自2009年美国德州双馈风电场发生次同步振荡引起关注之后,国际上众多学者对风电场并网系统的次同步振荡进行了大量的研究,提出了多种方法以抑制次同步振荡的产生或者降低其发生的风险。根据抑制机理的不同分为以下几种类型:改变电气参数、附加阻尼控制、附加滤波装置 。
(1)改变系统运行方式
在风电场并网系统实际运行过程中,如果已经检测到系统中存在次同步振荡现象,可通过避开不安全的运行方式来避免事故的进一步扩大。例如切除风电机组,切除无功补偿设备,SVG恒电压控制改为恒无功控制、风电场或者HVDC降功率运行等等。
(2)控制风机合理短路比
大型直驱风电场接入弱交流系统或者双馈风电场经串补并入电网时会出现次同步振荡风险,因此可在规划阶段通过评估风电机组接入总容量与电网短路容量以及串补度的关系,合理规划风电发展。适当增强网架结构,降低输电线路与变压器阻抗,提高风电场并网点短路比,同时优化输电线路串补度,也可以降低次同步振荡发生风险。但是增强网架结构会大幅度地增加风电建设成本,经济效益不高。建设初期合理的规划风电装机容量更对解决此问题更有帮助。
(3)优化风电机组控制器
通过优化控制器参数、改善控制策略,提高风电机组抑制次同步振荡的能力,改变风电机组的输出阻抗特性,从而改变风电机组与电网相互作用的次同步振荡谐振点,可以有效降低次同步振荡对系统安全稳定运行的危害。
(4)串联型FACTS装置
常用来抑制风电并网系统次同步振荡的串联型FACTS装置主要包括可控串联补偿电容器TCSC、门级控制串联电容器、静止同步串联补偿器(SSSC)等。有文献分析了TCSC和GCSC对风电场次同步振荡的抑制策略,并通过仿真验证了大干扰下对SSCI的阻尼效果。虽然串联型FACTS装置通过合理的设计能够取得很好的抑制效果,但它串接于系统之中,结构上不够灵活,缺乏可靠性,且全控型的FACTS装置价格昂贵。
(1)风电机组变流器附加阻尼控制
有文献指出在风电机组转子侧变流器(RSC)或者网侧变流器(GSC)控制系统中附加阻尼控制,可以抑制风电场的次同步振荡,且转子侧附加阻尼效果较好。也有文献提出在DFIG的转子换流器的控制器内电流环d轴或者q轴上附加一个陷波器以抑制次同步振荡,特征根分析与仿真结果证明所提方法有效,并且d轴比q轴抑制效果较好。此方法通过修改双馈风电机组变流控制器控制方式,引入阻尼控制环节实现抑制次同步振荡的方式,不需要额外增加设备,是一种经济有效的方式。但是在工程实际中会受到控制器硬件的限制,在已建成风电场的风电机组中难以增加额外的阻尼控制回路。
(2)并联FACTS装置的次同步阻尼控制
抑制风电场并网系统次同步振荡的主要并联FACTS装置包括静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、统一潮流控制器(UPFC)以及超导储能(SMES)等。有文献采用概率法研究了多运行方式下风电场次同步振荡的统计属性,利用参与因子分析其相互作用模式,并提出了基于附加阻尼的SVC抑制措施。也有文献提出一种基于VSC的集中抑制风电并网系统SSCI引起次同步振荡的装置一次同步振荡阻尼器(SSD),通过特征值分析设计了SSD的控制参数为SSCI提供正阻尼,并利用时域仿真验证所提装置的有效性。
相比串联型FACTS装置,并联型FACTS装置在结构上灵活可靠,在工程使用上更为方便,但是并联型的抑制能力有限,不能从根本上解决次同步振荡问题。
(1)阻塞滤波器
与抑制火电机组的次同步振荡相似,在风电场并网系统输电线路上串联在次同步频率下具有高阻抗,工频下具有低阻抗特性的阻塞滤波器阻断风电机组机械系统与电网电气系统的相互作用,从而可抑制次同步振荡的产生这种方法的优点是结构简单,但是存在一些缺点制约了其大规模工程应用:1)对频率十分敏感,
当环境温度导致元件参数变化时,容易失谐;2)体积大、造价高,运行时会有功率损耗且维护困难。
(2)旁路阻尼滤波器
旁路阻尼滤波器(BDF)是并联在串补线路中,由一个电阻和多个LC并联谐振滤波器串联组成。正常运行状况下,BDF在工频下具有高阻抗,在次同步频率下具有低阻抗,因此滤波器中的工频电流很小,次同步电流很大,从而抑制次同步振荡的发生。BDF对于IGE的抑制作用最为有效,它可以抑制频率在90%基频以下的次同步振荡,但是高于此范围,BDF就无能为力了。与BF类似,BDF也存在参数整定困难、容易失谐等缺点,目前还没有实际投运的工程。