發電機定子也出現頻率為的三相自激電流，在氣隙中產生頻率為的旋轉磁場。此旋轉磁場的轉速，低於主磁場的同步轉速。發電機組軸系的自然扭振頻率與串聯補償產生的電磁諧振頻率相加恰好等於電網頻率，相互“激勵”，形成“機-電諧振”。因為串聯電容補償固有頻率低於電網頻率，所以叫“次同步諧振”。
基本介紹
- 中文名：次同步諧振
- 外文名：Subsynchronous resonance
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 出現於：發電機組
- 原因：串聯電容補償頻率低於電網頻率
簡介,歷史回顧,FACTS技術,總結,
簡介
作為電力系統穩定性的重要側面，次同步諧振/振盪(subsynchronous resonance/oscillation ，SSR/SSO)，從20世紀70年代，一直得到廣泛的關注和研究。而隨著電力系統的演變發展，SSR/SSO的形態和特徵也處在不斷的變化之中。1970年代，美國Mohave電廠發生的惡性SSR事件開啟了機組軸系扭振與串補、高壓直流等相互作用引發SSR/SSO的研究高潮；1990年代初開始，柔性交流輸電系統(flexible AC transmission systems，FACTS)技術興起，推動了電力電子控制裝置參與、影響以及抑制SSR/SSO的研究。21世紀以來，隨著風電、光伏等新型可再生能源發電迅速發展，其不同於傳統同步發電機的，採用變流器接入電網的方式，不僅影響傳統的扭振特性，且與電網的互動正導致新的SSR/SSO形態，它們的內在機理和外在表現都跟傳統SSR/SSO有很大的區別，難以融入IEEE在20世紀中後期逐步建立的術語與形態框架中，從而給該方向的研究和交流帶來不便。亟需針對SSR/SSO 的新問題和新形態，擴展進而構建更通用的“學術語境”。
歷史回顧
20世紀30年代，人們就認識到同步發電機和電動機對於電網中電抗與串補電容導致的次同步頻率電流呈感應發電機(induction generator，IG)特性，進而導致電氣振盪或自勵磁(self-excitation，SE)。但是，1970年以前只是將發電機軸系看成一個單質塊剛體，沒有意識到機械扭振模式的參與。直到1970年底和1971年美國Mohave電廠先後發生2次大軸損壞事件，人們才認識到串補電網與汽輪機組機械系統之間相互作用可能導致扭振機械諧振(torsional mechanical resonance)的風險。
1974年，IEEE電力系統工程委員會的動態系統性能工作組成立了一個專門的工作小組來推動對SSR現象的認識，它在1976年首次公開發布了第1份IEEE 委員會報告，並在1979年對該報告進行了第一次文獻補充，將SSR的形態劃分為感應電機效應(induction machine effect，IME)和扭振(torsional oscillation，TO)。此後每隔6年出版一次文獻補遺，總結相關理論、分析方法與控制手段的最新進展。1977—1980年間，美國西部電網的Navajo電廠、San Juan電廠相繼出現SSR問題，以此為契機，學術界對SSR/SSO 開展了大量的理論與實證研究。1980年，IEEE委員會在其報告中明確了SSR、SE(包括IGE/IME 和TI)和STA(shafttorque amplification)等術語定義。
在發現串補電容導致SSR的同時，加拿大Lambton 電廠發現電力系統穩定器(power systemstabilizer，PPS)會惡化低階扭振模態的阻尼，進而導致扭振。1977年10月，在美國Square ButteHVDC系統調試中發現直流換流站與相鄰汽輪發電機組的低階扭振模態相互作用，導致HVDC-TI現象。針對這些新情況，IEEE委員在1985年增加了“裝置型次同步振盪(device dependent SSO)”的分類，將直流換流器、靜止無功補償器(static var compensator，SVC)、PSS、變速驅動以及其他寬頻電力控制設備與鄰近的汽輪機組之間相互作用引發的次同步振盪(SSO)歸為這一類別，並針對HVDC、PSS這一類控制參與的次同步振盪問題首次提出了控制相互作用(control interaction，CI)的概念；而SSR 仍然限於汽輪機組與串補輸電系統的相互作用。
1991年第3次文獻補充[中提到極長、高並聯電容補償線路也可能引發低階TI，並針對HVDC引發的TI提出了次同步扭振互作用(subsynchronous torsional interaction，SSTI)的概念。
1992年，IEEE SSR工作組對SSR/SSO進行了概括性分類：將SSR 限定為串補電容與汽輪發電機的相互作用，包括IGE、TI、TA 共3 類；SSO是指汽輪發電機與系統其他設備(PSS、SVC、HVDC、電液調速、變速驅動變換器等)之間相互作用引發的次同步振盪。軸系扭振同樣存在於異步電機、柴油機組、同步電動機中。接入串補電網的水輪機組也會出現IGE現象，並可能因故障導致高幅暫態扭矩。
20世紀末，在美國等西方國家，汽輪機組扭振相關的SSR/SSO 理論與實踐已逐漸成熟，且新增火電機組和串補裝置減少，SSR/SSO問題不再突出，相關研究減少。而21世紀以來，中國、印度、巴西等國家的串補和直流工程增多，導致SSR/SSO問題突出，進而啟動了新一輪的理論和實踐工作，並取得了大量新的成果。同時，新型發、輸電技術，如可再生能源發電和柔性交直流輸電技術的快速發展，帶來新的SSR/SSO問題，並引起學術界和工程界的廣泛關注。
FACTS技術
1990年代興起的FACTS技術推動了SSR/SSO兩方面的研發工作：其一是包含新型串補技術的FACTS控制器，如TCSC、SSSC、GCSC和UPFC等對SSR/SSO特性的影響研究；其二是基於各種串、並聯或混合FACTS控制器實現對SSR/SSO的阻尼控制。同時，隨著直流輸電技術的發展，其對SSR/SSO的影響特性也在發生變化。基於電容換相變流器的CCC-HVDC仍跟傳統LLC-HVDC一樣，存在激發SSO或SSTI的風險。而基於電壓源變流器(voltage sourced converter，VSC)的柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)則僅在某些特殊工況下會導致臨近機組的電氣阻尼降低，但導致SSO 的總體風險則大大降低。對柔性交直流輸電控制器的研究進一步擴展到一般性的VSC。研究表明VSC可能對臨近機組的阻尼產生影響，但其極性和大小跟其具體的控制策略和參數密切相關。
隨著風電、光伏等可再生能源發電的迅速發展，並通過電力電子變流器大規模集群接入電網，其參與或引發的新型SSR/SSO問題得到廣泛關注。早期主要討論自勵磁感應發電機(self-excitedinduction generator，SEIG)和雙饋感應發電機(doubly-fed induction generator，DFIG)型風電機組與串補/HVDC相互作用引發SSR/SSO的風險。
分析表明，SEIG以放射式接入高串補度電網末端時，會產生感應電機自激(即IGE)和TA風險，但不會導致TI。DFIG因變流器控制、特別是電流內環控制的參與，會大大加劇IGE風險。典型例子如，2009年10月美國德州南部某電網因線路故障造成雙饋風電機群放射式接入串補電網，引發嚴重SSR進而導致大量機組脫網以及部分機組損壞的事件。該新型SSO現象主要源於變流器控制與串補電網的相互作用，因而也被廣泛稱為次同步控制相互作用(subsynchronous control interaction，SSCI)。2011 年始，我國華北沽源地區風電場在正常運行工況下也多次出現類似SSR/SSCI事件，表明在較低串補度和正常工況下，變流器控制也可能導致不穩定的SSR風險。隨後又開展了直驅風機是否會引發SSR/SSO的研究，但長期以來沒有形成一致結論。直驅風機採用全變流器接口因而對SSTI 呈顯固有的免疫特性；發現直驅風機對傳統次同步振盪的整體電氣阻尼有負面效應；直驅風機與柔性直流相互作用可能引發次同步和諧波振盪問題。直至2015年7月1日，我國新疆哈密地區發生的大範圍功率振盪事件實證了：直驅風電機群與弱交流電網相互作用可能引發嚴重的SSR/SSO，且當其振盪功率的頻率接近火電機組扭振頻率時，會激發嚴重的軸系扭振，危害電網和機組安全運行。
總結
傳統SSR/SSO的研究已比較成熟，但變流器式機組與電網相互作用引發的機網耦合型SSR/SSO還沒有得到足夠深入的研究，而實踐中它可能導致風機脫網，影響新能源的併網消納，並在特定條件下會激發汽輪機組扭振，危及機網的安全穩定運行。因此，對其的分析與抑制，應該引起新能源設備提供商、發電公司和電網公司的充分重視。
