大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)次同步振蕩相互作用的多維度解析與應(yīng)對(duì)策略一、引言1.1研究背景與意義在全球能源結(jié)構(gòu)加速向清潔能源轉(zhuǎn)型的大背景下，風(fēng)能作為一種清潔、可再生的能源，其大規(guī)模開發(fā)與利用已成為實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵路徑。我國風(fēng)能資源豐富，主要集中在“三北”地區(qū)，而負(fù)荷中心多位于中東部，這種能源與負(fù)荷的逆向分布格局，使得大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)需遠(yuǎn)距離外送至負(fù)荷中心。為充分利用輸電通道，提高輸電效率，風(fēng)火打捆輸電模式應(yīng)運(yùn)而生。該模式將風(fēng)電場(chǎng)與火電廠聯(lián)合起來，通過同一輸電線路進(jìn)行電力外送，既發(fā)揮了火電的穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力，又促進(jìn)了風(fēng)電的消納，成為我國能源輸送的重要方式之一。然而，隨著大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，次同步振蕩（Sub-SynchronousOscillation，SSO）問題逐漸凸顯，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。次同步振蕩是指電力系統(tǒng)中由于電氣系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)相互作用，產(chǎn)生的頻率低于同步頻率（50Hz或60Hz）的振蕩現(xiàn)象。在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，涉及到火電機(jī)組軸系特性、風(fēng)電機(jī)組控制策略、輸電線路參數(shù)等多個(gè)因素。例如，火電機(jī)組軸系存在多個(gè)固有扭振模態(tài)，當(dāng)電氣系統(tǒng)的某些擾動(dòng)頻率與軸系固有頻率接近時(shí)，可能引發(fā)軸系的強(qiáng)烈扭振，導(dǎo)致機(jī)組部件疲勞損壞，甚至造成軸系斷裂等嚴(yán)重事故。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組大量采用電力電子變換器，其復(fù)雜的控制策略和快速的響應(yīng)特性，會(huì)改變系統(tǒng)的電氣阻尼特性，可能與火電機(jī)組軸系相互作用，激發(fā)次同步振蕩。近年來，國內(nèi)外發(fā)生了多起由風(fēng)火打捆系統(tǒng)引發(fā)的次同步振蕩事件。2015年7月，我國新疆地區(qū)某火電廠因同一系統(tǒng)內(nèi)大型直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的匯入，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組次同步振蕩發(fā)生，軸系扭振保護(hù)相繼跳閘并造成停機(jī)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大影響。在國外，類似的事故也時(shí)有發(fā)生，這些事件表明，次同步振蕩已成為限制風(fēng)火打捆系統(tǒng)大規(guī)模發(fā)展和安全運(yùn)行的瓶頸問題。深入研究大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)次同步振蕩的相互作用具有至關(guān)重要的意義。從理論層面來看，目前對(duì)于風(fēng)火打捆系統(tǒng)次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及傳播特性等方面的認(rèn)識(shí)仍不夠深入和全面，研究兩者的相互作用有助于完善電力系統(tǒng)次同步振蕩理論體系，揭示復(fù)雜系統(tǒng)中機(jī)電耦合的內(nèi)在規(guī)律，為后續(xù)的分析和控制提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，準(zhǔn)確掌握次同步振蕩的相互作用特性，能夠?yàn)轱L(fēng)火打捆系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)度以及次同步振蕩抑制措施的制定提供科學(xué)依據(jù)，有效降低次同步振蕩發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高風(fēng)火打捆系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)清潔能源的高效利用與電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀次同步振蕩問題自20世紀(jì)70年代被提出以來，一直是電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。早期的研究主要聚焦于傳統(tǒng)火電系統(tǒng)中串聯(lián)補(bǔ)償電容引發(fā)的次同步振蕩，隨著風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展，大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)的次同步振蕩問題逐漸受到關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者從理論分析、建模方法、影響因素及抑制措施等多個(gè)方面展開了深入研究。在理論分析方面，國外學(xué)者率先開展了對(duì)次同步振蕩基本理論的研究，建立了經(jīng)典的分析方法，如特征根法、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法等。這些方法為后續(xù)研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)火打捆系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入剖析。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]應(yīng)用諧波響應(yīng)法和復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法，分析了風(fēng)電場(chǎng)引發(fā)火電機(jī)組次同步振蕩的機(jī)理，指出軸系扭振模態(tài)可觀測(cè)度、風(fēng)電場(chǎng)容量、風(fēng)速等因素對(duì)次同步振蕩有顯著影響。建模方法上，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組建立了多種數(shù)學(xué)模型。國外研究中，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（PMSG）模型已較為成熟，能夠準(zhǔn)確描述風(fēng)電機(jī)組的電氣特性和控制策略。國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了風(fēng)火打捆系統(tǒng)中不同類型機(jī)組的耦合關(guān)系，建立了更為全面的系統(tǒng)模型。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]基于PSCAD軟件搭建了含直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)和火電廠汽輪發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)模型，通過仿真驗(yàn)證了模型的正確性，為后續(xù)研究提供了有效的仿真平臺(tái)。對(duì)于影響因素的研究，國內(nèi)外均取得了豐碩成果。國外研究發(fā)現(xiàn)，火電機(jī)組軸系特性、風(fēng)電場(chǎng)控制策略以及輸電線路參數(shù)等對(duì)次同步振蕩有重要影響。國內(nèi)學(xué)者則從多個(gè)角度進(jìn)行了分析，研究表明，風(fēng)電場(chǎng)至火電機(jī)組的電氣距離、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器內(nèi)環(huán)增益系數(shù)等因素會(huì)改變系統(tǒng)的電氣阻尼特性，進(jìn)而影響次同步振蕩的發(fā)生和發(fā)展。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]通過理論分析和仿真研究，詳細(xì)分析了火電機(jī)組軸系扭振特性、風(fēng)電場(chǎng)容量等因素對(duì)次同步振蕩的影響規(guī)律。在抑制措施方面，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法。國外研究中，基于電力電子裝置的次同步振蕩抑制技術(shù)，如靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者則結(jié)合我國電網(wǎng)實(shí)際情況，提出了一系列針對(duì)性的抑制策略。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]提出在直驅(qū)風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)無功外環(huán)處附加阻尼控制的方法，有效抑制了火電機(jī)組的次同步振蕩。此外，還有學(xué)者提出通過優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)控制策略、調(diào)整輸電線路參數(shù)等方式來抑制次同步振蕩。盡管國內(nèi)外在大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)次同步振蕩方面已取得了眾多研究成果，但仍存在一些不足與空白?，F(xiàn)有研究對(duì)風(fēng)火打捆系統(tǒng)中次同步振蕩的復(fù)雜非線性特性研究不夠深入，難以準(zhǔn)確描述系統(tǒng)在不同工況下的次同步振蕩行為；在多因素耦合作用下，次同步振蕩的傳播特性和演變規(guī)律尚不清晰，給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了潛在風(fēng)險(xiǎn)；部分抑制措施在實(shí)際工程應(yīng)用中存在成本高、可靠性低等問題，缺乏綜合考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性的有效解決方案。針對(duì)上述問題，本文將從風(fēng)火打捆系統(tǒng)的整體特性出發(fā)，深入研究次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理、傳播特性以及抑制策略。通過建立更為精確的系統(tǒng)模型，考慮多因素耦合作用，揭示次同步振蕩的內(nèi)在規(guī)律；結(jié)合實(shí)際工程需求，提出經(jīng)濟(jì)可行、高效可靠的次同步振蕩抑制措施，為大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支持和技術(shù)保障。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)建模：分別對(duì)風(fēng)電機(jī)組（重點(diǎn)研究雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)PMSG）和火電機(jī)組（包括汽輪發(fā)電機(jī)組軸系、同步發(fā)電機(jī)等）進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模?？紤]風(fēng)電機(jī)組的控制策略，如最大功率追蹤控制、槳距角控制等，以及火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等環(huán)節(jié)。同時(shí)，建立輸電線路模型，考慮串聯(lián)補(bǔ)償電容等元件對(duì)系統(tǒng)電氣特性的影響，構(gòu)建完整的大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)模型。次同步振蕩機(jī)理分析：運(yùn)用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法、特征根分析法等經(jīng)典理論，深入分析風(fēng)火打捆系統(tǒng)中次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理。研究風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組之間的機(jī)電耦合關(guān)系，揭示電氣系統(tǒng)擾動(dòng)如何通過軸系傳遞，激發(fā)火電機(jī)組的次同步扭振，以及風(fēng)電機(jī)組控制策略對(duì)系統(tǒng)電氣阻尼特性的影響，明確次同步振蕩的誘發(fā)因素和作用機(jī)制。影響因素研究：全面分析影響風(fēng)火打捆系統(tǒng)次同步振蕩的各種因素。包括火電機(jī)組軸系扭振特性，如固有頻率、阻尼比等參數(shù)對(duì)振蕩的影響；風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)因素，如風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)電場(chǎng)容量、風(fēng)速變化等對(duì)次同步振蕩的作用；電氣參數(shù)方面，研究輸電線路參數(shù)、串聯(lián)補(bǔ)償度以及風(fēng)電場(chǎng)至火電機(jī)組的電氣距離等因素與次同步振蕩的關(guān)聯(lián)，通過理論分析和仿真研究，總結(jié)各因素對(duì)次同步振蕩的影響規(guī)律。抑制策略設(shè)計(jì)：針對(duì)風(fēng)火打捆系統(tǒng)次同步振蕩問題，提出有效的抑制策略。從控制策略優(yōu)化角度，研究改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組的控制算法，如在網(wǎng)側(cè)變流器或轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制中附加阻尼控制環(huán)節(jié)，增加系統(tǒng)的電氣阻尼，抑制次同步振蕩?？紤]采用電力電子裝置，如靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等，利用其快速響應(yīng)特性，對(duì)系統(tǒng)的無功功率和電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善系統(tǒng)的阻尼特性，抑制次同步振蕩的發(fā)生和發(fā)展。同時(shí)，分析不同抑制策略的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，綜合考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，提出最優(yōu)的抑制方案。案例分析與驗(yàn)證：選取實(shí)際的大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)工程案例，利用所建立的模型和提出的抑制策略進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。通過與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和抑制策略的有效性。根據(jù)案例分析結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化模型和抑制策略，為實(shí)際工程中的次同步振蕩問題提供切實(shí)可行的解決方案，確保風(fēng)火打捆系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。1.3.2研究方法建模與理論分析方法：基于電力系統(tǒng)基本理論，運(yùn)用電路原理、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制原理等知識(shí)，建立風(fēng)電機(jī)組、火電機(jī)組以及輸電線路等各部分的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)模型進(jìn)行小信號(hào)分析，推導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)方程，利用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法分析系統(tǒng)的電氣阻尼特性，通過特征根分析確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和振蕩模態(tài)，從理論層面揭示次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。仿真研究方法：借助電力系統(tǒng)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，搭建大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)的仿真模型。在仿真平臺(tái)上模擬各種運(yùn)行工況和故障條件，觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析次同步振蕩的特性和變化規(guī)律。通過改變模型參數(shù)，研究不同因素對(duì)次同步振蕩的影響，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，并對(duì)提出的抑制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化。實(shí)例驗(yàn)證方法：收集實(shí)際大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、電氣量測(cè)量數(shù)據(jù)等。將實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和抑制策略的實(shí)際效果。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)抑制策略的可行性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性進(jìn)行評(píng)估，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。二、大型風(fēng)電場(chǎng)與火電打捆系統(tǒng)概述2.1系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理2.1.1大型風(fēng)電場(chǎng)組成及運(yùn)行機(jī)制大型風(fēng)電場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的電力生產(chǎn)系統(tǒng)，主要由風(fēng)電機(jī)組、集電系統(tǒng)、升壓站等關(guān)鍵部分組成。風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)電場(chǎng)的核心設(shè)備，其類型豐富多樣，常見的有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（PMSG）。以水平軸風(fēng)電機(jī)組為例，它主要由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成。風(fēng)輪是捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，通常由多個(gè)葉片組成，其設(shè)計(jì)充分考慮空氣動(dòng)力學(xué)原理，葉片的形狀、角度和材料選擇都經(jīng)過精心優(yōu)化，以確保在不同風(fēng)速條件下都能高效地捕獲風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)吹過風(fēng)輪時(shí)，葉片受到空氣動(dòng)力的作用，產(chǎn)生升力和阻力，從而使風(fēng)輪繞其軸線旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。傳動(dòng)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將風(fēng)輪的低速旋轉(zhuǎn)傳遞給發(fā)電機(jī)，并通過齒輪箱等裝置進(jìn)行增速，以滿足發(fā)電機(jī)的運(yùn)行要求。對(duì)于DFIG，其轉(zhuǎn)子通過滑環(huán)與外部電路相連，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出特性；而PMSG則采用永磁體勵(lì)磁，具有較高的效率和可靠性，且無需電刷和滑環(huán)，減少了維護(hù)成本和故障風(fēng)險(xiǎn)?？刂葡到y(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組中起著“大腦”的作用，它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)，并根據(jù)這些信息對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行智能控制。例如，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，控制系統(tǒng)通過調(diào)整槳距角，使葉片能夠更好地捕獲風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤控制；當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，控制系統(tǒng)則會(huì)調(diào)整槳距角，限制風(fēng)輪的捕獲功率，保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。集電系統(tǒng)負(fù)責(zé)將各個(gè)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能收集起來，并傳輸至升壓站。它通常由集電線路、箱式變電站等組成，集電線路采用電纜或架空線路，將風(fēng)電機(jī)組輸出的低壓電能匯聚到箱式變電站，經(jīng)過升壓后再傳輸至升壓站。升壓站是風(fēng)電場(chǎng)與外部電網(wǎng)連接的關(guān)鍵樞紐，其主要設(shè)備包括主變壓器、開關(guān)設(shè)備、保護(hù)裝置等。主變壓器將集電系統(tǒng)送來的中壓電能進(jìn)一步升壓至與電網(wǎng)匹配的電壓等級(jí)，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電。開關(guān)設(shè)備用于控制電路的通斷，保護(hù)裝置則對(duì)升壓站及整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，防止過電壓、過電流等故障對(duì)設(shè)備造成損壞。在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行機(jī)制還受到多種因素的影響。風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性使得風(fēng)電機(jī)組的輸出功率具有較大的波動(dòng)，這給風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行控制和電力調(diào)度帶來了挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一問題，風(fēng)電場(chǎng)通常會(huì)采用多種控制策略和技術(shù)手段。例如，通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)多個(gè)風(fēng)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)功率的平滑輸出；利用儲(chǔ)能裝置，如電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和存儲(chǔ)，提高風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的穩(wěn)定性和可靠性。2.1.2火電廠系統(tǒng)架構(gòu)與發(fā)電流程火電廠作為傳統(tǒng)的發(fā)電方式，其系統(tǒng)架構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，主要由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及一系列輔助設(shè)備組成，各部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。鍋爐是火電廠的核心設(shè)備之一，其作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽。以燃煤鍋爐為例，燃料系統(tǒng)將煤炭從煤場(chǎng)通過輸煤皮帶等設(shè)備輸送至鍋爐的煤斗，然后經(jīng)過給煤機(jī)進(jìn)入磨煤機(jī)，在磨煤機(jī)中煤炭被研磨成煤粉。煤粉與從空氣預(yù)熱器送來的熱空氣混合后，通過燃燒器噴入爐膛進(jìn)行燃燒，釋放出大量的熱能。爐膛內(nèi)布置有大量的受熱面，如水冷壁、過熱器、再熱器等，高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)流動(dòng)，與受熱面進(jìn)行熱交換，將熱量傳遞給管內(nèi)的水或蒸汽，使水逐漸升溫、汽化，最終形成高溫高壓的過熱蒸汽。汽輪機(jī)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。從鍋爐出來的高溫高壓過熱蒸汽通過主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)，蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)汽輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。汽輪機(jī)通常分為高壓缸、中壓缸和低壓缸，蒸汽依次在各個(gè)缸內(nèi)做功，隨著蒸汽壓力和溫度的降低，其做功能力逐漸減弱。為了提高汽輪機(jī)的效率，現(xiàn)代火電廠通常采用回?zé)嵫h(huán)和再熱循環(huán)技術(shù)?；?zé)嵫h(huán)是指從汽輪機(jī)的某些中間級(jí)抽出部分蒸汽，用于加熱給水，提高給水溫度，從而減少鍋爐的燃料消耗；再熱循環(huán)則是將汽輪機(jī)高壓缸排出的蒸汽送回鍋爐的再熱器進(jìn)行再次加熱，然后再進(jìn)入中壓缸繼續(xù)做功，提高蒸汽的做功能力。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，其主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器相連，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上通有直流電流，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，定子繞組切割磁力線，從而在定子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生交流電。發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)過主變壓器升壓后，通過輸電線路輸送至電網(wǎng)。除了上述主要設(shè)備外，火電廠還配備了一系列輔助設(shè)備，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如，給水系統(tǒng)負(fù)責(zé)向鍋爐提供充足的高品質(zhì)水，經(jīng)過預(yù)處理、除鹽、除氧等環(huán)節(jié)，確保進(jìn)入鍋爐的水符合要求；冷卻系統(tǒng)則用于冷卻汽輪機(jī)排出的乏汽，使其凝結(jié)成水，回收熱量并維持汽輪機(jī)的真空狀態(tài)，常見的冷卻方式有循環(huán)水冷卻和直接空冷等；電氣系統(tǒng)包括廠用電系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等，廠用電系統(tǒng)為火電廠內(nèi)的各種設(shè)備提供電力支持，勵(lì)磁系統(tǒng)則用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓和無功功率。2.1.3風(fēng)火打捆系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式風(fēng)火打捆系統(tǒng)是將風(fēng)電場(chǎng)與火電廠通過輸電線路連接起來，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行、共同向電網(wǎng)送電的一種電力系統(tǒng)運(yùn)行模式。在這種模式下，風(fēng)電場(chǎng)和火電廠在電力外送過程中相互協(xié)調(diào)配合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，以提高輸電效率和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在功率分配方面，風(fēng)火打捆系統(tǒng)需要根據(jù)風(fēng)電和火電的特點(diǎn)以及電網(wǎng)的需求進(jìn)行合理規(guī)劃。由于風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率波動(dòng)較大，而火電廠具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，能夠快速響應(yīng)負(fù)荷變化。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，通常優(yōu)先利用風(fēng)電，當(dāng)風(fēng)電功率不足或波動(dòng)較大時(shí)，由火電廠進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定。例如，在風(fēng)速較低的時(shí)段，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率較小，此時(shí)火電廠增加發(fā)電出力，滿足電網(wǎng)負(fù)荷需求；而在風(fēng)速較高且穩(wěn)定的時(shí)段，風(fēng)電場(chǎng)充分發(fā)揮其發(fā)電能力，火電廠則適當(dāng)降低出力，以實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用。在調(diào)度控制方面，風(fēng)火打捆系統(tǒng)需要建立一套完善的調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和火電廠的統(tǒng)一調(diào)度和管理。電網(wǎng)調(diào)度中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)和火電廠的運(yùn)行狀態(tài)，包括功率輸出、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等信息，并根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)和運(yùn)行要求，下達(dá)調(diào)度指令。風(fēng)電場(chǎng)和火電廠的控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度指令，調(diào)整自身的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足電網(wǎng)的需求。例如，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，調(diào)度中心可能會(huì)要求火電廠增加出力，同時(shí)要求風(fēng)電場(chǎng)盡量保持穩(wěn)定輸出；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或出現(xiàn)緊急情況時(shí)，調(diào)度中心能夠迅速采取措施，協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)和火電廠的運(yùn)行，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，風(fēng)火打捆系統(tǒng)還需要考慮風(fēng)電和火電之間的相互影響。由于風(fēng)電機(jī)組大量采用電力電子變換器，其輸出特性與傳統(tǒng)火電機(jī)組有很大不同，可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓、頻率和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的接入也可能改變系統(tǒng)的電氣參數(shù)和潮流分布，對(duì)火電機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生一定的干擾。為了減少這些相互影響，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中采取相應(yīng)的措施。例如，通過優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)的控制策略，提高其對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性；在輸電線路上安裝無功補(bǔ)償裝置，改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量；加強(qiáng)風(fēng)火打捆系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和控制，確保系統(tǒng)在各種工況下都能安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.2次同步振蕩的基本概念與危害2.2.1次同步振蕩的定義與頻率范圍次同步振蕩（Sub-SynchronousOscillation，SSO）是指電力系統(tǒng)中由于電氣系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)相互作用，產(chǎn)生的頻率低于同步頻率（在我國，電力系統(tǒng)的同步頻率為50Hz）的振蕩現(xiàn)象。這種振蕩現(xiàn)象通常涉及到發(fā)電機(jī)軸系的扭振以及電氣系統(tǒng)中的電流、電壓波動(dòng)。其頻率范圍一般在1Hz至20Hz之間，然而在特定的系統(tǒng)條件和運(yùn)行工況下，該頻率范圍可能會(huì)有所變化。例如，在一些含有特殊電氣設(shè)備或復(fù)雜輸電網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)中，次同步振蕩的頻率可能會(huì)超出上述常規(guī)范圍。次同步振蕩的產(chǎn)生與電力系統(tǒng)的多種因素密切相關(guān)。在傳統(tǒng)的火電系統(tǒng)中，串聯(lián)補(bǔ)償電容的應(yīng)用是引發(fā)次同步振蕩的重要原因之一。當(dāng)輸電線路采用串聯(lián)電容補(bǔ)償時(shí)，會(huì)改變系統(tǒng)的電氣參數(shù)，使得電氣系統(tǒng)的某些振蕩頻率與發(fā)電機(jī)軸系的固有扭振頻率相互接近，從而引發(fā)次同步振蕩。在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)后，情況變得更為復(fù)雜。風(fēng)電機(jī)組大量采用電力電子變換器，這些變換器的快速控制特性和復(fù)雜的運(yùn)行方式，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電氣阻尼產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)與火電廠通過同一輸電線路打捆運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組之間可能會(huì)發(fā)生機(jī)電耦合作用，進(jìn)而激發(fā)次同步振蕩。2.2.2次同步振蕩對(duì)電力設(shè)備的損害次同步振蕩對(duì)電力設(shè)備具有嚴(yán)重的損害，其中最為突出的是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系扭振疲勞。發(fā)電機(jī)軸系是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，包含多個(gè)質(zhì)量塊和彈性部件，具有多個(gè)固有扭振模態(tài)。當(dāng)次同步振蕩發(fā)生時(shí)，電氣系統(tǒng)的擾動(dòng)會(huì)通過軸系傳遞，使軸系受到交變的扭矩作用。如果次同步振蕩的頻率與軸系的某個(gè)固有扭振頻率接近，就會(huì)引發(fā)軸系的共振，導(dǎo)致軸系扭振的幅值急劇增大。長期的軸系扭振疲勞會(huì)使軸系部件的材料性能下降，出現(xiàn)裂紋、磨損等缺陷，嚴(yán)重縮短軸系的使用壽命，甚至可能造成軸系斷裂等災(zāi)難性事故。例如，1970年美國Mohave電廠發(fā)生的次同步振蕩事故，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸系嚴(yán)重?fù)p壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。次同步振蕩還會(huì)對(duì)變壓器、線路等設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。在次同步振蕩過程中，變壓器的鐵芯會(huì)受到額外的交變磁密作用，導(dǎo)致鐵芯損耗增加，溫度升高。這不僅會(huì)降低變壓器的效率，還可能加速變壓器絕緣材料的老化，縮短變壓器的使用壽命。對(duì)于輸電線路而言，次同步振蕩會(huì)使線路中的電流和電壓產(chǎn)生波動(dòng)，增加線路的有功損耗和無功損耗。同時(shí)，這種波動(dòng)還可能導(dǎo)致線路保護(hù)裝置誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。2.2.3對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響次同步振蕩對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響十分顯著，它會(huì)造成系統(tǒng)功率波動(dòng)和電壓不穩(wěn)定。當(dāng)次同步振蕩發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率會(huì)出現(xiàn)周期性的波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)沿著輸電線路傳播，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的功率平衡。如果功率波動(dòng)過大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降，影響其他發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)系統(tǒng)頻率崩潰。同時(shí)，次同步振蕩還會(huì)引起系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，使電壓幅值偏離額定值。電壓不穩(wěn)定會(huì)影響電力設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降、照明燈具閃爍等問題，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)電壓崩潰，造成大面積停電事故。在極端情況下，次同步振蕩甚至可能引發(fā)系統(tǒng)解列。當(dāng)次同步振蕩的影響不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到嚴(yán)重破壞時(shí)，為了保護(hù)系統(tǒng)的主要設(shè)備和防止事故進(jìn)一步惡化，保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，將系統(tǒng)分割成幾個(gè)部分，即發(fā)生系統(tǒng)解列。系統(tǒng)解列會(huì)使電力系統(tǒng)的供電可靠性大幅降低，給社會(huì)生產(chǎn)和生活帶來極大的不便和損失。例如，2009年我國某地區(qū)電網(wǎng)因次同步振蕩問題發(fā)生系統(tǒng)解列事故，造成了該地區(qū)部分區(qū)域停電數(shù)小時(shí)，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)秩序產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。三、次同步振蕩的產(chǎn)生機(jī)理3.1傳統(tǒng)火電系統(tǒng)次同步振蕩機(jī)理3.1.1串聯(lián)補(bǔ)償電容引發(fā)的次同步諧振在傳統(tǒng)火電系統(tǒng)中，為提高輸電線路的輸送能力和改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常采用串聯(lián)補(bǔ)償電容。然而，這種補(bǔ)償方式在一定條件下會(huì)引發(fā)次同步諧振（Sub-SynchronousResonance，SSR）現(xiàn)象，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。當(dāng)輸電線路中接入串聯(lián)補(bǔ)償電容時(shí)，串聯(lián)補(bǔ)償電容C與發(fā)電機(jī)的電感L會(huì)形成一個(gè)諧振回路。根據(jù)電路理論，該諧振回路的諧振頻率f_{0}可由公式f_{0}=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}計(jì)算得出。在正常運(yùn)行情況下，系統(tǒng)的電氣參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，該諧振回路并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響。但當(dāng)系統(tǒng)受到某些擾動(dòng)時(shí)，情況就會(huì)發(fā)生變化。例如，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障、負(fù)荷突變等情況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列頻率豐富的諧波分量。其中，某些頻率的諧波分量可能與諧振回路的諧振頻率f_{0}接近，從而激發(fā)諧振回路的強(qiáng)烈振蕩。從異步發(fā)電機(jī)效應(yīng)角度來看，當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)與電網(wǎng)頻率出現(xiàn)差異，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，發(fā)電機(jī)不僅不能向系統(tǒng)輸送電能，反而會(huì)從系統(tǒng)吸收能量，呈現(xiàn)出異步發(fā)電機(jī)的特性。這種異步發(fā)電機(jī)效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇系統(tǒng)的振蕩，使發(fā)電機(jī)的軸系受到交變扭矩的作用。機(jī)電扭振互作用也是串聯(lián)補(bǔ)償電容引發(fā)次同步諧振的重要原因。發(fā)電機(jī)的軸系是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，具有多個(gè)固有扭振模態(tài)。當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生次同步諧振時(shí)，電氣系統(tǒng)的振蕩會(huì)通過軸系傳遞，與軸系的固有扭振模態(tài)相互作用。如果次同步諧振的頻率與軸系的某個(gè)固有扭振頻率接近，就會(huì)引發(fā)軸系的共振，導(dǎo)致軸系扭振的幅值急劇增大。長期的軸系扭振會(huì)使軸系部件承受疲勞應(yīng)力，加速軸系部件的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致軸系斷裂。暫態(tài)力矩放大作用在次同步諧振中也起到了關(guān)鍵作用。在次同步諧振過程中，電氣系統(tǒng)的振蕩會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁力矩發(fā)生劇烈變化。這種變化的電磁力矩會(huì)通過軸系傳遞，在某些情況下會(huì)被放大，進(jìn)一步加劇軸系的扭振。例如，當(dāng)軸系的扭振頻率與電磁力矩的變化頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生暫態(tài)力矩放大現(xiàn)象，使軸系受到的扭矩大幅增加。為了更直觀地理解串聯(lián)補(bǔ)償電容引發(fā)的次同步諧振，以某實(shí)際火電系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)中，輸電線路長度為L_{0}，采用了串聯(lián)補(bǔ)償電容C_{0}，發(fā)電機(jī)的電感為L_{g}。在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)參數(shù)均在正常范圍內(nèi)。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，故障電流中的諧波分量激發(fā)了串聯(lián)補(bǔ)償電容與發(fā)電機(jī)電感形成的諧振回路，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)了次同步諧振。通過監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的軸系扭振情況發(fā)現(xiàn)，軸系扭振的幅值迅速增大，超過了安全閾值，對(duì)發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。這一案例充分說明了串聯(lián)補(bǔ)償電容引發(fā)次同步諧振的危害性，也凸顯了深入研究次同步諧振機(jī)理的重要性。3.1.2高壓直流輸電相關(guān)的次同步振蕩隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，高壓直流輸電（HighVoltageDirectCurrent，HVDC）技術(shù)因其具有輸電容量大、輸電距離遠(yuǎn)、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，高壓直流輸電系統(tǒng)與傳統(tǒng)火電系統(tǒng)的相互作用，會(huì)引發(fā)次同步振蕩問題，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。高壓直流輸電系統(tǒng)主要由換流站、輸電線路和控制系統(tǒng)等部分組成。在運(yùn)行過程中，換流站通過換流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)行傳輸，然后在受端換流站再將直流電轉(zhuǎn)換為交流電接入電網(wǎng)。換流器的控制策略對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性起著關(guān)鍵作用。高壓直流輸電控制系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)之間存在著復(fù)雜的相互作用。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，高壓直流輸電控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)換流器的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整，以維持直流輸電的穩(wěn)定。然而，這種調(diào)整會(huì)改變換流器的輸出特性，進(jìn)而影響到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。例如，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動(dòng)時(shí)，高壓直流輸電控制系統(tǒng)可能會(huì)調(diào)整觸發(fā)角，使換流器的輸出電流發(fā)生變化。這種變化的電流會(huì)在發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生附加的電磁力矩，與發(fā)電機(jī)的機(jī)械力矩相互作用，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)。從阻尼特性角度分析，高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的頻率振蕩和次同步振蕩均不起阻尼作用。這是因?yàn)橹绷鬏旊娤到y(tǒng)輸送的功率與網(wǎng)絡(luò)頻率無關(guān)，其控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)不同。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時(shí)，高壓直流輸電系統(tǒng)無法像傳統(tǒng)交流系統(tǒng)那樣提供阻尼，抑制振蕩的發(fā)展。相反，在某些情況下，高壓直流輸電系統(tǒng)的控制作用可能會(huì)削弱系統(tǒng)的阻尼，使次同步振蕩更加嚴(yán)重。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組與直流輸電整流站距離很近、與交流大電網(wǎng)聯(lián)系薄弱且額定功率與直流輸電輸送的額定功率在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上時(shí)，更容易出現(xiàn)次同步振蕩不穩(wěn)定的情況。在這種情況下，常規(guī)電力負(fù)荷對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組次同步振蕩的阻尼作用基本無效。因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)的主要功率交換發(fā)生在汽輪發(fā)電機(jī)組與直流輸電系統(tǒng)之間，而直流輸電系統(tǒng)又缺乏對(duì)次同步振蕩的阻尼能力，所以一旦系統(tǒng)受到擾動(dòng)，就容易引發(fā)次同步振蕩，并使其不斷加劇。以某實(shí)際高壓直流輸電與火電聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)中，汽輪發(fā)電機(jī)組與直流輸電整流站距離較近，且兩者的額定功率相近。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)生負(fù)荷突變時(shí)，高壓直流輸電控制系統(tǒng)迅速調(diào)整觸發(fā)角，導(dǎo)致?lián)Q流器輸出電流發(fā)生較大變化。這一變化使得發(fā)電機(jī)的電磁力矩出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)了發(fā)電機(jī)的次同步振蕩。通過對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和分析發(fā)現(xiàn)，由于高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)次同步振蕩缺乏阻尼作用，振蕩幅值逐漸增大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重威脅。這一案例表明，在高壓直流輸電與火電聯(lián)合運(yùn)行的系統(tǒng)中，必須充分考慮高壓直流輸電相關(guān)的次同步振蕩問題，采取有效的措施加以抑制，以確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。3.2風(fēng)電場(chǎng)接入引發(fā)次同步振蕩的新機(jī)制3.2.1雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的電氣耦合作用雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組（DFIG）在現(xiàn)代風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用廣泛，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式使其與電網(wǎng)之間存在復(fù)雜的電氣耦合作用，這種耦合在特定條件下會(huì)引發(fā)次同步振蕩，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。DFIG通過背靠背的變頻器與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電氣連接，其轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）在控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行中起著關(guān)鍵作用。在正常運(yùn)行時(shí)，RSC主要負(fù)責(zé)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤控制和無功功率調(diào)節(jié)；GSC則用于維持直流母線電壓穩(wěn)定，并控制風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的有功和無功功率交換。然而，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，這些控制策略可能會(huì)導(dǎo)致電氣系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)之間的相互作用發(fā)生變化，從而引發(fā)次同步振蕩。從電氣耦合的角度來看，DFIG的變頻器相當(dāng)于一個(gè)可控的電流源，其輸出電流的頻率、幅值和相位可以通過控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)。在次同步頻率范圍內(nèi)，變頻器的控制參數(shù)與系統(tǒng)的電氣參數(shù)相互作用，可能會(huì)導(dǎo)致電氣阻尼的變化。當(dāng)電氣阻尼為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)無法抑制次同步振蕩的發(fā)展，反而會(huì)提供能量使其不斷增強(qiáng)。具體來說，在次同步頻率下，RSC的控制參數(shù)，如比例積分（PI）控制器的參數(shù)設(shè)置，會(huì)影響轉(zhuǎn)子電流對(duì)定子電壓的響應(yīng)特性。如果PI控制器的參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流在次同步頻率下產(chǎn)生較大的波動(dòng)，進(jìn)而通過電氣耦合作用影響到發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩之間的不平衡是引發(fā)次同步振蕩的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩在次同步頻率下出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，會(huì)通過軸系傳遞到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化又會(huì)反過來影響發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，形成一個(gè)正反饋的過程，導(dǎo)致次同步振蕩的加劇。例如，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，RSC的控制參數(shù)未能及時(shí)調(diào)整，使得轉(zhuǎn)子電流在次同步頻率下產(chǎn)生振蕩，進(jìn)而引起電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩。這種振蕩的電磁轉(zhuǎn)矩作用在軸系上，會(huì)使軸系受到交變的扭矩，當(dāng)扭矩的頻率與軸系的某個(gè)固有扭振頻率接近時(shí)，就會(huì)引發(fā)軸系的共振，導(dǎo)致次同步振蕩的幅值迅速增大。為了更直觀地理解雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的電氣耦合作用對(duì)次同步振蕩的影響，以某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)為例。該風(fēng)電場(chǎng)采用了DFIG，在運(yùn)行過程中，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生突然變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)，同時(shí)系統(tǒng)中檢測(cè)到了明顯的次同步振蕩。通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)和電氣參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于RSC的PI控制器參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮次同步頻率下的特性，導(dǎo)致在風(fēng)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)子電流在次同步頻率下產(chǎn)生了較大的振蕩，進(jìn)而引發(fā)了次同步振蕩。這一案例充分說明了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的電氣耦合作用在次同步振蕩中的重要影響，也凸顯了優(yōu)化DFIG控制策略和參數(shù)設(shè)計(jì)的必要性。3.2.2直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的控制交互影響直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組（PMSG）以其高效、可靠等優(yōu)點(diǎn)在風(fēng)電場(chǎng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，PMSG的控制系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交互作用較為復(fù)雜，在一定條件下會(huì)對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生顯著影響，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。PMSG通常采用全功率變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，其控制系統(tǒng)主要包括機(jī)側(cè)變流器控制和網(wǎng)側(cè)變流器控制。機(jī)側(cè)變流器負(fù)責(zé)將發(fā)電機(jī)輸出的電能進(jìn)行整流，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率；網(wǎng)側(cè)變流器則將直流電能逆變?yōu)榻涣麟?，?shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并網(wǎng)，并控制風(fēng)電機(jī)組的有功和無功功率輸出。這些控制系統(tǒng)通過快速的信號(hào)處理和精確的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的高效運(yùn)行控制。當(dāng)PMSG接入電網(wǎng)后，其控制系統(tǒng)與電網(wǎng)之間會(huì)發(fā)生密切的交互作用。在次同步振蕩的背景下，這種交互作用可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的阻尼特性發(fā)生改變。例如，在網(wǎng)側(cè)變流器的控制中，常用的比例積分（PI）控制策略在次同步頻率下可能會(huì)產(chǎn)生相位滯后，使得變流器對(duì)電網(wǎng)電壓的響應(yīng)出現(xiàn)偏差。這種偏差會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器輸出的電流中包含次同步頻率分量，進(jìn)而影響電網(wǎng)的電壓和電流，改變系統(tǒng)的電氣阻尼。從功率平衡的角度來看，PMSG的控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出功率，以跟蹤風(fēng)速的變化并滿足電網(wǎng)的需求。在這個(gè)過程中，如果控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度過快或過慢，都可能會(huì)引發(fā)次同步振蕩。當(dāng)風(fēng)速突然變化時(shí)，機(jī)側(cè)變流器需要迅速調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤。然而，如果機(jī)側(cè)變流器的控制參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速調(diào)整過程中出現(xiàn)超調(diào)或振蕩，就會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)，其中包含次同步頻率分量。這些次同步頻率分量通過電網(wǎng)傳播，可能會(huì)與其他機(jī)組或系統(tǒng)元件發(fā)生相互作用，激發(fā)次同步振蕩。以某實(shí)際直驅(qū)永磁風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了次同步振蕩現(xiàn)象。通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)側(cè)變流器的PI控制器參數(shù)在某些工況下會(huì)導(dǎo)致相位滯后，使得變流器輸出電流中含有明顯的次同步頻率分量。同時(shí)，機(jī)側(cè)變流器在風(fēng)速變化時(shí)的控制響應(yīng)不夠精確，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率波動(dòng)較大，其中次同步頻率分量與電網(wǎng)中的其他振蕩分量相互耦合，最終引發(fā)了次同步振蕩。這一案例表明，直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交互作用對(duì)次同步振蕩有著重要影響，優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整對(duì)于抑制次同步振蕩至關(guān)重要。3.2.3風(fēng)電場(chǎng)群間的相互作用及振蕩傳播隨著風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，風(fēng)電場(chǎng)群的建設(shè)日益增多，風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)不同風(fēng)電機(jī)組間的相互作用以及次同步振蕩在風(fēng)電場(chǎng)群間的傳播問題逐漸受到關(guān)注。風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組通過輸電線路相互連接，形成了一個(gè)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其中某一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生次同步振蕩時(shí)，可能會(huì)通過相互作用和振蕩傳播影響到其他風(fēng)電機(jī)組，甚至整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)不同風(fēng)電機(jī)組之間存在著電氣耦合和控制交互作用。從電氣耦合方面來看，風(fēng)電機(jī)組之間通過輸電線路連接，輸電線路的阻抗會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組之間的電氣聯(lián)系。當(dāng)某一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生次同步振蕩時(shí)，振蕩電流會(huì)通過輸電線路傳播到其他風(fēng)電機(jī)組，導(dǎo)致其他風(fēng)電機(jī)組的電氣量也出現(xiàn)振蕩。輸電線路的電阻、電感和電容參數(shù)會(huì)影響振蕩電流的傳播特性，例如，較長的輸電線路會(huì)增加振蕩電流的衰減，但同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致振蕩的相位發(fā)生變化，使得不同風(fēng)電機(jī)組之間的振蕩相互疊加或抵消。在控制交互作用方面，風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組通常采用相似的控制策略。當(dāng)某一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組受到擾動(dòng)引發(fā)次同步振蕩時(shí)，其控制系統(tǒng)的響應(yīng)可能會(huì)通過通信網(wǎng)絡(luò)或電氣連接影響到其他風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)。如果多個(gè)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)在次同步頻率下的響應(yīng)相互耦合，可能會(huì)形成正反饋機(jī)制，導(dǎo)致次同步振蕩在風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)不斷傳播和放大。例如，當(dāng)某一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓中的次同步頻率分量時(shí)，其控制系統(tǒng)可能會(huì)調(diào)整輸出電流以抑制該分量。然而，這種調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致其他風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器也檢測(cè)到類似的次同步頻率分量，進(jìn)而引發(fā)它們的控制系統(tǒng)做出相應(yīng)調(diào)整，最終導(dǎo)致次同步振蕩在風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)傳播。次同步振蕩在風(fēng)電場(chǎng)群間的傳播過程較為復(fù)雜，受到多種因素的影響。風(fēng)電場(chǎng)群之間的電氣距離是一個(gè)重要因素，電氣距離越近，振蕩傳播的可能性越大。當(dāng)兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群通過短距離的輸電線路連接時(shí)，次同步振蕩很容易從一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群傳播到另一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群。此外，風(fēng)電場(chǎng)群的規(guī)模和結(jié)構(gòu)也會(huì)影響振蕩的傳播。規(guī)模較大的風(fēng)電場(chǎng)群，由于內(nèi)部風(fēng)電機(jī)組數(shù)量眾多，相互之間的耦合關(guān)系更為復(fù)雜，次同步振蕩在其中傳播時(shí)可能會(huì)發(fā)生復(fù)雜的非線性變化。而風(fēng)電場(chǎng)群的結(jié)構(gòu)，如輸電線路的布局、風(fēng)電機(jī)組的分組方式等，也會(huì)影響振蕩的傳播路徑和強(qiáng)度。以某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)群為例，該風(fēng)電場(chǎng)群由多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)組成，通過輸電線路相互連接。在運(yùn)行過程中，其中一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生了次同步振蕩，隨后振蕩迅速傳播到了與之相鄰的風(fēng)電場(chǎng)。通過對(duì)輸電線路參數(shù)、風(fēng)電機(jī)組控制策略以及振蕩傳播路徑的分析發(fā)現(xiàn)，由于兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)之間的輸電線路較短，電氣距離小，振蕩電流能夠快速傳播。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組采用了相似的控制策略，在次同步振蕩發(fā)生時(shí)，各風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互影響，導(dǎo)致振蕩在風(fēng)電場(chǎng)群內(nèi)不斷放大。這一案例充分說明了風(fēng)電場(chǎng)群間的相互作用及振蕩傳播對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要影響，也為研究次同步振蕩的傳播特性和抑制措施提供了實(shí)際依據(jù)。3.3風(fēng)火打捆系統(tǒng)次同步振蕩的綜合作用機(jī)理3.3.1風(fēng)電與火電系統(tǒng)的機(jī)電耦合過程在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，風(fēng)電與火電系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜的機(jī)電耦合過程，這種耦合在次同步振蕩的發(fā)生和發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。從電氣層面來看，風(fēng)電場(chǎng)與火電廠通過輸電線路相連，形成了一個(gè)緊密耦合的電氣網(wǎng)絡(luò)。風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組的輸出功率相互影響，共同決定了輸電線路中的電流和電壓分布。以雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組（DFIG）為例，其通過變頻器與電網(wǎng)連接，變頻器的控制策略會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的輸出電流特性。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸電線路中的電流出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響火電廠側(cè)的電氣量。由于火電機(jī)組的同步發(fā)電機(jī)與輸電線路直接相連，輸電線路電流的變化會(huì)引起發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩的變化頻率與發(fā)電機(jī)軸系的固有扭振頻率接近時(shí)，就會(huì)激發(fā)軸系的扭振，為次同步振蕩的發(fā)生提供了條件。在機(jī)械層面，火電機(jī)組的軸系是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，具有多個(gè)固有扭振模態(tài)。當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的變化會(huì)通過軸系傳遞，使軸系受到交變的扭矩作用。如果這種扭矩的頻率與軸系的某個(gè)固有扭振頻率匹配，就會(huì)引發(fā)軸系的共振，導(dǎo)致軸系扭振的幅值急劇增大。而風(fēng)電場(chǎng)的接入會(huì)改變系統(tǒng)的電氣參數(shù)和功率分布，從而間接影響火電機(jī)組軸系的機(jī)械特性。例如，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率增加時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組的出力下降，軸系的轉(zhuǎn)速和扭矩也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。這種變化可能會(huì)使軸系的固有扭振頻率發(fā)生漂移，增加了與電氣系統(tǒng)擾動(dòng)頻率匹配的可能性，從而加劇次同步振蕩。為了更深入地理解風(fēng)電與火電系統(tǒng)的機(jī)電耦合過程，以某實(shí)際風(fēng)火打捆系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)采用了DFIG，火電廠為常規(guī)燃煤電廠。在運(yùn)行過程中，當(dāng)風(fēng)速突然變化時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率出現(xiàn)大幅波動(dòng)。這一波動(dòng)導(dǎo)致輸電線路中的電流發(fā)生變化，進(jìn)而使火電廠發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩。由于電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩頻率與火電機(jī)組軸系的某個(gè)固有扭振頻率接近，引發(fā)了軸系的強(qiáng)烈扭振，最終導(dǎo)致了次同步振蕩的發(fā)生。通過對(duì)該案例的分析可知，風(fēng)電與火電系統(tǒng)的機(jī)電耦合是一個(gè)相互作用、相互影響的復(fù)雜過程，在次同步振蕩的產(chǎn)生中扮演著重要角色。3.3.2控制系統(tǒng)之間的相互干擾與協(xié)同效應(yīng)風(fēng)電和火電控制系統(tǒng)在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中起著核心作用，然而，它們之間存在著復(fù)雜的相互干擾與協(xié)同效應(yīng)，對(duì)次同步振蕩的產(chǎn)生和發(fā)展有著重要影響。風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)主要包括最大功率追蹤控制、槳距角控制、變流器控制等多個(gè)部分?；痣姍C(jī)組的控制系統(tǒng)則涵蓋了調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)和火電廠聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，兩者的控制系統(tǒng)之間可能會(huì)產(chǎn)生相互干擾。在次同步頻率范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組的變流器控制可能會(huì)與火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)控制發(fā)生相互作用。風(fēng)電機(jī)組的變流器通過快速調(diào)節(jié)輸出電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的控制，但其控制過程中會(huì)產(chǎn)生一系列的諧波分量，其中部分諧波分量可能會(huì)與火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾。當(dāng)變流器輸出的次同步頻率電流諧波注入電網(wǎng)后，可能會(huì)影響火電機(jī)組的端電壓，進(jìn)而導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)的控制參數(shù)發(fā)生變化。這種變化可能會(huì)使勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差，影響發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性，為次同步振蕩的發(fā)生埋下隱患。風(fēng)電機(jī)組的最大功率追蹤控制策略也可能與火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生相互影響。風(fēng)電機(jī)組的最大功率追蹤控制旨在根據(jù)風(fēng)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，以捕獲最大風(fēng)能。然而，這種快速的功率調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)則負(fù)責(zé)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化調(diào)整機(jī)組的出力，以維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的功率調(diào)整引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)會(huì)做出響應(yīng)，調(diào)整機(jī)組的出力。這種頻繁的出力調(diào)整可能會(huì)使火電機(jī)組的軸系受到額外的扭矩沖擊，增加了次同步振蕩發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)電和火電控制系統(tǒng)之間也存在著一定的協(xié)同效應(yīng)。在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，如果能夠合理設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)風(fēng)電和火電的控制系統(tǒng)，使其相互配合，可以有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制次同步振蕩的發(fā)生。可以通過建立統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制策略，使風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組在功率調(diào)節(jié)、頻率控制等方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組的控制系統(tǒng)可以根據(jù)各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，合理分配功率調(diào)節(jié)任務(wù)，共同維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)電機(jī)組可以利用其快速響應(yīng)特性，首先對(duì)負(fù)荷變化做出反應(yīng)，快速調(diào)整輸出功率；火電機(jī)組則可以根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的調(diào)節(jié)情況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β恃a(bǔ)充和調(diào)整，確保系統(tǒng)的功率平衡和頻率穩(wěn)定。通過這種協(xié)同控制，可以減少控制系統(tǒng)之間的相互干擾，提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，降低次同步振蕩發(fā)生的可能性。四、相互作用的影響因素分析4.1系統(tǒng)參數(shù)方面4.1.1火電機(jī)組軸系參數(shù)對(duì)振蕩的影響火電機(jī)組軸系參數(shù)在次同步振蕩中起著關(guān)鍵作用，其固有頻率和阻尼特性直接關(guān)系到系統(tǒng)的振蕩特性和穩(wěn)定性。軸系的固有頻率是軸系的重要特征參數(shù)，它由軸系的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布以及剛度等因素決定。當(dāng)電氣系統(tǒng)的擾動(dòng)頻率與軸系的固有頻率接近或相等時(shí)，會(huì)引發(fā)軸系的共振，導(dǎo)致軸系扭振的幅值急劇增大。以某實(shí)際火電機(jī)組為例，其軸系包含高壓缸（HP）、中壓缸（IP）、低壓缸（LP）、發(fā)電機(jī)（GEN）和勵(lì)磁機(jī)（EXC）等多個(gè)質(zhì)量塊，各質(zhì)量塊之間通過彈性軸段連接。根據(jù)軸系動(dòng)力學(xué)理論，可建立軸系的數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算出其固有頻率。假設(shè)該火電機(jī)組軸系的某一固有頻率為f_{n}，當(dāng)電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率為f_{e}的擾動(dòng)，且\vertf_{e}-f_{n}\vert較小時(shí)，軸系就會(huì)受到強(qiáng)烈的激勵(lì)，發(fā)生共振現(xiàn)象。此時(shí)，軸系扭振的幅值可能會(huì)超出安全范圍，對(duì)軸系部件造成嚴(yán)重的疲勞損傷，甚至導(dǎo)致軸系斷裂。軸系的阻尼對(duì)次同步振蕩的發(fā)展也有著重要影響。阻尼是指物體在振動(dòng)過程中消耗能量的能力，軸系阻尼主要包括機(jī)械阻尼和電氣阻尼。機(jī)械阻尼來源于軸系部件之間的摩擦、材料的內(nèi)耗等，它能夠消耗軸系振動(dòng)的能量，抑制振蕩的發(fā)展。電氣阻尼則是由于電氣系統(tǒng)與軸系之間的相互作用而產(chǎn)生的，其大小與電氣系統(tǒng)的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，風(fēng)電場(chǎng)的接入會(huì)改變電氣系統(tǒng)的參數(shù)，進(jìn)而影響軸系的電氣阻尼。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組（DFIG）時(shí)，DFIG的控制策略會(huì)影響其輸出電流的特性，從而改變電氣系統(tǒng)對(duì)軸系的作用。如果DFIG的控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致電氣阻尼為負(fù)，使軸系的振蕩得不到抑制，反而不斷加劇。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，由于DFIG的網(wǎng)側(cè)變流器控制參數(shù)不合理，導(dǎo)致在次同步頻率下電氣阻尼為負(fù)，火電機(jī)組軸系的次同步振蕩幅值不斷增大，最終引發(fā)了軸系保護(hù)動(dòng)作。4.1.2風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模與布局的作用風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模與布局是影響次同步振蕩的重要因素，其裝機(jī)容量、風(fēng)機(jī)數(shù)量及布局方式的變化會(huì)對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生顯著影響。隨著風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的增加，風(fēng)電場(chǎng)向系統(tǒng)注入的功率也相應(yīng)增大，這會(huì)改變系統(tǒng)的潮流分布和電氣參數(shù)，進(jìn)而影響次同步振蕩的特性。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量較小時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小，次同步振蕩的幅值和頻率變化較為平緩。但當(dāng)裝機(jī)容量增大到一定程度時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)與火電機(jī)組之間的相互作用會(huì)增強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致次同步振蕩的幅值增大，頻率發(fā)生漂移。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，隨著風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的逐步增加，火電機(jī)組軸系的次同步振蕩幅值呈現(xiàn)出先緩慢增加，后快速上升的趨勢(shì)。通過對(duì)系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)檠b機(jī)容量增大后，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電氣參數(shù)的影響更為顯著，使得電氣系統(tǒng)與軸系之間的耦合作用增強(qiáng)，從而加劇了次同步振蕩。風(fēng)機(jī)數(shù)量的變化也會(huì)對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生影響。風(fēng)機(jī)數(shù)量增多，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的電氣連接和控制關(guān)系變得更加復(fù)雜，不同風(fēng)機(jī)之間的相互作用可能會(huì)引發(fā)新的振蕩模式。風(fēng)機(jī)之間的電氣耦合會(huì)導(dǎo)致振蕩在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部傳播，當(dāng)傳播到一定程度時(shí)，可能會(huì)與火電機(jī)組發(fā)生相互作用，激發(fā)次同步振蕩。在一個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)風(fēng)機(jī)數(shù)量從N_{1}增加到N_{2}時(shí)，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部出現(xiàn)了新的次同步振蕩模式，并且這種振蕩模式傳播到了火電機(jī)組，導(dǎo)致火電機(jī)組軸系的次同步振蕩加劇。風(fēng)電場(chǎng)的布局方式同樣會(huì)影響次同步振蕩。不同的布局方式會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的電氣距離和阻抗分布不同，從而影響振蕩的傳播和相互作用。集中式布局的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)之間的電氣距離較短，電氣耦合較強(qiáng)，振蕩傳播速度較快；而分散式布局的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)之間的電氣距離較長，電氣耦合相對(duì)較弱，振蕩傳播速度較慢。在某風(fēng)電場(chǎng)中，分別采用集中式和分散式布局進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，集中式布局下，次同步振蕩在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部傳播迅速，更容易與火電機(jī)組發(fā)生相互作用，導(dǎo)致火電機(jī)組軸系的次同步振蕩幅值較大；而分散式布局下，次同步振蕩的傳播受到一定抑制，對(duì)火電機(jī)組的影響相對(duì)較小。4.1.3輸電線路參數(shù)的關(guān)聯(lián)輸電線路作為連接風(fēng)電場(chǎng)與火電廠的關(guān)鍵紐帶，其電阻、電感、電容等參數(shù)與次同步振蕩存在著緊密的相互關(guān)系。輸電線路的電阻會(huì)影響系統(tǒng)的有功功率損耗和電氣阻尼。當(dāng)電阻增大時(shí)，線路上的有功功率損耗增加，系統(tǒng)的能量消耗增大，這會(huì)導(dǎo)致電氣阻尼增大，對(duì)次同步振蕩起到一定的抑制作用。然而，電阻過大也會(huì)導(dǎo)致輸電效率降低，影響電力的傳輸。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，通過改變輸電線路的電阻值進(jìn)行仿真分析。當(dāng)電阻從R_{1}增大到R_{2}時(shí)，次同步振蕩的幅值有所減小，這表明電阻增大增強(qiáng)了電氣阻尼，抑制了次同步振蕩。但同時(shí)，輸電線路的有功功率損耗也明顯增加，降低了輸電效率。電感是輸電線路的重要參數(shù)之一，它對(duì)次同步振蕩的影響較為復(fù)雜。電感會(huì)影響系統(tǒng)的電抗和電氣諧振頻率。在次同步振蕩的背景下，電感與電容共同作用，可能會(huì)形成諧振回路，當(dāng)電氣系統(tǒng)的擾動(dòng)頻率與諧振頻率接近時(shí)，會(huì)引發(fā)次同步諧振，加劇振蕩。在含有串聯(lián)補(bǔ)償電容的輸電線路中，電感與電容的參數(shù)匹配至關(guān)重要。如果電感值過大或過小，都可能導(dǎo)致諧振頻率與次同步振蕩頻率接近，從而引發(fā)嚴(yán)重的次同步振蕩。在某實(shí)際輸電線路中，由于電感與電容參數(shù)不匹配，導(dǎo)致在次同步頻率下發(fā)生了諧振，火電機(jī)組軸系的次同步振蕩幅值急劇增大，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。電容在輸電線路中同樣起著重要作用。串聯(lián)補(bǔ)償電容常用于提高輸電線路的輸送能力，但它也會(huì)改變系統(tǒng)的電氣參數(shù)，增加次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)輸電線路中接入串聯(lián)補(bǔ)償電容時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的等效電容增大，從而改變諧振頻率。如果諧振頻率與軸系的固有頻率接近，就會(huì)引發(fā)次同步振蕩。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，輸電線路采用了串聯(lián)補(bǔ)償電容，在運(yùn)行過程中，由于電容參數(shù)的變化，導(dǎo)致諧振頻率與火電機(jī)組軸系的某一固有頻率接近，引發(fā)了次同步振蕩。通過調(diào)整電容參數(shù)，使諧振頻率遠(yuǎn)離軸系固有頻率，有效抑制了次同步振蕩的發(fā)生。4.2運(yùn)行條件方面4.2.1風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組及系統(tǒng)的影響風(fēng)速作為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，其變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)火打捆系統(tǒng)的次同步振蕩有著顯著影響。不同風(fēng)速條件下，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性會(huì)發(fā)生明顯改變，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)速處于較低水平時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率較小，其運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。在這種情況下，風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)的影響較小，次同步振蕩的幅值和頻率變化相對(duì)平緩。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速的80%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率僅為額定功率的20%左右。此時(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，次同步振蕩的幅值在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，頻率也較為穩(wěn)定，對(duì)火電機(jī)組的影響可以忽略不計(jì)。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)電機(jī)組逐漸進(jìn)入額定風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，輸出功率逐漸增大。然而，風(fēng)速的波動(dòng)也會(huì)隨之加劇，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)。風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)會(huì)通過輸電線路傳遞到火電機(jī)組，影響火電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。在某風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速的90%-110%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)幅度達(dá)到了額定功率的15%左右。這種波動(dòng)使得輸電線路中的電流出現(xiàn)明顯變化，進(jìn)而影響到火電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致火電機(jī)組軸系的次同步振蕩幅值有所增加。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組為了保護(hù)自身設(shè)備安全，會(huì)采取槳距角控制等措施來限制輸出功率。在這一過程中，風(fēng)電機(jī)組的控制策略會(huì)發(fā)生變化，其與系統(tǒng)的相互作用也會(huì)改變。槳距角的調(diào)整會(huì)導(dǎo)致風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能發(fā)生變化，進(jìn)而影響風(fēng)電機(jī)組的輸出功率和電磁轉(zhuǎn)矩。這種變化可能會(huì)與火電機(jī)組的軸系產(chǎn)生相互作用，引發(fā)次同步振蕩。在某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速的120%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)槳距角控制，槳距角迅速增大。此時(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，次同步振蕩的頻率發(fā)生了漂移，幅值也有所增大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了一定威脅。4.2.2火電負(fù)荷波動(dòng)的作用火電機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)是影響風(fēng)火打捆系統(tǒng)次同步振蕩的重要因素之一，其對(duì)系統(tǒng)功率平衡和次同步振蕩有著不可忽視的影響。當(dāng)火電機(jī)組負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)打破系統(tǒng)原有的功率平衡狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)的潮流分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響次同步振蕩的特性。在火電機(jī)組負(fù)荷增加的情況下，為了滿足負(fù)荷需求，火電機(jī)組會(huì)增加發(fā)電出力。這會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩增大，軸系的轉(zhuǎn)速和扭矩也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。由于軸系的固有扭振頻率與電磁轉(zhuǎn)矩的變化密切相關(guān)，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，軸系的固有扭振頻率可能會(huì)發(fā)生漂移。如果此時(shí)系統(tǒng)中存在其他因素引發(fā)的次同步振蕩，軸系固有扭振頻率的漂移可能會(huì)使其與次同步振蕩頻率更加接近，從而加劇次同步振蕩。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，當(dāng)火電機(jī)組負(fù)荷增加20%時(shí)，通過對(duì)軸系參數(shù)的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，軸系的固有扭振頻率發(fā)生了明顯漂移，與次同步振蕩頻率的差值減小。同時(shí)，次同步振蕩的幅值也隨之增大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響。相反，當(dāng)火電機(jī)組負(fù)荷減少時(shí)，火電機(jī)組會(huì)降低發(fā)電出力，電磁轉(zhuǎn)矩減小。這可能會(huì)導(dǎo)致軸系的轉(zhuǎn)速和扭矩發(fā)生反向變化，同樣會(huì)影響軸系的固有扭振頻率。在某實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)火電機(jī)組負(fù)荷減少15%時(shí)，軸系的固有扭振頻率向低頻方向漂移。這種漂移可能會(huì)使軸系在次同步頻率下的阻尼特性發(fā)生改變，如果阻尼減小，就會(huì)為次同步振蕩的發(fā)展提供條件?；痣姍C(jī)組負(fù)荷波動(dòng)還會(huì)影響系統(tǒng)的功率平衡。當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額或過剩的情況。為了維持系統(tǒng)的功率平衡，風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組可能需要調(diào)整出力。然而，由于風(fēng)電場(chǎng)的出力受到風(fēng)速等因素的限制，其調(diào)整能力有限。在這種情況下，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)功率不平衡，進(jìn)而引發(fā)頻率波動(dòng)和電壓變化。這些變化會(huì)對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生間接影響，可能會(huì)改變次同步振蕩的幅值和頻率，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。4.2.3電網(wǎng)運(yùn)行方式改變的影響電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，如接線方式、運(yùn)行電壓等的調(diào)整，會(huì)對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生重要影響，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電網(wǎng)接線方式的改變會(huì)直接影響系統(tǒng)的電氣參數(shù)和潮流分布。當(dāng)電網(wǎng)采用不同的接線方式時(shí)，輸電線路的阻抗、導(dǎo)納等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)改變系統(tǒng)的電氣諧振頻率。在次同步振蕩的背景下，電氣諧振頻率的變化可能會(huì)導(dǎo)致次同步諧振的發(fā)生或加劇。在某電網(wǎng)中，當(dāng)從單回輸電線路接線方式改為雙回輸電線路接線方式時(shí)，輸電線路的總阻抗減小，電氣諧振頻率發(fā)生了改變。通過對(duì)系統(tǒng)的仿真分析發(fā)現(xiàn)，在新的接線方式下，次同步諧振的風(fēng)險(xiǎn)增加，次同步振蕩的幅值有所增大。運(yùn)行電壓的變化也是影響次同步振蕩的重要因素。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行電壓升高時(shí)，電氣設(shè)備的絕緣性能可能會(huì)受到考驗(yàn)，同時(shí)系統(tǒng)的無功功率需求也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組來說，運(yùn)行電壓的升高可能會(huì)導(dǎo)致其勵(lì)磁電流增大，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。這種變化可能會(huì)與軸系的固有扭振特性相互作用，引發(fā)次同步振蕩。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，當(dāng)運(yùn)行電壓升高10%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組的勵(lì)磁電流均有所增大，電磁轉(zhuǎn)矩也發(fā)生了明顯變化。通過對(duì)軸系扭振情況的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，次同步振蕩的幅值和頻率都發(fā)生了改變，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。相反，當(dāng)運(yùn)行電壓降低時(shí)，電氣設(shè)備的輸出功率可能會(huì)受到限制，系統(tǒng)的有功功率傳輸能力也會(huì)下降。在這種情況下，為了滿足負(fù)荷需求，火電機(jī)組可能需要增加出力，這會(huì)導(dǎo)致軸系的負(fù)荷加重。如果軸系在低電壓運(yùn)行時(shí)的阻尼特性較差，就容易引發(fā)次同步振蕩。在某實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)運(yùn)行電壓降低8%時(shí)，火電機(jī)組為了維持系統(tǒng)的功率平衡，增加了發(fā)電出力。由于軸系在低電壓下的阻尼減小，次同步振蕩的幅值逐漸增大，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。4.3控制策略方面4.3.1風(fēng)電機(jī)組控制策略的影響風(fēng)電機(jī)組控制策略在次同步振蕩中扮演著關(guān)鍵角色，最大功率跟蹤控制和無功控制策略對(duì)次同步振蕩有著顯著影響。最大功率跟蹤控制是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的重要控制策略之一，其目的是使風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速條件下都能捕獲最大風(fēng)能，提高發(fā)電效率。在實(shí)際運(yùn)行中，最大功率跟蹤控制通常通過調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的槳距角和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的最大功率跟蹤曲線，調(diào)整槳距角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)電機(jī)組始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近。在次同步振蕩的背景下，最大功率跟蹤控制可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)較大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的最大功率跟蹤控制可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率的快速變化。這種快速變化的功率會(huì)通過輸電線路傳遞到火電機(jī)組，影響火電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。由于火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)存在一定的慣性，無法迅速響應(yīng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的變化，可能會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)頻率與火電機(jī)組軸系的固有扭振頻率接近時(shí)，就會(huì)激發(fā)軸系的扭振，進(jìn)而引發(fā)次同步振蕩。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)快速變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的最大功率跟蹤控制使發(fā)電機(jī)輸出功率出現(xiàn)大幅波動(dòng)。通過對(duì)火電機(jī)組的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，其電磁轉(zhuǎn)矩也隨之發(fā)生振蕩，軸系的次同步振蕩幅值明顯增大。無功控制策略同樣會(huì)影響次同步振蕩。風(fēng)電機(jī)組的無功控制主要是通過調(diào)節(jié)變流器的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組無功功率的調(diào)節(jié)。在實(shí)際運(yùn)行中，無功控制策略通常包括定功率因數(shù)控制、無功功率補(bǔ)償控制等。定功率因數(shù)控制是指風(fēng)電機(jī)組保持輸出功率因數(shù)恒定，通過調(diào)節(jié)無功功率來維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定；無功功率補(bǔ)償控制則是根據(jù)電網(wǎng)的無功需求，風(fēng)電機(jī)組提供相應(yīng)的無功功率，以改善電網(wǎng)的無功平衡。在次同步振蕩的情況下，無功控制策略的不當(dāng)調(diào)整可能會(huì)加劇振蕩。在定功率因數(shù)控制中，如果功率因數(shù)設(shè)置不合理，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在次同步頻率下的無功功率輸出出現(xiàn)波動(dòng)。這種波動(dòng)會(huì)影響電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，進(jìn)而影響火電機(jī)組的運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)做出響應(yīng)，調(diào)整勵(lì)磁電流以維持電壓穩(wěn)定。然而，這種調(diào)整可能會(huì)與風(fēng)電機(jī)組的無功控制產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致次同步振蕩的加劇。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，由于風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)設(shè)置過低，在次同步頻率下，風(fēng)電機(jī)組的無功功率輸出出現(xiàn)較大波動(dòng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定?；痣姍C(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)為了維持電壓穩(wěn)定，頻繁調(diào)整勵(lì)磁電流，最終引發(fā)了次同步振蕩的加劇。4.3.2火電控制系統(tǒng)與風(fēng)電的兼容性火電控制系統(tǒng)與風(fēng)電控制系統(tǒng)之間的兼容性對(duì)次同步振蕩有著重要影響?；痣姍C(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)在次同步振蕩中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其與風(fēng)電控制系統(tǒng)的協(xié)同工作能力直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；痣姍C(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化調(diào)整機(jī)組的出力，以維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。在傳統(tǒng)的火電系統(tǒng)中，調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量來改變機(jī)組的出力。然而，在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，由于風(fēng)電機(jī)組的接入，電網(wǎng)頻率的波動(dòng)特性發(fā)生了變化，這對(duì)火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)提出了更高的要求。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率出現(xiàn)變化。火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)需要及時(shí)響應(yīng)這種變化，調(diào)整機(jī)組的出力。如果調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度過慢或調(diào)節(jié)精度不夠，就無法有效地維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，可能會(huì)引發(fā)次同步振蕩。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率突然增加時(shí)，電網(wǎng)頻率上升?；痣姍C(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)未能及時(shí)降低出力，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率持續(xù)升高。這種頻率的變化使得火電機(jī)組的軸系受到額外的扭矩沖擊，最終引發(fā)了次同步振蕩?；痣姍C(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓和無功功率。在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，勵(lì)磁系統(tǒng)與風(fēng)電控制系統(tǒng)的兼容性也至關(guān)重要。風(fēng)電機(jī)組的無功控制策略會(huì)影響電網(wǎng)的無功功率分布，進(jìn)而影響火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)。如果勵(lì)磁系統(tǒng)無法適應(yīng)風(fēng)電控制系統(tǒng)的變化，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組采用了無功功率補(bǔ)償控制策略，向電網(wǎng)注入了大量的無功功率。由于火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)未能及時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電壓過高，引發(fā)了次同步振蕩。當(dāng)火電與風(fēng)電控制系統(tǒng)不兼容時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致次同步振蕩的加劇。在次同步頻率下，火電與風(fēng)電控制系統(tǒng)的相互作用可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼效應(yīng)。如果火電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)在次同步頻率下的響應(yīng)與風(fēng)電機(jī)組的控制策略不匹配，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的阻尼減小，次同步振蕩的幅值不斷增大。在某實(shí)際系統(tǒng)中，由于火電與風(fēng)電控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置不合理，在次同步頻率下，兩者的相互作用產(chǎn)生了負(fù)阻尼效應(yīng)，使得次同步振蕩迅速發(fā)展，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。4.3.3協(xié)調(diào)控制策略對(duì)相互作用的調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略在風(fēng)火打捆系統(tǒng)中具有重要作用，它能夠有效調(diào)節(jié)風(fēng)電與火電之間的相互作用，抑制次同步振蕩的發(fā)生。通過建立統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制策略，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組在功率調(diào)節(jié)、頻率控制等方面的協(xié)同工作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在功率調(diào)節(jié)方面，協(xié)調(diào)控制策略可以根據(jù)風(fēng)電和火電的特性以及電網(wǎng)的需求，合理分配兩者的發(fā)電出力。當(dāng)風(fēng)速變化導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)時(shí)，協(xié)調(diào)控制策略可以使火電機(jī)組及時(shí)調(diào)整出力，補(bǔ)充或削減風(fēng)電的功率變化，維持系統(tǒng)的功率平衡。在風(fēng)速突然降低，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率大幅下降時(shí)，協(xié)調(diào)控制策略可以指令火電機(jī)組迅速增加出力，滿足電網(wǎng)的負(fù)荷需求，避免因功率缺額導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降和次同步振蕩的發(fā)生。在頻率控制方面，協(xié)調(diào)控制策略可以使風(fēng)電機(jī)組和火電機(jī)組共同參與電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)。風(fēng)電機(jī)組可以利用其快速響應(yīng)特性，對(duì)電網(wǎng)頻率的微小變化做出迅速反應(yīng)，通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率輸出，為電網(wǎng)提供頻率支撐?；痣姍C(jī)組則可以根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的調(diào)節(jié)情況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓β收{(diào)整，確保系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組首先調(diào)整出力，火電機(jī)組隨后根據(jù)頻率變化的趨勢(shì)和幅度，調(diào)整自身的出力，兩者相互配合，共同維持電網(wǎng)頻率在正常范圍內(nèi)。在實(shí)際應(yīng)用中，協(xié)調(diào)控制策略對(duì)次同步振蕩的抑制效果顯著。通過某實(shí)際風(fēng)火打捆系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在采用協(xié)調(diào)控制策略之前，系統(tǒng)在某些工況下容易出現(xiàn)次同步振蕩，且振蕩幅值較大。而在采用協(xié)調(diào)控制策略之后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了明顯提高，次同步振蕩的幅值大幅減小，發(fā)生頻率也明顯降低。這表明協(xié)調(diào)控制策略能夠有效地調(diào)節(jié)風(fēng)電與火電之間的相互作用，抑制次同步振蕩的發(fā)生，保障了風(fēng)火打捆系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。五、分析方法與模型建立5.1常用分析方法介紹5.1.1復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法是一種深入分析電力系統(tǒng)次同步振蕩特性的重要方法，其核心在于通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)角度施加小值振蕩，進(jìn)而精確計(jì)算電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩，以此來剖析系統(tǒng)在特定頻率下的振蕩特性。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)角度\delta施加一個(gè)頻率為h（h\lt50Hz）的強(qiáng)制小值振蕩\Delta時(shí)，系統(tǒng)中的電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)，分別得到電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩\Deltae和機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩\Deltam。為了更清晰地描述系統(tǒng)的振蕩特性，定義電氣復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)為K_{e}+jD_{e}，其中K_{e}為電氣彈簧系數(shù)，D_{e}為電氣阻尼系數(shù)；機(jī)械復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)為K_{m}+jD_{m}，K_{m}稱為機(jī)械彈簧系數(shù)，D_{m}為機(jī)械阻尼系數(shù)。通過對(duì)這些系數(shù)的細(xì)致比較和分析，能夠精準(zhǔn)地判斷系統(tǒng)在頻率為h時(shí)的振蕩特性。當(dāng)K_{m}+K_{e}\to0時(shí)，這表明系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。此時(shí)，如果D_{m}+D_{e}\lt0，則意味著系統(tǒng)對(duì)于該頻率h的軸系振蕩模式是不穩(wěn)定的。在某實(shí)際風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，利用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法對(duì)其進(jìn)行分析。通過計(jì)算得到在某一特定頻率下，K_{m}+K_{e}的值非常接近0，且D_{m}+D_{e}\lt0，這預(yù)示著該系統(tǒng)在這一頻率下存在次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)的實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)也證實(shí)了這一結(jié)論，該系統(tǒng)在該頻率下確實(shí)發(fā)生了次同步振蕩，驗(yàn)證了復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的有效性。復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法具有顯著的優(yōu)勢(shì)，它能夠快速地評(píng)估電力系統(tǒng)在特定頻率下的穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)提供了重要的參考依據(jù)。然而，該方法也存在一定的局限性，它需要準(zhǔn)確的系統(tǒng)參數(shù)和詳細(xì)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，否則計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)參數(shù)可能會(huì)隨著運(yùn)行條件的變化而發(fā)生改變，獲取準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)也可能存在一定的困難，這些因素都限制了復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的應(yīng)用范圍。5.1.2特征值分析法特征值分析法是基于系統(tǒng)在小擾動(dòng)下的線性化模型展開的，通過精確計(jì)算系統(tǒng)的各個(gè)特征值、對(duì)應(yīng)的特征矢量及相關(guān)因子，從而深入分析軸系扭振模式及其阻尼特性，以及軸系質(zhì)量塊的扭振幅度和相位的相對(duì)關(guān)系。在構(gòu)建系統(tǒng)的小擾動(dòng)線性化模型時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)中的各種因素，包括發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)、軸系的機(jī)械參數(shù)以及控制系統(tǒng)的特性等。通過對(duì)這些因素的合理簡化和線性化處理，得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程。對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行求解，得到系統(tǒng)的特征值。這些特征值包含了豐富的信息，能夠直觀地反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性和振蕩特性。正實(shí)部的特征值表明系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，存在振蕩加劇的風(fēng)險(xiǎn)；負(fù)實(shí)部的特征值則表示系統(tǒng)是穩(wěn)定的，振蕩會(huì)逐漸衰減。特征值的虛部對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的振蕩頻率，通過分析特征值的虛部，可以確定系統(tǒng)中存在的振蕩模式。在某電力系統(tǒng)中，通過特征值分析法計(jì)算得到系統(tǒng)的特征值，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)特征值的實(shí)部為正，虛部對(duì)應(yīng)的頻率在次同步頻率范圍內(nèi)。這表明該系統(tǒng)在這一次同步頻率下存在不穩(wěn)定的振蕩模式，可能會(huì)引發(fā)次同步振蕩。進(jìn)一步分析特征矢量和相關(guān)因子，可以找出與扭振模式強(qiáng)相關(guān)的質(zhì)量塊。這些質(zhì)量塊在次同步振蕩中起著關(guān)鍵作用，對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，可以有效地抑制次同步振蕩的發(fā)生。特征值分析法具有理論嚴(yán)密、物理概念清晰、分析準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性分析提供全面、深入的信息。然而，該方法也面臨著一些挑戰(zhàn)。在處理多機(jī)電力系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)規(guī)模龐大，涉及的變量和參數(shù)眾多，導(dǎo)致求特征值的矩陣階數(shù)非常高，計(jì)算量巨大，這使得特征值分析法難以適應(yīng)多機(jī)電力系統(tǒng)的情況。特征值分析法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求極高，任何參數(shù)的偏差都可能導(dǎo)致分析結(jié)果的偏差，從而影響對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷。5.1.3時(shí)域仿真法時(shí)域仿真法是一種通過數(shù)值積分的方法逐步求解描述整個(gè)系統(tǒng)的微分方程組，以此來詳細(xì)模擬發(fā)電機(jī)、系統(tǒng)控制器以及系統(tǒng)故障、開關(guān)動(dòng)作等各種網(wǎng)絡(luò)操作的分析方法。在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)域仿真法所采用的數(shù)學(xué)模型具有很強(qiáng)的靈活性，可以是線性的，也可以是非線性的；網(wǎng)絡(luò)元件既可以采用集中參數(shù)模型，也可采用分布參數(shù)模型；發(fā)電機(jī)組軸系的彈簧-質(zhì)量塊可以劃分得更細(xì)，甚至可以采用分布參數(shù)模型。這種靈活性使得時(shí)域仿真法能夠更加真實(shí)地模擬電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。通過時(shí)域仿真法，可以得到各變量隨時(shí)間變化的詳細(xì)曲線，這些曲線包含了系統(tǒng)在不同時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)信息。通過對(duì)這些曲線的分析，可以清晰地觀察到系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，包括次同步振蕩的發(fā)生、發(fā)展和衰減情況。在某風(fēng)火打捆系統(tǒng)中，利用時(shí)域仿真法對(duì)系統(tǒng)在發(fā)生短路故障后的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬。通過求解系統(tǒng)的微分方程組，得到了發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、軸系扭振角度以及輸電線路電流等變量隨時(shí)間變化的曲線。從這些曲線中可以看出，在短路故障發(fā)生后，系統(tǒng)迅速出現(xiàn)了次同步振蕩，振蕩的幅值和頻率隨著時(shí)間的推移發(fā)生了變化。通過對(duì)曲線的進(jìn)一步分析，還可以研究各種非線性因素對(duì)次同步振蕩的影響。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的飽和特性、控制系統(tǒng)的限幅特性等非線性因素都會(huì)對(duì)次同步振蕩產(chǎn)生重要影響。時(shí)域仿真法能夠計(jì)及這些非線性因素的作用，從而更準(zhǔn)確地揭示次同步振蕩的特性和規(guī)律。時(shí)域仿真法是研究暫態(tài)力矩放大作用的基本工具。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或受到大擾動(dòng)時(shí)，暫態(tài)力矩放大作用可能會(huì)導(dǎo)致軸系受到巨大的扭矩沖擊，從而引發(fā)嚴(yán)重的次同步振蕩。通過時(shí)域仿真法，可以詳細(xì)模擬暫態(tài)過程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析暫態(tài)力矩放大作用的機(jī)制和影響。時(shí)域仿真法也存在一些不足之處，它的計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高，而且仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)的合理性。5.2風(fēng)火打捆系統(tǒng)模型構(gòu)建5.2.1風(fēng)電場(chǎng)模型建立風(fēng)電場(chǎng)模型的建立是研究風(fēng)火打捆系統(tǒng)次同步振蕩的重要基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接影響到后續(xù)分析的可靠性。風(fēng)電場(chǎng)模型主要包括風(fēng)電機(jī)組、集電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)模型，各部分模型相互關(guān)聯(lián)，共同體現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性和控制策略。風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)的核心設(shè)備，常見的類型有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（PMSG）。以DFIG為例，其數(shù)學(xué)模型基于dq坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程構(gòu)建。在dq坐標(biāo)系下，定子電壓方程為：\begin{cases}u_{sd}=-R_{s}i_{sd}-\omega_{1}\psi_{sq}+p\psi_{sd}\\u_{sq}=-R_{s}i_{sq}+\omega_{1}\psi_{sd}+p\psi_{sq}\end{cases}轉(zhuǎn)子電壓方程為：\begin{cases}u_{rd}=-R_{r}i_{rd}-(\omega_{1}-\omega_{r})\psi_{rq}+p\psi_{rd}\\u_{rq}=-R_{r}i_{rq}+(\omega_{1}-\omega_{r})\psi_{rd}+p\psi_{rq}\end{cases}其中，u_{sd}、u_{sq}分別為定子d、q軸電壓，i_{sd}、i_{sq}分別為定子d、q軸電流，\psi_{sd}、\psi_{sq}分別為定子d、q軸磁鏈，R_{s}為定子電阻，\omega_{1}為同步角速度，p為微分算子；u_{rd}、u_{rq}分別為轉(zhuǎn)子d、q軸電壓，i_{rd}、i_{rq}分別為轉(zhuǎn)子d、q軸電流，\psi_{rd}、\psi_{rq}分別為轉(zhuǎn)子d、q軸磁鏈，R_{r}為轉(zhuǎn)子電阻，\omega_{r}為轉(zhuǎn)子角速度。通過這些方程，可以準(zhǔn)確描述DFIG的電氣特性。集電系統(tǒng)負(fù)責(zé)將各個(gè)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能收集起來，并傳輸至升壓站。其模型通常采用電路理論進(jìn)行建立，考慮集電線路的電阻、電感、電容等參數(shù)，以及箱式變電站的變比、漏抗等特性。在某風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)模型中，集電線路采用π型等效電路進(jìn)行模擬，箱式變電站則采用理想變壓器模型結(jié)合漏抗進(jìn)行表示。通過這樣的模型構(gòu)建，可以準(zhǔn)確描述集電系統(tǒng)的電能傳輸特性，為研究風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的功率流動(dòng)和電氣耦合關(guān)系提供基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)模型則主要模擬風(fēng)電機(jī)組的控制策略，包括最大功率追蹤控制、槳距角控制、變流器控制等。最大功率追蹤控制是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下都能捕獲最大風(fēng)能。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的最大功率追蹤控制方法有基于功率信號(hào)反饋的方法和基于葉尖速比的方法?；诠β市盘?hào)反饋的方法通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，根據(jù)功率-轉(zhuǎn)速曲線調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤。槳距角控制則是在風(fēng)速過高時(shí)，通過調(diào)整槳距角，限制風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能，保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。在某風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)模型中，槳距角控制采用比例積分（PI）控制器，根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的偏差，調(diào)整槳