多运行方式下风电机组变频器参与次同步相互作用的分析与抑制
上海电力学院电气工程学院、南方电网深圳供电局有限公司的研究人员边晓燕、施磊、宗秀红、李东东、符杨，在2017年第11期《电工技术学报》上撰文指出，大规模风电经串补线路进行远距离传送存在引发次同步相互作用的风险,系统运行方式、串补度及变频器控制参数为主要影响因素。
采用概率法和模式分析相结合,分别在含双馈感应型和永磁同步型风电场系统中,研究多运行方式下风电串补系统的次同步相互作用。利用参与因子进行模式识别,研究了串补度对次同步振荡模式及概率稳定性的影响,引入概率灵敏度指标分析起主导作用的变频器PI控制参数,并基于风电机组变频器提出一种鲁棒抑制次同步相互作用的附加阻尼控制策略。
仿真结果表明,双馈风电串补系统中易产生次同步控制相互作用,在网侧变频器加装鲁棒DFIG-PSS能实现其有效抑制,而永磁同步风电机组对这一相互作用具有免疫特性。
我国的风资源主要集中于西部、北部地区，远离负荷中心，串联电容补偿技术是提高远距离输电系统传送能力的常用措施。但风电场经串补线路并网在一定条件下易激发电力系统次同步相互作用(SubSynchronous Interaction，SSI)，威胁风电场的安全稳定运行。
风电系统SSI问题分为3种类型: 次同步扭振相互作用(Sub-SynchronousTorsional Interaction，SSTI) 、次同步谐振(Sub-SynchronousＲesonance，SSR)和次同步控制相互作用(Subsynchronous Control Interaction，SSCI)。
最先受到人们关注的是20世纪70年代美国Mohave电厂机组因SSR使轴系受损。SSCI是一种新型次同步振荡现象，2009年美国德克萨斯州公布了第一起 SSCI 事故，一条345 kV传输线因接地故障断线被切除，输电线路串补度从50%上升为75%，风电场电压与电流都出现了次同步振荡，导致风机大面积脱网，内部撬棒电路损坏。因此，次同步相互作用原理和影响因素分析以及如何有效抑制具有重要的现实意义。
目前，国内外针对次同步相互作用的分析与抑制已开展研究。文献［36］通过建立双馈风机串补系统的小干扰模型，分别采用结合参与因子的模式分析法和定转子转矩分析法，研究了风速、串补度及变频器PI参数对次同步振荡特性的影响，但并没有提出有效的抑制措施。
文献［7］通过特征值灵敏度分析得到风机转子侧变频器(Rotor Side Converter，ＲSC)电流环比例系数是影响SSI的重要因素，减小该系数可起到一定抑制作用。但是，当该系数减小到一定程度后会破坏风机控制频带宽度，难以满足故障穿越要求。
文献［8，9］对风电机组参与SSI抑制进行研究，证明风机变频器采用类似同步发电机附加阻尼控制策略的有效性，文献［10］利用静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)的能力阻尼SSI，因网侧变频器( Grid Side Converter，GSC) 的拓扑结构与STATCOM相似，文献［8］在GSC附加阻尼控制为系统提供正阻尼，通过对比加装阻尼控制器前后的相同运行工况来反映 SSI 抑制效果。
由于风电出力与负荷具有随机波动特性，在某种特定运行工况下设计的SSI阻尼控制器随系统运行状态变化可能不再适用，目前鲜有文献涉及适用于多运行方式下次同步相互作用的分析方法与抑制措施，而且上述文献探讨SSI问题大都针对双馈感应风力发电机组( Doubly Fed Wind Induction Generator，DFIG) ，而较少文献涉及永磁同步风力发电机组(PermanentMagnet Synchronous Generator，PMSG)。
本文以DFIG和PMSG风电串补系统为研究对象，考虑了风机出力和同步机出力的不确定性以及负荷随机波动的系统多运行状态，提出概率特征根法与参与因子相结合，对振荡模式进行识别，在得到系统振荡模式的统计属性后，判断模式的概率稳定性。在此基础上，分析补偿度和变频器PI参数对次同步模式的影响，进而为采用鲁棒DFIG-PSS抑制次同步相互作用提供依据，最后将仿真分析结果与无抑制措施时的性能进行了比较。
图1 次同步相互作用分类
结论
本文利用概率特征根分析法对多运行方式下风电场经串补线路并网出现的次同步相互作用进行研究，分析了串补度和变频器控制参数对次同步特性的影响，在此基础上，提出了在DFIG网侧变频器加装鲁棒PSS的抑制方法，得到如下结论：
1）通过参与因子对次同步模式进行识别，包括由轴系引起的扭振模式和变频器引起的SSCI模式，根据阻尼常数和阻尼比两种概率指标判断次同步模式稳定程度。
2）永磁同步风电机组对次同步相互作用具有免疫特性，串补度增大会使振荡模式特性变差，当超过临界串补度后会诱发次同步振荡。因机组结构和控制策略不同，相同串补度下的双馈串补系统更容易激发次同步相互作用，且随着补偿度增大，次同步概率稳定性变差。
3）采用概率灵敏度指标分析变频器控制参数对SSCI模式的影响，转子侧与网侧变频器电流内环比例系数与SSCI模式负相关，且相关程度大，系数增大会加剧SSCI，分析结论为设计鲁棒DFIG-PSS抑制次同步相互作用提供依据。
4）比较加装DFIG-PSS前后阻尼常数和阻尼比的概率密度曲线，结果验证了 SSCI抑制的有效性，在不影响其他振荡模式稳定性情况下，改善了多运行方式下系统小扰动次同步概率稳定性。