10.2 构网型变流器引发的次同步振荡与宽频振荡问题：机理分析与抑制技术
10.2 构网型变流器引发的次同步振荡与宽频振荡问题：机理分析与抑制技术
10.2.1 引言：新型稳定性挑战的涌现
随着构网型变流器在新型电力系统中的规模化部署，其作为电压源主动支撑电网的能力得到验证的同时，也引发了一系列前所未有的稳定性问题。传统的同步发电机主导的电力系统中，振荡模式主要集中于低频区间。然而，构网型变流器通过快速数字控制实现的虚拟同步、惯性响应等先进功能，其控制环路动态与电网阻抗、其他电力电子设备之间产生了复杂的交互作用。这种交互不仅可能诱发经典的次同步振荡，更可能催生频率范围从数赫兹到数百赫兹甚至上千赫兹的宽频振荡。这类振荡现象传播快、难以阻尼，严重时可导致大规模新能源脱网，对系统安全构成重大威胁。因此，深入理解其产生机理并发展有效的抑制策略，已成为构网技术工程化应用必须攻克的核心难题。
10.2.2 振荡问题的现象与基本分类
构网型变流器接入系统后引发的振荡，可根据其主导频率范围和作用机理进行初步划分。
表10.2-1 构网型变流器引发的主要振荡类型及特征
| 振荡类型 | 典型频率范围 | 主要诱因与控制环节 | 交互对象 | 主要危害 |
|---|---|---|---|---|
| 次同步/超同步振荡 | 5 Hz ~ 45 Hz (低于/高于工频) | 虚拟转子运动方程（功角环）、有功功率控制环与串补电容或弱电网感性阻抗的谐振。 | 交流输电网络串联补偿装置、邻近同步发电机轴系。 | 可能激发同步发电机轴系扭振，损坏设备；导致功率大幅波动。 |
| 低频振荡 | 0.1 Hz ~ 2 Hz | 多台构网变流器之间，或构网变流器与同步发电机之间，因虚拟惯量和下垂系数设置不当导致的功角失稳。 | 其他构网型变流器、同步发电机。 | 影响区域间功率传输稳定性，类比传统电力系统的低频振荡。 |
| 中高频振荡 | 数十 Hz ~ 数百 Hz | 电压控制环、电流控制环（带宽通常在数百Hz）与电网阻抗在特定频段形成的谐振。锁相环或功率同步环的动态也可能参与。 | 电网背景阻抗、邻近的跟网型变流器。 | 导致电流和电压波形畸变，触发保护动作，使变流器脱网。 |
| 高频振荡 | 数百 Hz ~ 2000 Hz | 开关频率及其边带谐波与电网或滤波器阻抗的相互作用；数字控制延迟。 | LCL滤波器谐振峰、线路寄生参数。 | 加剧电磁干扰，导致器件过应力，影响电能质量。 |
这些振荡的本质，是变流器控制系统（作为“有源”部分）的输出阻抗Zout(s)Z_{out}(s)Zout(s)与电网等效阻抗Zg(s)Z_g(s)Zg(s)在复频域上不匹配，满足特定的谐振条件。对于由NNN台变流器组成的系统，其稳定性可由基于节点导纳矩阵的回比矩阵L(s)=Yinv(s)Zg(s)L(s) = Y_{inv}(s) Z_g(s)L(s)=Yinv(s)Zg(s)的特征值轨迹来判定，其中Yinv(s)Y_{inv}(s)Yinv