学术简报｜静止同步补偿器与直驱永磁风机的次同步控制交互研究
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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员任必兴、杜文娟等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文，从开环模式谐振角度分析风电场中静止同步补偿器（STATCOM）与多台直驱永磁风机（PMSG）之间的次同步控制交互（SSCI）作用，详细推导并网STATCOM的开环线性化分析模型，并建立含STATCOM与多台PMSG的全系统的闭环线性化互联模型。
当STATCOM控制参数调节不恰当时，其与PMSG会发生开环模式谐振，诱发次同步控制交互。基于残差理论，提出一项模式谐振估测指标，能够有效评估STATCOM与PMSG因开环模式谐振引起的SSCI影响。
算例分析表明：当发生模式谐振时，STATCOM与PMSG之间的无功控制交互影响要远强于直流电压控制交互，可能引发剧烈的次同步振荡失稳，非线性时域仿真结果证明了理论分析的正确性；PMSG输出功率与模式谐振诱发的SSCI作用成正比，电气设备间距、电网强度与SSCI成反比；STATCOM恒电压控制比恒无功控制对系统稳定的威胁更大。
风电场装设静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）不仅可以有效补充风电场的无功，提高低压穿越能力、改善风电场暂态电压稳定性，还可以在STATCOM控制回路附加阻尼控制器抑制风电场次同步振荡，目前已在我国西北电网取得工程应用。
近年来，国内外新能源并网引发的次同步控制交互（Sub-Synchronous Control Interaction, SSCI）事故屡见不鲜。SSCI主要由风机控制器与固定串补之间的相互作用引发，是当前研究热点之一。近年来，我国西北电网某直驱风场在附近无串补装置的情况下同样发生了次同步振荡事故，其发生机理尚无法用传统的次同步振荡类型（SSCI、SSR、SSTI）准确描述。
风电场中装设的STATCOM也可能与风机发生负交互影响，危害系统稳定运行。文献[9]中时域仿真算例表明，STATCOM的控制器参数对直驱永磁风机（wind turbine with direct-driven Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）的次同步振荡特性有显著影响，控制器增益越大，振荡频率越高，阻尼越弱，但该文献中尚未明确给出PMSG与STATCOM之间交互影响的机理分析。
文献[10]详细推导了双馈风电机组与STATCOM在系统扰动下相互激励的表现形式，时域仿真分析得出双馈风电机组与STATCOM之间交互作用的强弱与风机和STATCOM的控制器参数密切相关。
针对风电场SSCI现象，常用的分析方法是特征值法与时域仿真法。阻抗分析法将并网风机和接入系统等效为两个独立的阻抗模型，具有清晰的物理概念；通过分析端口阻抗频率特性，可为风机并网稳定分析提供机理性分析。
关于阻抗法的建模分析，文献[14]以一个简单的直驱风机-交流并网系统为例，分别推导了直驱风机和交流电网基于同步参考坐标系的阻抗模型，进而构建了系统整体的阻抗模型。文献[15]基于同步参考坐标系，推导了直驱风机动态模型和输入导纳模型，提出了直驱风机网侧输入导纳在次同步频率范围的负电导特性是次同步振荡的重要表现形式。
模式谐振现象，即两个模式在复平面中位置靠近时会出现“反方向弹开”，已取得了数学理论推导；应用模式谐振理论研究风机并网对系统机电模式的影响已取得了一定突破。本文借鉴阻抗法的建模思路，将STATCOM与余下风机系统区分为两个独立互联的子系统，从开环模式谐振角度解释了STATCOM与PMSG之间可能发生的SSCI现象。
首先，本文建立了含STATCOM与PMSG的全系统闭环线性化互联模型；其次，在该模型基础上，基于残差理论提出了一项模式谐振估测指标，能够近似估测STATCOM与PMSG的控制模式在复平面的谐振位移，量化评估STATCOM与PMSG的SSCI影响。
此外，本文还比较了STATCOM在不同控制方式下的模式谐振，并分析了风机出力、设备电气间距风电场接入系统强度以及STATCOM不同工作方式对谐振强弱的影响。
图1 装设STATCOM的风电场
本文借鉴阻抗分析法的建模思路，建立了一种含STATCOM与PMSG的电力系统闭环互联模型。在该模型的基础上，本文从开环模式谐振角度阐释了STATCOM与PMSG的次同步控制交互作用，并提出了一项开环模式估测指标，能够较为有效地评估STATCOM与PMSG的谐振位移，可作为量化评估次同步控制交互的依据。
通过本文算例，取得如下结果：
1）STATCOM与PMSG发生无功控制开环模式谐振时，STATCOM与PMSG之间的SSCI作用较强，严重时可能导致系统次同步振荡失稳；相比无功控制环节，STATCOM与PMSG的直流电压控制即使发生开环模式谐振，SSCI作用很弱，不会威胁系统稳定运行。
2）影响PMSG与STATCOM间动态交互的关键因素主要有：①内部因素指的是PMSG功率输出和设备间的电气距离。PMSG功率输出越多，模式谐振时PMSG与STATCOM的交互影响越强；PMSG与STATCOM的电气设备间距越大，发生模式谐振时PMSG与STATCOM的交互影响越弱。②外部因素指的整个风电场接入电网的强度。接入电网的强度越弱（外送输电距离越长），模式谐振时PMSG与STATCOM的交互影响越强。③STATCOM采用恒电压工作方式，比恒无功工作方式对系统稳定性的威胁更大。
本文所得结论与算例分析结果，对于大型风电基地中SATCTOM设备投运后的系统稳定性分析具有一定的理论指导意义。下一步工作是在本文理论分析基础上，研究系统运行参数、STATCOM工作方式等因素对STATCOM失稳域的影响，并针对由控制参数调节失当诱发的SSCI，展开STATCOM与多台PMSG控制参数的全局优化方法研究。