深度！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

从历史上来看,SSR/SSO形态是多样化的,而且处在不断的动态发展中。对其形态进行适当的分类有助于加深物理认识和建立共同的科研语境。在1970年代末至1990年代中期,IEEEPSDP分委会对此开展了细致的工作,但进入21世纪以来,相关工作逐渐停顿。而新型SSR/SSO现象的出现导致目前对其名称和分类上比较混乱的局面。本节先回顾IEEE关于SSR/SSO的形态分类,然后尝试提出一种新的分类方法。

2.1 IEEE已有分类方法

IEEE电力系统工程委员会、PSDP工作组的SSR专门工作小组于1979年发布的第1次文献补充[5]中对SSR的形态进行划分,此后经多次修正,最近的版本是1992年发布的[15]。如图1所示,总体上分为SSR和SSO两大类,SSR为汽轮发电机与串补电容的相互作用,包括IGE、TI和TA3个子类;SSO是指汽轮发电机与系统的其他快速控制设备(如PSS、SVC、HVDC[16]、电液调速、变速驱动变换器)的互动。更普遍地,只要设备的控制或反应足够快,能对次同步频率的功率或转速变化做出响应,即可能影响或引发SSR/SSO。

图1 IEEEPSDP-SSR工作小组对SSR/SSO的形态分类

2.2 建议的新分类方法

风电等变流器式电源参与或引发的次同步功率振荡现象出现后,原有分类方法不再适用,故本文尝试提出一种新的SSR/SSO形态分类思路。SSR/SSO的2个关键要素是：振荡模式的主导来源和机网间的相互作用方式;根据前者可将电力系统中出现过的各种SSR/SSO在形态上分为3大类,进一步可依据后者来细分,如图2所示。

第1类形态源于旋转电机的轴系扭振,其中旋转电机包括大型汽轮机组、水轮机组、1-3型风电机组和大型电动机;系统中的串联电容、高速控制装备/器(包括SVC、LCC-HVDC、VSC-HVDC、PSS/电液调速)以及进行投切操作的开关等对机械扭振做出反应,可能导致机组在对应扭振模式上的阻尼转矩减弱乃至变负,造成振荡的持续乃至放大。

第2类形态源于电网中电感(L)-电容(C)构成的电气振荡,交流串补电网、各种滤波电路以及并联补偿都存在构成L-C振荡的电路元件,仅从电网来看,由于网络元件具正电阻特性,不会导致该L-C振荡的持续或发散,但旋转电机(包括同步/异步发电/电动机)或者电力电子变流器在特定工况下可能对该振荡模式呈现“感应发电机/负电阻”效应,当负电阻超过电网总正电阻时,就可能导致L-C振荡发散;当然,电机或变流器也会改变等值电感/电容参数,从而在一定程度上改变振荡频率。

第3类形态则源于电力电子变流器之间或其与交流电网相互作用产生的机网耦合振荡,与第1、2类形态不同,这一形态往往难以从机组或电网侧找到初始的固有振荡模态,如果基于阻抗模型来解释,它也可以看作是多变流器与电网构成的“虚拟阻抗”在特定频率上出现串联型(阻抗虚部0、实部≤0)或并联型(阻抗无穷大)谐振的现象。

实际系统中,3种形态的振荡是可以共存的,特定情况下2种形态振荡的频率相互接近(或互补)时,甚至会出现风险更大的共振现象,譬如第1种形态的机组扭振频率与第2种形态的电气振荡频率接近互补时,会导致严重的共振发散现象,对应IEEE定义的TI型SSR。图2同时展示了本文分类方法与之前IEEE分类方法,以及新型SSR/SSO概念的关系。可见,新分类方法能兼容此前形态,具有很好的包容性和可扩展性。

图2 建议的SSR/SSO形态分类方法