机网相互作用分类优化：深入探析机网相互作用分类方法

1.IEEE关于传统汽轮发电机的SSR的定义和分类

1992年，IEEE工作组提出了标准术语来定义和分类传统汽轮发电机的SSR问题。SSR分为感应发电机效应（induction generator effect，IGE）、扭振相互作用（torsional interaction，TI）和轴系转矩放大（torsional amplification，TA），如图1.4所示。

图1.4　传统的SSR现象分类及IEEE术语

IEEE将次同步振荡（SSO）定义为由导致次同步频率范围内振荡以及可忽略或明显的互补超同步频率的任何现象引起的振荡的一般术语。因此，设备相关次同步振荡（device dependent subsynchronous oscillaiton，DDSSO）、IGE、TI、TA等被认为是现象，而SSO是由这些现象引起的振荡。

1）次同步谐振（SSR）

根据IEEE术语的定义，SSR是电力系统的一种状态，电网以低于系统同步频率的一个或多个固有频率与汽轮发电机进行能量交换。SSR进一步分为自激（也称为稳态SSR），以及暂态SSR（包括TA）。稳态SSR包含IGE和TI引起的次同步谐振。

（1）感应发电机效应（IGE）。

由串联补偿的感应发电机的自激是由感应发电机效应引起的。这是因为转子电路比次同步电枢电流产生的旋转磁场转得更快。在这种情况下，从电枢端子看，转子对次同步电流的电阻变为负值。当负电阻大于某个次同步频率下电枢和电网电阻之和时，就会发生IGE。

（2）扭振相互作用（TI）。

TI是机械系统（涡轮发电机）和串联补偿电网之间的相互作用。涡轮发电机的轴以其固有频率响应系统扰动，并在发电机端子处产生相应的次同步电压。如果该次同步频率与电网的电气谐振频率相匹配，则相应的定子电流会产生转矩，激发扭振。扭矩的幅值会不断增加，从而导致振荡的增加。

（3）转矩放大（TA）。

TA发生在串联电容补偿系统的大扰动之后。系统扰动在电网固有频率的互补频率处引起电磁转矩振荡。如果该频率与轴的某一个固有频率一致，则网络的电气频率和轴的机械频率之间会发生共振。

2）设备相关次同步振荡（DDSSO）

DDSSO可以定义为涡轮发电机与电力系统部件的各种快速作用控制器（如HVDC变换器、静止无功补偿器和高速调速器、控制器等）之间的相互作用引起的振荡。

2.现有研究对与风力发电系统相关的SSO的定义和分类

与风力发电机组相关的振荡机理和特征和与涡轮发电机相关的传统SSR事件有很大不同，因此有学者重新定义相关术语和分类，以便更好地理解风力发电机组中SSCI的机制。根据次同步振荡交互作用对象和机理不同，将振荡分类为扭振相互作用、网络谐振以及控制相互作用，如图1.5所示。该分类对传统发电并网系统和可再生能源发电并网系统的SSO均有效。

图1.5　根据交互机理的振荡分类

1）扭振相互作用(www.xing528.com)

扭振相互作用是指发电机轴（涡轮发电机或风力发电机）的机械部分与电力电子装置［如HVDC、柔性交流输电系统（flexible AC transmission systems，FACTS）等］的变流器控制装置的相互作用。扭振相互作用可能由传统的蒸汽轮机、低发电机涡轮比的水轮机、1-3型风力发电机、大型电机的机械部分与固定串联补偿、HVDC变流器、FACTS变流器、电力系统稳定器、调速器控制和断路器开关的交互作用引起。这种类型的相互作用涵盖了所有涉及传统涡轮发电机轴系和风力发电机组轴系的振荡问题。它涵盖了IEEE与轴系相关术语，如TI、TA。扭振相互作用引起的振荡频率在次同步频率范围内（fr＜f0），其中fr为振荡频率，f 0为系统基频。

2）网络谐振

电网谐振是指串联补偿电网在低于同步频率的一个或多个固有频率下与感应发电机（涡轮发电机或风力发电机）进行能量交换的电力系统状态。网络谐振发生在安装了电感（L）和电容（C）元件的系统发电侧和输电侧之间。网络谐振也称为LC谐振。网络谐振可能由固定串联补偿、可控串联电容器、阻塞滤波器、直流滤波器、并联补偿与同步机、异步机、1-3型风力发电机和3-4型风机的变流器的交互作用引起。LC谐振包括IEEE分类中定义为IGE的振荡现象。网络谐振引起的振荡频率在次同步频率范围内。

3）控制相互作用

控制相互作用是电力电子变流器（光伏或风机的变流器）控制与串联补偿或弱交流网络之间的相互作用。这种相互作用中的变流器控制对分析振荡的机理和特性起着关键作用。这种相互作用的基本原理类似于网络谐振，不同的是，这种相互作用是电力电子变流器控制提供的虚拟电容/电感之间的相互作用，而不是物理电容和电感元件之间的相互作用。控制相互作用可能由3-4型风机的变流器、基于电压/电流源换流器的HVDC、FACTS装置与弱交流电网、3-4型风机的变流器、VSC-HVDC、基于VSC的FACTS控制器的交互作用引起。这种振荡不能用IEEE现有的术语来解释。控制相互作用引起的振荡频率在次同步或超同步频率范围内（fr＜f0或f0＜fr＜2f0）。在实际电力系统中，网络谐振、扭振相互作用和控制相互作用可以同时存在。在河北沽源和新疆哈密风电系统最近发生的SSO事件中观察到了这种共存现象。沽源事件中网络谐振与控制相互作用并存。该SSO是由网络谐振引发的，并由控制相互作用维持。在哈密风力发电系统中，控制相互作用和扭振相互作用并存。振荡是由控制相互作用引起的，并通过电网传播，引起与附近涡轮发电机的扭振相互作用。

3.不同类型机网相互作用的关系

图1.6　不同类型机网相互作用的关系

基于IEEE以及现有研究对振荡的定义和分类，可以从定义和作用的角度给出不同类型的机网相互作用之间的关系，如图1.6所示。将多电源并网的复杂振荡分为两类，分别是机网次同步相互作用（subsynchronous interaction，SSI）和低频振荡。传统理论认为低频振荡由发电机快速励磁的负阻尼作用引起，一般频率为0.1～2.5 Hz，表现为各电源转子之间或与系统之间的相对摇摆。SSI通常表现为电机与电网之间功率在一个低于同步转速下的波动，即功率以低于50 Hz的频率波动。次同步相互作用包括次同步转矩相互作用（subsynchronous torque interaction，SSTI）与次同步控制相互作用。次同步转矩相互作用与轴系的机械动态有关，最终将作用于轴系上表现为机械扭转力矩，可能导致风电机组轴系机械结构的损伤。如前所述次同步谐振SSR是由电网中的串联电容引起谐振；而次同步振荡SSO现在被认为是一种含高速电子开关的控制系统稳定性问题，因为控制算法中在振荡频率附近不合适的相位关系，形成正反馈所致。次同步振荡SSO包含了次同步控制相互作用SSCI和次同步转矩相互作用SSTI，而次同步转矩相互作用包含了次同步谐振SSR。

1）次同步转矩相互作用SSTI

SSTI主要指电力系统中电力电子装置和电气元件与发电机的机械系统在低于同步频率的情况下发生的谐振，HVDC及FACTS等电力电子装置的控制器在次同步频率范围内对功率、电流等进行快速控制或响应，会影响到发电机电磁转矩和转速的相位差。如果电磁转矩和转速的相位差超过90°，这些装置就会给发电机引入负阻尼，从而引起发电机轴系的次同步增幅振荡。

2）次同步控制相互作用SSCI

SSCI是电力电子控制系统与装有串补电容的电力系统之间相互作用所发生的谐振，是随着风电发展出现的不同于火电机组次同步振荡类型的新型振荡形式。SSCI由风电机组控制器与固定串补相互作用引起，主要由风电机组控制器参数和输电系统参数共同决定，与轴系固有模态频率无关，且谐振频率也不固定。其随风力发电系统的运行状态和变流器所采用的控制算法而改变。SSCI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，进而导致系统的稳定性破坏。

3）低频振荡问题

电力系统的低频振荡在国内外均有发生，主要由于电力系统的负阻尼效应，常出现在弱联系、远距离、重负荷输电线路上，在采用快速、高放大倍数励磁系统的条件下更容易发生。当系统中的发电机经输电线并联运行时，不可避免的扰动会使各发电机的转子相对摇摆，若系统阻尼不足或者系统负阻尼就会引起持续振荡，波动频率一般为0.1～2.5 Hz，通常称之为低频振荡（又称功率振荡或机电振荡）。低频振荡问题归于小扰动稳定分析范畴，它研究的是发电机转子间功角振荡甚至引起失步的问题。按照振荡涉及的范围以及振荡频率的大小，电力系统低频振荡大致分为两类：区域振荡模式和局部振荡模式。

区域振荡模式（inter-area mode），是一部分机群相对于另一部分机群的振荡，在联系薄弱的互联系统，耦合的两个或多个发电机机群间常发生这种振荡，由于电气距离较大，同时发电机群的等值发电机的惯性时间常数较大，其振荡频率较低，一般为0.1～0.7 Hz。这种振荡的危害性比较大，一经发生会通过联络线向全系统传递。

局部振荡模式（local mode），是厂站内的机组间或电气距离较近的厂站机组间的振荡，其振荡频率一般为0.7～2.5 Hz，这种振荡局限于局部，相对于前者来说，其影响范围较小且易于消除。

4）风力发电机组的谐波问题

针对风力发电所产生谐波的研究主要集中在对风电机组和风电场的相关谐波计算、风力发电机谐波源以及风电并网后电网状况对风电机组的谐波干扰等方面。

一般而言，风力发电过程中发电机本身带来的谐波很小，而认为整流、逆变装置和并联补偿电容器是风电并网中谐波的主要来源。在失速风电系统中，电力电子装置不会参与风电机组的运行，因而恒速风机不存在上述的整流逆变装置和并联补偿电容带来的谐波问题。同时，机组投入运行时的软启动阶段，软并网装置与电网相连处于工作状态，会产生一定的谐波。但由于投入过程很短，通常注入的谐波含量也很小。对于变速风机而言，并网后变流器始终处于工作状态，若整流和逆变装置的切换频率在产生谐波的范围之内，则将会产生很高的谐波电流。同时，风机结构所处的工作环境极为复杂，其运行状态下会受到多种外部动力荷载的联合影响而诱发风机结构振动，形成环境荷载激励下耦合系统的随机振动。