编者按
叮！@所有人，时值首个全国科普月，电网头条科普工作室正式成立啦！我们将聚焦能源电力前沿，探索电网硬核技术，传播电力科技文明。“能”解未知，“源”来如此。期待与您共赴一场充满智慧与惊喜的探索之旅！
如果把电力系统看成是一个交响乐团，那么接入的各种发、输、配、用电设备就是各类乐器。它们虽然音色各异，但都得按照相同的节奏去演奏，否则就乱套了。这个节奏就是电网的频率。
我国电网的标准频率是50赫兹，所有的设备都得在这一频率上同步工作。然而，乐团在演奏时，难免有人拖拍、抢拍。电力设备在运行时，也会有“节奏”对不上的时候。那怎么办呢？
拖拍？抢拍？
电网与设备也有“节奏冲突”
以前的电力系统以火力、水力发电为主。这“哥俩”有不少优点：接入电网的设备少（一般一个电站就几台大的机组），运用同步发电机通过旋转切割磁感线来产生电力，同时系统经过完善的安全稳定分析和控制优化过程，拥有较大的转子惯性和充足的阻尼，能快速衰减能量，有效缓冲电网电压、频率的波动。
这就好比演奏中，主旋律声音足够大，偶尔有个别节奏不对的“家伙”，不会轻易打乱全局节奏——即系统能通过自身的调控进行修正。
插入一个小知识
阻尼是指振动系统受到阻滞使能量随时间而耗散的物理现象。简单来说，它是一种阻力或缓冲，让物体（如弹簧、钟摆、秋千）的振动慢慢停下来，而不是永远振动下去。系统振动过程中能量输入大于能量耗散的现象被称为负阻尼，会导致振动越来越大。
然而，新情况出现了。
大家都知道，近些年，我们大力开发新能源，成果十分喜人。今年一季度，我国风电、光伏发电装机容量已达14.82亿千瓦，超过火电装机，成为全国第一大电源。
但是，这背后有很多不为人知的难题要解决。除了大家熟知的“靠天吃饭”，新能源并网还有个很棘手的问题——次/超同步振荡。
次/超同步振荡，可以看作是电网与设备之间的“节奏冲突”。低于50赫兹的次同步振荡是“拖拍”，高于50赫兹的超同步振荡则是“抢拍”，若不及时纠正，可能引发“演奏”混乱。
常规能源一般通过传统的同步发电机直接并网，而新能源一般经过电力电子变流器并网。这种“换心脏”式的改变，引入了全新的、复杂的动态特性，从而引发了新的振荡问题。
双馈异步风力发电机（简称“双馈风机”）与串联补偿线路（简称“串补线路”）相互作用产生的次/超同步振荡就很典型。
串补线路能有效提高远距离输电效率。但当它与风机的控制系统相互作用时，可能形成无形的“共振放大器”。
电力系统的扰动时时存在，比如负荷投切、雷击、短路等等，扰动带来的能量波动，可能会演变成振荡。双馈风机通过电力电子变流器与电网耦合，在频率40赫兹以下时可能呈现负阻尼特性，不仅无法消耗波动能量，反而还会加剧风机与串补线路之间的能量交换，加剧振荡，威胁设备乃至电网安全。
其实，传统电网也存在次/超同步振荡现象，但新能源的大规模并网显著加剧了问题的复杂性和发生的风险。
当风电场、光伏电站集群并网时，成千上万台设备的微小波动可能叠加放大，形成“群体共振”。新能源装机比例大增，系统在特定频率范围的阻尼降低，成为次/超同步振荡的“助推器”。
新能源的大规模并网，就像是给乐队增添了成千上万个新潮却敏感的电子乐器，表演更生动多样了，但出岔子的可能性也增加了。
怎么稳节奏？
换系统、打补丁、接外挂
次/超同步振荡初期只是微小的电流波动，若放任不管，则会引发一场急速扩散的恶性循环。振荡能量可能会像多米诺骨牌一样快速叠加，牵连设备与线路陷入故障“旋涡”。目前，这种振荡对风电的影响比较明显。
振荡可能造成设备“疲劳损伤”，还可能引发线路过载跳闸，振荡电流会使输电线路、变压器过载发热，引起保护装置误动作，导致风机、光伏大规模脱网。极端情况下，振荡还可能引发区域性电网频率崩溃。
应对次/超同步振荡的核心，就是要打破能量不断放大的“共振循环”、修正系统的负阻尼特性。以风电为例，目前的解决方式主要有三种：
一是内部逻辑重构。将风机、变流器改为构网型控制，使其运行逻辑从传统的跟随电网转为支撑电网，从源头上改变电源阻抗曲线和动态响应特性，消除次/超同步振荡的发生条件。这有点像DOS改Windows——重新安装一套操作系统。
二是内置算法优化。在次同步频段和超同步频段，对风机、逆变器的控制算法增加“阻尼补偿”，即当检测到振荡时，控制器能够主动输出阻尼电流抵消振荡。这就像给原有的系统打个补丁来消除bug。
三是外部硬件干预。降低串补线路的补偿度或加装有源阻尼装置，直接改变并网点阻抗，让振荡能量快速衰减。这种方式，对于无法改造风电机组的风电场尤为适用。这可以理解为外挂一个设备专门消除振荡。
实际应用怎么样？
来看看中国方案
我国发展风电较早，以前，不少风电场用的是国外风机，其核心控制程序与软件接口无法重构。
经过多年攻关，2024年，国网电科院（南瑞集团）采用外部装备干预的技术思路，研发出了国内首套新能源电站集中式次/超同步振荡抑制装置。
装置结构
“一体化预制舱”，集成变压器、逆变器、超级电容、控制器、功率单元等部件，配备远程监控和空调系统。
装置优点
体积小、移动灵活，可抑制不同频段振荡，可灵活扩容，具备低/高电压故障穿越功能（在一定的电压跌落/升高范围内，并网设备能够不间断运行），可最大程度保证装置在故障情况下不脱网，持续支撑风电场稳定发电。
实战成效
2024年，某风电场发生风机短时次同步振荡，振荡抑制装置启动后，仅用时1秒左右就完成振荡抑制。
装置是怎样工作的呢？
具体过程如下：
风电场送出电流产生振荡并逐步发散
↓
装置检测到电流振荡不符合设定值
↓
装置发出抑制振荡电流
↓
振荡幅度按照正阻尼的趋势衰减
振荡抑制电流也逐步减小
↓
振荡消除
▲新能源电站集中式次/超同步振荡抑制装置工作原理示意图。
成功抑制次/超同步振荡有啥意义？
成功抑制次/超同步振荡，对于新能源发展来说，可以说是击退了一只“拦路虎”，意义重大：
自主研发填补国内空白。
这是国内首套专门针对新能源电站场景下抑制振荡的系统性解决方案，填补了技术空白，为高比例新能源接入电网提供关键技术支撑，对比国外同类方案有一定优势，具备出口竞争力。
核心技术实现多项突破。
装置最快可在检测到振荡后100毫秒内启动，2秒内平息振荡，可同时抑制数赫兹至百赫兹宽频带振荡。
工程应用价值高效果好。
装置既适用于双馈风机，也可应对直驱式风机柔直并网场景下的控制交互振荡，已在百兆级风电基地应用，并多次避免风机脱网。这一装置也适用于光伏发电并网场景。
▲集中式次/超同步振荡抑制装置主体模型图。
从传统能源到新能源发电并网，电网面临的稳定性挑战一直在升级。我们的电网科技工作者稳如泰山，就像乐队中的指挥家，不断激发乐团成员潜能，探索新的演奏方式，化解节奏冲突，让这支越来越多元的乐团更加强大，演绎出更加和谐美妙的乐章。
不多说了，致敬吧！
技术支持｜国网电科院（南瑞集团）
孙素娟 孔祥梅 平凡 朱虹璇
制图｜李洋 张竞如
撰稿＆责编｜王一凡
执行审核｜吴欣怡
