研究现状：电力系统次同步振荡问题

1970年在Mohave电厂发生的事故表明，次同步振荡能够对机组造成严重破坏，从而影响电力系统的安全稳定运行，这引起了国际电气工程界的广泛关注和重视。美国电气电子工程师学会（IEEE）于1973年成立了由美国亚利桑那公用事业公司、内华达动力公司等单位组成的次同步谐振工作组（Subsynchronous Resonance Working Group，SSRWG，简称次同步工作组），全面组织和开展了次同步振荡的一般机理、异步发电机效应、同步发电机扭振、同步机阻尼和弹性系数、分析方法、抑制和监测技术等方面的研究，给出了次同步振荡的定义、术语、符号和次同步振荡现象的分类，提出了研究次同步振荡的单机-无穷大系统和两机-无穷大系统两个标准模型。随后，次同步工作组还定期对国际上关于次同步振荡研究的文献进行归纳整理，先后于1976年、1979年、1985年、1991年、1997年五次在IEEE期刊上发表了参考文献目录，为次同步研究与交流提供了便利，创造了良好的工作平台。

20世纪80年代，我国也出现了发电机轴系扭振事故的报道。1984年，华北电管局对神头电厂3号机进行“快关汽门”试验后发现机组振动异常，停机检查发现高中压转子1号对轮12条螺栓断裂7条，其余5条螺栓全被打弯，螺母松动，在螺栓销子的承力面有接触腐蚀斑点，断口呈现疲劳损伤特征^[64]。国家自然科学基金委员会、国家电网公司等单位也提供了大量资助，支持高校与科研院所对次同步振荡的机理与抑制措施进行研究。

进入新世纪后，随着我国国民经济发展和电力需求的不断增加，电网和电源基地都得到了大规模的发展。由于我国能源资源与负荷中心分布不平衡，大量电力需要从边远地区长距离送往经济发达的中东部地区，因此线路串联补偿工程和高压直流输电工程大量增加，由此也导致了次同步振荡问题日益突出，在伊敏、绥中、上都、托克托、锦界等电厂都出现了次同步振荡的威胁，不得不采取相应的防范和缓解措施。如绥中电厂与高岭背靠背直流换流站相距很近，研究表明，当高沙线双回500kV线路退出、高岭直流与东北网解网或弱联系条件下，就可能出现失稳的SSO现象。这种工程上的实际需要，促进了对次同步振荡问题的研究，中国电力科学研究院、清华大学、浙江大学、华中科技大学和华北电力大学等都承担了大量的次同步振荡方面的研究工作。

还需注意到，近年来，风力发电在国内外得到了迅猛的发展。由于风电场大多地处偏远地区，远离负荷中心，为解决大规模风电外送问题，串联补偿技术得到广泛的应用。但串联补偿可能会诱发风电机组的次同步振荡问题，影响风电场以及外送系统的安全稳定运行^[65，66]。风电机组的次同步振荡问题表现为三种作用形式，分别是次同步谐振，指的是风电机组轴系与固定串联补偿之间的扭转相互作用；装置引发的次同步振荡，主要是指风电机组控制器与机组轴系之间的扭转相互作用，当在与轴系模态互补的电气频率下，如果系统呈现负阻尼，就会发生这种现象；风电机组控制器引发的次同步控制相互作用，是指风电机组控制器与串联补偿系统之间的作用SSCI，这是风电机组区别于火电机组的一种作用形式^[67]。实际上，SSCI不仅仅局限于风电机组，其他的FACTS控制器（如SVC，STATCOM等）与串联补偿系统交互作用均可能诱发SSCI^[68]。

SSCI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，发生的原因是风电机组的快速直接电流控制导致系统出现负阻尼。系统发生扰动所产生的谐振电流会在发电机转子上感应出对应的次同步电流，进而引起转子电流的变化。变流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，进而导致系统稳定性的破坏^[65，68]。与传统轴系扭振型的次同步振荡问题不同，SSCI与风电机组轴系扭振完全无关，只是发电机控制系统与固定串联补偿间的交互作用，振荡频率由发电机控制系统和传输线路参数决定。同时，由于SSCI没有机械系统参与作用，系统对振荡的阻尼作用较小，SSCI所导致的振荡发散速度更快。

2009年9月，在美国德克萨斯州的某风电场发生了一起SSCI事故，造成风力发电机大量跳机以及内部撬棒电路损坏，事故发生时电压和电流的录波如图1-3所示。这是目前公布的第一起SSCI事故，事故起因为该风电场电力送出的一条线路发生接地故障并断开，系统接线方式发生变化，形成该风电场与系统经带固定串联补偿（补偿度为75%）单回线路相连的辐射状供电方式。故障发生后，风力发电机控制系统与固定串联补偿间出现持续增大的振荡现象，电压电流波形畸变严重；约0.25s后，电流增大到风力发电机额定值的300%左右，电压增大到150%左右，造成风力发电机损坏。故障发生3s后，固定串联补偿保护装置将线路的固定串联补偿旁路，振荡逐渐得到抑制^[69]，SSCI消失。这一现象已受到国内外学者的密切关注，并正在开展相关机理及抑制措施研究。受篇幅所限，感兴趣的读者可查阅相关文献。

1985年，次同步谐振工作组给出了次同步振荡的术语、定义以及相关量的符号说明。但是随着新问题的产生，已发布的术语和定义不能完全涵盖或用来解释新的次同步振荡现象。图1-4梳理并给出了次同步振荡问题的一种类型划分方法，主要包括串联补偿引起的次同步谐振和装置引起的次同步振荡两大类。需要指出，目前对于次同步振荡问题的重新定义和划分还没有相关的修订标准，对此还需要进行不断地研究。(www.xing528.com)

图1-3 风电场SSCI录波图

图1-4 次同步振荡的一种新的分类方法

注意到，尽管国内外对次同步振荡进行了大量研究，但是由于它涉及机械和电气系统的复杂相互作用，其现象与特征、抑制措施等涉及电力系统的各个方面，使得其机理分析很困难，仍然有很多基础问题需要解决。例如，S-N曲线的不确定性以及疲劳寿命的准确估计等；对于交直流系统串联补偿和HVDC并列运行时的相互影响，还缺少深入的研究；对于SEDC、SSDC、SVC等不同抑制措施对次同步振荡的抑制效果，也缺少标准统一的比较方法；这些不足，都妨碍着次同步振荡问题的有效解决。

可以说，随着智能电网的发展和大功率电力电子技术及装置的广泛应用，现代电力系统中的次同步振荡产生机理、表现形式和抑制措施等诸多问题还将继续引起电力工业界和科技界的深度关注，需要对此进行更为广泛的研究，为坚强智能电网的进一步发展奠定理论与技术基础。