強(qiáng)。不同轉(zhuǎn)速下，都存在阻尼最差的并網(wǎng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)增加或減少，系統(tǒng)的阻尼都會(huì)增加。正是阻尼與風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的這種非線性關(guān)系，才使得部分風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后，系統(tǒng)可以達(dá)到一種近似臨界穩(wěn)定的狀態(tài)。若所有風(fēng)電場(chǎng)共有n臺(tái)DFIG風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，那么，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的串補(bǔ)系統(tǒng)的等效電路如圖7所示。若該電路的等效阻抗Z在某個(gè)頻率上其虛部為0，實(shí)部為負(fù)，則該頻率下，該系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生幅值增加的電氣諧振。普通同步發(fā)電機(jī)中，該現(xiàn)象被稱為感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)（IGE）。普通的IGE現(xiàn)象中，系統(tǒng)負(fù)阻尼主要由滑差s的變化引起。而且DFIG中，控制環(huán)對(duì)負(fù)阻尼也具有直接的影響，尤其是轉(zhuǎn)子變換器的控制。一些學(xué)者將DFIG上發(fā)生的這種次同步頻率的振蕩稱為“次同步控制互作用”（SubsynchronousInteraction,SSCI）。并網(wǎng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)n會(huì)影響系統(tǒng)電抗，n越小，電抗就越大，從而導(dǎo)致諧振頻率降低。因?yàn)殡姼兄泻衝的倒數(shù)項(xiàng)，所以并網(wǎng)臺(tái)數(shù)越少時(shí)，臺(tái)數(shù)對(duì)頻率的影響就越大。由于轉(zhuǎn)速可以改變等效電阻，即改變了系統(tǒng)的阻尼，進(jìn)而會(huì)影響系統(tǒng)的諧振頻率，所以，轉(zhuǎn)速也能改變諧振頻率。當(dāng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)n增大時(shí)，轉(zhuǎn)子等效電阻的絕對(duì)值會(huì)減小，系統(tǒng)的正阻尼就相應(yīng)增加，所以風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)越多，SSR的衰減系數(shù)就越大；當(dāng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較少時(shí)，隨著諧振頻率的降低，勵(lì)磁電抗也隨之減小。當(dāng)諧振頻率低到一定程度后，勵(lì)磁電感的并聯(lián)作用就會(huì)凸顯出來(lái)。轉(zhuǎn)子等效阻抗與較小的勵(lì)磁電抗并聯(lián)后，就會(huì)使最終的負(fù)電阻減小，從而使得系統(tǒng)的阻尼增強(qiáng)。以上便是振蕩衰減系數(shù)與并網(wǎng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)間非線性關(guān)系的機(jī)理。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)SSR的抑制措施建議有以下兩點(diǎn)：①在風(fēng)速較低且并網(wǎng)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較少或檢測(cè)到SSR現(xiàn)象存在時(shí)，應(yīng)切除固定串補(bǔ)（已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)）。②調(diào)整DFIG變換器的控制參數(shù)，適當(dāng)減小RSC電流跟蹤的比例系數(shù)，適當(dāng)減小定子無(wú)功功率控制的比例系數(shù)，適當(dāng)增大GSC直流電壓控制的比例系數(shù)。

二、新能源發(fā)電與微電網(wǎng)電能質(zhì)量治理問(wèn)題

1.新能源的電能質(zhì)量問(wèn)題智能電網(wǎng)及新能源發(fā)電對(duì)電能質(zhì)量治理的新需求主要可以表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。1）電力電子設(shè)備本身應(yīng)具備治理能力。2）治理裝置應(yīng)更加節(jié)能。3）治理設(shè)備應(yīng)具備綜合補(bǔ)償能力。4）應(yīng)該提供整套的解決方案。5）各電能質(zhì)量設(shè)備應(yīng)為智能電網(wǎng)的一部分，應(yīng)協(xié)調(diào)控制。目前，新能源接入標(biāo)準(zhǔn)（風(fēng)電接入標(biāo)準(zhǔn)、太陽(yáng)能接入標(biāo)準(zhǔn)和儲(chǔ)能設(shè)備接入標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)設(shè)備接入提出了具體要求，希望能夠開發(fā)具備電能質(zhì)量治理能力的新型設(shè)備。以風(fēng)電為例，風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量問(wèn)題包括異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率因數(shù)低、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的諧波問(wèn)題以及設(shè)備低電壓穿越能力不足等。圖8所示為我國(guó)風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低電壓穿越的要求。2.微電網(wǎng)電能質(zhì)量治理微電網(wǎng)的電能質(zhì)量治理應(yīng)注意以下幾方面：一是微電網(wǎng)中電力電子裝置較多，電能質(zhì)量干擾源多種多樣，導(dǎo)致配置補(bǔ)償裝置比較復(fù)雜。二是微電網(wǎng)運(yùn)行方式多變，補(bǔ)償需要適應(yīng)各種不同情況。三是微電網(wǎng)一般較弱，電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置接入易出現(xiàn)諧振，應(yīng)具備諧振抑制功能。圖9為500kW海洋多能互補(bǔ)型獨(dú)立電力系統(tǒng)。其主要研究的技術(shù)包括多能發(fā)電的容量匹配設(shè)計(jì)、直流系統(tǒng)調(diào)壓控制（如發(fā)電－逆變功率調(diào)節(jié)、DumpLoad等）、交流系統(tǒng)穩(wěn)定控制、系統(tǒng)整體建模與分析、系統(tǒng)整體EMS控制策略及電能質(zhì)量分析與控制策略。在直流供配電技術(shù)方面，柔性直流輸電技術(shù)不存在換相失敗問(wèn)題，可以輸出或吸收大量無(wú)功，在一定范圍內(nèi)有功、無(wú)功可以非常快速并且獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以快速地轉(zhuǎn)換有功功率的傳送方向。避免系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定問(wèn)題，系統(tǒng)薄弱的部分有了柔性直流輸電的支持也可以保持穩(wěn)定運(yùn)行，在極端情況下還可以為電網(wǎng)提供黑啟動(dòng)的能力，可將電能質(zhì)量問(wèn)題分隔開，減小其傳播，便于就地治理。對(duì)于增強(qiáng)電網(wǎng)的可控性具有重要意義。圖10為基于VSC直流配網(wǎng)示意圖。此配電網(wǎng)屬于五端網(wǎng)絡(luò)，1、3、4為電源，2、5為負(fù)荷。從圖中可以看出，交流系統(tǒng)F1和F4故障，不影響2、5負(fù)荷用電（S3保持正常供電），可利用S3實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)，快速恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行；交流系統(tǒng)的電壓干擾等不會(huì)傳導(dǎo)至負(fù)荷的逆變電源處，供電質(zhì)量不受影響；按交流系統(tǒng)10kV，直流為±15kV，輸送容量可達(dá)15MW以上，約為交流的3倍。當(dāng)前，電力電子變換器技術(shù)已經(jīng)比較成熟，直流輸配電技術(shù)將迎來(lái)快速發(fā)展。對(duì)于解決各種電能質(zhì)量問(wèn)題，減少諧波干擾，以及提高電網(wǎng)可控性都有很大的幫助。

作者：姜齊榮