李自明,姚秀萍,王維慶,常喜強,郭小龍,薛 忠,王 衡

(1.新疆大學電氣工程學院可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心,新疆烏魯木齊830047；2.新疆電力調度控制中心,新疆烏魯木齊830001；3.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京211102)

風電場次同步諧波監測系統的研究與應用

李自明1,姚秀萍2,王維慶1,常喜強2,郭小龍2,薛 忠3,王 衡2

(1.新疆大學電氣工程學院可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心,新疆烏魯木齊830047；2.新疆電力調度控制中心,新疆烏魯木齊830001；3.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京211102)

針對大規模風力發電通過特高壓直流外送系統輸送電力存在次同步振蕩的問題,以同步相量測量裝置(PMU)為工具,將風電場、換流站等風電匯集地區相關站點的次同步裝置都納入監測系統,采用監測聯絡線有功功率振蕩波形并結合聯絡線次同步諧波頻率特征進行次同步振蕩的判斷。從監測系統中PMU記錄的數據頻譜來看具體的某一次擾動,次同步諧波監測裝置所監測到的擾動與其他扭振監測保護裝置的監測記錄結果等在發生實踐、擾動波形趨勢上基本一致。

次同步諧波；同步相量測量裝置；監測系統；風電場

0 引 言

風電的規模化發展、及其本身的隨機性與波動性[1-2]、源荷分離等特點使得原本較弱的網絡架構變得不堪重負,次同步諧振或次同步振蕩現象[3]在電網中經常發生。1970年美國Mohave電站先后兩次因次同步諧振而引起發電機組大軸損壞；1977年美國Square Butte直流輸電工程調試時首先發現直流輸電引起汽輪發電機組的次同步振蕩問題；以上都是早期火電機組發生次同步振蕩的雛形。到2009年,美國Texas風電場輸電系統出現故障,切除部分線路,使得串補度由50%提高至75%,導致風電場出現次同步振蕩,漸漸引發了人們對風電場次同步振蕩問題的關注。

文獻[4]以直驅風機風電場為例,分析了接入交流電網強弱、風機出力、并網風機臺數、風機控制參數及動態無功補償設備對振蕩特性的影響；文獻[5]以雙饋風機風電場為例,提出了一種基于定子側變流器的附加阻尼控制策略來抑制次同步振蕩,但是對雙饋風機串補系統發生次同步振蕩機理的研究有待進一步的深入；文獻[6]研究了整流站附近多臺風機并列運行時的次同步阻尼控制器(SSDC)抑制機組次同步振蕩的設計方法,得出不論是何種機型,SSDC輸入信號中消去異模分量可抑制多臺機組的次同步振蕩。

2015年7月1日,哈鄭特高壓直流輸電工程引發次同步振蕩,其直流配套花園電廠三臺機組因軸系扭振保護[7,8]動作相繼跳閘,經查證發現造成軸系扭振保護的電流諧波分量源于風電場,但具體是風電場哪一環節產生的次同步諧波尚不明確。故如何利用現有的風電集電線和各等級變電站的電網側次同步監測裝置(SMU)、以及同步相量測量裝置(PMU)數據監測裝置,構建風電匯集地區次同步動態監測系統,將是解決風電場次同步振蕩問題的關鍵。因此為了充分收集電網發生次同步振蕩數據,需要對電網中輸電線路以及變電站中的次同步諧波進行監測,掌握現場一手的資料和數據。

本文通過PMU次同步振蕩監測系統,闡明了電網次同步諧波目前的監測情況以及次同步諧波監測技術的原理。將該次同步諧波監測技術應用到新疆某地區風電場,對比分析次同步諧波監測裝置所監測到的擾動與其他扭振監測保護裝置監測的結果,看發生實踐與擾動波形趨勢是否有一定的共性。實驗結果將會對整個新疆電網的風電場次同步諧波監測有一定的指導意義。

1 風電場次同步諧波監測現狀

風電場次同步監測系統主要包括現場數據采集與監測,其中涉及高精度次同步諧波提取、SMU以及PMU高采樣率錄波等。然后,將PMU、SMU數據上送至廣域監測系統(WAMS),并且在WAMS主站進行存儲。最終在WAMS主站實現數據的分析、告警與顯示。為深入分析次同步振蕩過程,可利用PMU裝置暫態錄波數據功能,在電網發生大擾動或有開關量變位時,啟動暫態錄波以記錄原始的電壓、電流采樣值。通常PMU暫態錄波速率不低于1.2 kHz,因此可有效分析5～50 Hz的頻率分量,可更好地、如實地反映電網次同步振蕩過程。

為了實現監測點的連續同步監測,在初期監測方案中對電網內大型發電廠和變電站進行了初篩,取次同步振蕩風險較高的廠站作為監測點,并安裝電網次同步諧波監測裝置。現通過電力調度數據網構建成廣域的次同步監測系統,從而實現次同步電流的連續、在線、不間斷的監視和錄波功能。針對風火打捆、直流送出系統復雜的次同步振蕩問題,本文將風電場、換流站等相關站點的次同步監測、抑制、保護裝置都納入監測系統,構成解決電網次同步振蕩問題的三道防線(見圖1)。

圖1 三道防線

圖1中監測、預防是風電場次同步振蕩監測系統第一道防線,包括火電廠側次同步監測裝置(TMU)、部署在風電集電線和各等級的變電站的SMU、還有PMU的數據監測,同時實現基于這些監測裝置的大數據分析、展示與告警。第二道防線,即抑制,包括火電廠側附加勵磁阻尼抑制[9](SEDC)、直流側SSDC、風電饋線側和風電匯集站的專用抑制裝置廣域附加阻尼控制(WSDC)、以及基于現有SVG的附加次同步抑制[10]。第三道防線,即保護,包括火電廠側軸系扭振保護(TSR)、風電級聯線和風電匯集站保護(WSR)。以上三道防線中第一道防線能夠監測出火電廠側,風電集電線以及變電站的電網側次同步信號,并將告警信號上送WAMS,進而為第二、三道防線的抑制與保護提供可靠的數據支撐。

2 風電場次同步諧波監測原理

采用監測功率振蕩波形原理的PCS-993C型次同步振蕩監測裝置進行次同步振蕩判別,該裝置作為電力系統次同步振蕩事故時的監控裝置,當風電場內發生次同步振蕩時,迅速進行啟動和判斷,發出報警,并可采取解列、切機等控制措施,以消除次同步振蕩事故。

2.1 風電場次同步諧波信號的提取

風電場次同步諧振電流在線監測裝置通過高精度、高分辨率的數字化采樣技術和濾波技術,能夠實現對輸電線路電流中次同步諧振電流的頻率和幅值在線計算和監測。線路正常運行時,線路電流是工頻的正弦信號,線路電流可以表示為

(1)

式中,X0為工頻信號的有效值大小;φ0為工頻信號對應的初相位。在發生次同步諧振時,線路電流可以認為是在工頻正弦信號上疊加了次同步頻率信號,此時輸電線路的電流可以表示為

(2)

式中,Xk為模態k的次同步頻率信號的有效值大小;f和φ分別為對應的頻率和相位。

電網次同步電流監測裝置實現了對風電場輸電線路中次同步模態電流信號的監測。通過線路三相電流的模態電流信號分離和峰值計算,以及模態頻率的監測和顯示,可以實現自適應濾波以適應現場線路電流頻率成份的微小變化,為次同步振蕩現象的研究和分析提供了科學的監測手段和方法。

2.2 次同步諧波監測裝置的啟動判據

正常運行時,次同步諧波監測裝置一直監視聯絡線輸送的有功功率,當發生次同步振蕩時,裝置能根據聯絡線功率的變化情況迅速進入啟動狀態。由監測裝置判斷啟動的方程式為

(3)

式中,Pk為聯絡線當前功率;Peqv為聯絡線前10 s的平均功率;Psetqd為啟動功率門檻定值。

2.3 次同步振蕩的確認判據

裝置啟動后,通過波形分析技術對聯絡線的電壓、電流、有功功率進行計算分析；若潮流波動是由于系統故障引起,則裝置可靠閉鎖；若潮流波動是由于次同步振蕩引起,則裝置可靠找出每個振蕩周期聯絡線有功功率的最大值Pmaxk、最小值Pmink以及每個周期內最大值Pmaxk出現的時刻Tmaxk。由此可求出每個振蕩周期的振蕩幅度dPk和振蕩周期Tk

dPk=Pmaxk-Pmink

(4)

Tk=Tmaxk+1-Tmaxk

(5)

每個振蕩周期的振幅應滿足

dPk≥Psetzd

(6)

式中,Psetzd為振蕩確認功率門檻定值。振蕩周期應滿足

Tsetmin≤Tk≤Tsetmax

(7)

式中,Tsetmin為振蕩周期的低門檻定值；Tsetmax為振蕩周期的高門檻定值。增幅振蕩的判斷條件為

dPk/dPk-1>1.05

(8)

減幅振蕩的判斷條件為

dPk/dPk-1<0.95

(9)

當相鄰兩個振蕩周期內的振蕩幅度既不滿足增幅振蕩判斷條件也不滿足減幅振蕩判斷條件則判定為等幅振蕩。

3 電網次同步諧波監測系統的現場應用

本文通過在關鍵廠站安裝專用監測裝置SMU,并將PMU規約上送至區調WAMS主站。在條件不允許的周邊廠站,將PMU改為高采樣率、長時間錄波,同時上送WAMS主站從而實現次同步振蕩數據監測、錄波分析、告警等功能,從而構建完整的次同步振蕩監測系統(見圖2)。

圖2 次同步諧波監測系統

由圖2可以看出,次同步諧波監測系統中的換流站、變電站以及風電廠均裝設有網側次同步監測裝置SMU,火電廠裝有TSR、SEDC和TMU,此外風電廠還有風電級聯線和WSR,他們可以將各自廠站所監測的到不同頻段的振蕩信息及時上傳至調度數據網,加之各廠站配有同步時鐘GPS,能夠精確定位各振蕩源所在位置,最后由調度數據網將來自不同廠站的信息送至D5000WAMS。

以電網發生功率振蕩為參考,獲取功率振蕩期間各廠站采樣頻率為100 Hz的PMU動態錄波文件,山北變安裝的監測裝置的SMU、TSR錄波數據中山黃線SUM監測到的主要諧波頻率為19.4 Hz和29.66 Hz,幅值為4.2 A。監測到的山黃線A相次同步諧波電流信號PMU量測幅值圖像如圖3所示。

圖3 山黃線A相次同步諧波電流信號

將圖3測得電流幅值信號進行數據頻譜分析,找出每分鐘內該線路次同步振蕩幅值最大時段(以10 s為時間單位),其頻譜如圖4所示。

圖4 山黃線PUM數據頻譜分析

圖5 振蕩最大時段山黃線頻譜分析

分析圖4中數據頻譜可以看出,山黃線A相電流幅值含有29.66 Hz的諧波分量以及其他頻率分量。對振蕩幅值最大的10 s數據進行分析,得到結果如圖5所示。

由圖5可以看出,除含較多的29.6 Hz和19.4 Hz諧波分量外,還有9.8 Hz和42.2 Hz振幅較大的諧波分量,這對分析產生次同步振蕩主導頻率分量又增加了一定困難。在這些諧波中,9.8 Hz振幅為24.81 A,占基頻的27.49%；19.4 Hz振幅為29.6 A,占基頻33.19%；42.2 Hz振幅為8.75 A,僅占基頻9.73%。

扭振監測保護裝置監測到的花園電廠模態3(軸系固有頻率30.76 Hz)幅值信號如圖6所示。

圖6 花園電廠模態3幅值信號

圖6中根據機組模態頻率與系統側頻率互補的原則,花園電廠模態3頻率為30.76 Hz,系統側對應的特征頻率為50-30.76=19.24 Hz。因此山北變現場安裝的功率振蕩穩控裝置的特征頻率范圍定值為17～20 Hz。次同步頻率諧波分量主要有兩個頻率,分別為29.6 Hz和19.4 Hz,但次同步諧波分量幅值均較小,二次值分別為0.004 8 A和0.005 A,一次值分別為5.76 A和6 A,其中19.4 Hz頻率落入安控動作頻率門檻17～20 Hz(花園電廠模態3互補頻率)的范圍,故主導動作諧波頻率應為19.4 Hz。這一研究結果將為新疆風電場次同步諧波監測的提供一定的參考依據。

4 結 論

本文通過次同步諧波監測系統,采用監測聯絡線有功功率振蕩波形并結合聯絡線次同步諧波頻率特征進行次同步振蕩判斷。

(1)通過監測系統的PMU記錄的數據頻譜可知,29.6 Hz和19.4 Hz諧波分量較多,并由機組模態頻率與系統側頻率互補的原則推出主導動作頻率應為19.4 Hz。

(2)該監控系統監視風電匯集區域與主網之間線路電壓、電流與功率判斷,獲得次同步振蕩過程中的原始波形及振蕩的主導頻率,并將發生次同步振蕩并將振蕩信息上傳至D5000WAMS,由其下發控制命令抑制次同步振蕩。這為進一步研究風電場的次同步振蕩發生機理與抑制策略提供了借鑒與參考。

[1]周紅婷, 宋瑋. 計及動態無功控制影響的大規模風電匯集地區電壓穩定性分析[J]. 電力系統保護與控制, 2016, 44(7): 13- 18．

[2]李自明, 姚秀萍, 王海云, 等. 計及時序遞進的風電場多級無功電壓協調控制策略[J]. 水力發電, 2016, 42(9): 99- 103．

[3]張鵬, 畢天姝, 楊奇遜, 等. 相近扭振頻率并聯發電機組次同步振蕩研究[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(20): 5181- 5187．

[4]謝小榮, 劉華坤, 賀靜波, 等. 直驅風機風電場與交流電網相互作用引發次同步振蕩的機理與特性分析[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(0): 1- 7．

[5]董曉亮, 謝小榮. 雙饋風機定子側變流器附加阻尼抑制次同步振蕩方法研究[J]. 高電壓技術, 2013, 39(1): 1- 7．

[6]徐振宇, 李樹鵬, 蘇靖棋, 等. 基于遺傳模擬退火算法的SEDC與SSDC控制參數的協調優化[J]. 電網技術, 2015, 39(7): 1983- 1988．

[7]郭磊, 張英敏, 李興源. 多通道高壓直流廣域改進射影控制器設計[J]. 電力系統保護與控制, 2016, 44(4): 29- 35．

[8]KOUTSOVASILIS P, DRIOT N, LU D, et al. Quantification of sub-synchronous vibrations for turbocharger rotors with full-floating ring bearings[J]. Archive of Applied Mechanics, 2015, 85(4): 481- 502．

[9]段剛, 嚴亞勤, 謝曉冬, 等. 廣域相量測量技術發展現狀與展望[J]. 電力系統自動化, 2015, 39(1): 73- 80．

[10]BULLETIN M. Testing and validation of a fast real-time oscillation detection PMU-based application for wind-farm monitoring[C]∥First International Black Sea Conference on Communications and NETWORKING, 2013: 216- 221.

(責任編輯 高 瑜)

Research and Application of Sub-synchronous Harmonic Monitoring System for Wind Farm

LI Ziming1, YAO Xiuping2, WANG Weiqing1, CHANG Xiqiang2, GUO Xiaolong2, XUE Zhong3, WANG Heng2
(1. Engineering Research Center for Renewable Energy Power Generation & Grid Technology Approved by Ministry of Education, College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang China;2. Xinjiang Electric Power Dispatching and Control Center, Urumqi 830001, Xinjiang, China;3. Nari-relays Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, Jiangsu, China)

In view of the sub-synchronous oscillation problem of wind power generation in UHV DC transmission system, the synchronous devices in wind farm, converter station and other related sites of wind power collection areas are incorporated into monitoring system based on synchronized Phasor Measurement Unit (PMU) tool. The sub-synchronous oscillation is judged by detecting the active power oscillation waveform of tie line and combining with the sub-synchronous harmonic frequency characteristics of contact line. To a specific disturbance, the data spectrum recorded by PMU in monitoring system show that the monitoring and recording results of sub-synchronous harmonics monitoring device and other torsion vibration monitoring protection device are basically same in processing and disturbance wave form．

sub-synchronous harmonic; PMU; monitoring system; wind farm

2016- 10- 18

自治區重點實驗室資助項目(2016D03021)；國家自然科學基金資助項目(51267017);國家高技術研究發展計劃資助項目(863計劃)(2013AA050604)

李自明(1989—),男,山東臨沂人,碩士研究生,研究方向為電力系統及其自動化．

TM712

A

0559- 9342(2017)05- 0086- 05