基于多維度功率振幅尋優的次同步振蕩控制策略研究

劉樹偉，姚秀萍，王海云，李自明，張海寧，張占鋒

(1.新疆大學電氣工程學院，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.國網浙江桐鄉市供電有限公司，浙江桐鄉314500；4.國網冀北電力有限公司承德供電公司，河北承德067000；5.國網安徽省電力有限公司安慶供電公司，安徽安慶246000)

近年來，高比例的風電并網改變電力系統的規劃和運行的同時，也給電網的安全與穩定帶來了一定的影響[1]。諸如，2015年7月1日以直驅風電機組為主的哈密某風電匯集群出現次同步振蕩[2](SSO)，首次出現了風電產生頻率變化的次同步電流在多個不同電壓等級的交流系統中傳播，最終導致200 km以外的直流送出配套火電機組軸系扭應力繼電器保護啟動，引起花園電廠三臺火電機組跳閘。

鑒于我國網架的與電網接線方式的不同，風電機組控制參數不同及多種電力電子裝置接入，導致西北和華北地區振蕩機理[3]亦不同。為此，本文通過次同步振蕩振蕩源判定及振蕩相關因素分析，提出了多維度功率振幅尋優的次同步振蕩控制策略，并將該控制策略嵌入到現有穩控三合一裝置。通過哈密地區風電場現場試驗以驗證該控制策略的準確性與有效性。

1 次同步振蕩源的判定與振蕩因素分析

1.1 次同步振蕩源的判定

目前，國內外學者提出了許多振蕩源定位方法[4- 5]，包括基于行波的定位方法、阻尼轉矩法、模態振型法等。表1對這些方法的名稱、原理和優缺點進行了分析。

表1 振蕩源判定方法

中國曾多次發生次同步振蕩事故，次同步振蕩起始于某一個誘因，繼而引發多頻率的局部振蕩模式，接著附近的其它機組跟進參與，隨著振蕩的持續，更大范圍內的機組參與，逐漸演變為一個區域電網與交流聯系的其它電網的次同步振蕩模式[8]。振蕩發生、發展的過程非常短暫，是一種機電能量波的傳播過程，期間伴隨著切機、甩負荷的發生，我將其稱之為“滾雪球效應”。

圖1為新疆哈密地區次同步振蕩數據分析，由圖可以看出有功功率和無功功率即按照“滾雪球效應”呈現出振蕩不斷增大模式。

圖1 新疆哈密地區次同步振蕩數據分析

利用“滾雪球效應”的時間先后順序與頻率特征，通過同步監測就可以找到最先產生振蕩的某個支路(振蕩源)，只要及時解列振蕩源，就能平息振蕩。本文根據“滾雪球效應”時間先后順序切除振蕩源方法，提出了根據線路振蕩相對幅度大小，切除次同步振蕩的多維度功率振幅尋優的次同步振蕩控制策略。

1.2 引起次同步振蕩的相關因素分析

(1)風機的逆變器或變流器產生75～85 Hz間諧波電流分量，與電壓中的基波分量相乘產生了25～35 Hz有功功率次同步分量，切除部分風電，振蕩消失。

(2)風電場所在的局部電網在該頻率段阻抗低，缺乏電壓支撐，呈現“弱阻尼”現象，為間諧波提供向外傳播通路。

(3)風電場裝設的SVG由于響應速度快，放大倍數高，對75～85 Hz間諧波電流分量起到顯著放大作用(達基波的10倍以上)。

(4)發電機組并聯在換流站交流母線上，25～35 Hz的有功功率次同步振蕩與機組的扭振蕩模式2、3的振蕩頻率接近，引發機組軸系在某一軸系扭振頻率共振。

2 多維度功率振幅尋優的次同步振蕩控制策略及實現方案

現階段，尚未有針對次同步振蕩的有效控制方法[7]，本節針對次同步振蕩提出了基于多維度功率振幅群尋優的次同步振蕩控制策略。其總體原則為：結合次同步振蕩監測[8]方法，當監測到次同步振蕩且呈現增幅振蕩時，根據線路振蕩相對幅度大小，切除次同步振蕩最嚴重區域，消除與隔離次同步振蕩。

下面通過新疆哈密典型風電匯集區域電網結構(圖2)說明多維度功率振幅群尋優的次同步振蕩控制策略。

圖2 典型風電匯集區域的電網結構示意

圖3 次同步振蕩控制裝置部署

圖2中有2個風電匯集站A與B，且呈輻射狀連接若干風電場，裝設控制裝置的A、B經級聯接于220 kV變電站C，其控制策略為：首先，監測各風電場110 kV出線以及變電站之間220 kV級聯線路的功率振幅特征。其次，計算各監視支路的功率振幅即

Pk=Pmax-k-Pmin-k

(1)

式中，Pmax-k、Pmin-k分別為第k條支路有功功率最大值與最小值。在各輪控制對象里，通過設置不同輪次的動作時間和門檻值，對功率振幅的大小進行排序，對時間和空間進行多維度控制，實現控制對象的動態尋優。第一輪在A、B內選擇功率振幅最大的一個風電場切除。第二輪比較A、B內風電場的功率振幅之和，切除功率振幅大匯集站內的所有風電場。第三輪切除A、B下屬的所有風電場(即A1～A4、B1～B3)。若A1為振蕩源，那么控制裝置會在第一輪切除A1；若A1～A4都為振蕩源，并且每條風電場輸電線路的振幅都不大，不滿足第一輪動作條件，但滿足第二輪動作條件，則需切除A1～A4；若所有風電場均為振蕩源，并且每條風電場線路的振幅都不大，不滿足第一輪動作條件，也不滿足第二輪動作條件，但滿足第三輪動作條件，則切除所有風電場。

3 哈密地區風電場現場試驗

3.1 次同步振蕩安全控制裝置部署情況

目前，在哈密220 kV山北變以及麻黃溝等風電匯集站部署有次同步監測及控制裝置如圖3所示。本文將基于多維度功率振幅群尋優的次同步振蕩控制策略嵌入到現有穩控裝置PCS- 992(由次同步振蕩檢測裝置PCS- 987T、及功率振蕩檢測裝置PCS- 993和穩控裝置構成)，通過所在匯集站穩控裝置切除望洋臺、望洋臺西、望洋臺東下屬風電場的110 kV進線。

圖4 PCS992錄波波形

圖3中山北變部署穩控裝置PCS- 992；麻黃溝東風電匯集站通過增加板卡的方式，將PCS- 987T裝置與原有功率振蕩檢測裝置PCS- 993進行了融合；此外，圖3中其余風電匯集站通過增加板卡的方式，將PCS- 993、PCS- 987T裝置融合進現有穩控裝置PCS- 992。

3.2 次同步振蕩事件概況

2016年4月18日2:48望洋臺東具備次同步及功率振蕩檢測功能的穩控裝置PCS992振蕩第一輪動作，切除建望東風一線，損失風電出力100 MW。并詢問南湖電廠、花園電廠、綠洲電廠，機組運行正常。

3.3 裝置動作情況

圖4可以看出，動作前220 kV塘望東線功率振幅在100 MW左右，達到功率振蕩動作定值；110 kV建望東風一線的功率振幅在20 MW左右，達到動作定值，其他風電線路功率振蕩幅值也在動作定值附近。由于110 kV振蕩次數定值較小，建望東風一線最先達到定值，故振蕩第一輪切除了建望東風一線。從波形中可以看出切除建望東風一線后振蕩平息。另外，通過仿真復現的形式模擬了這一故障，220 kV側輸電線路的功率曲線如圖5所示。

經圖5分析表明，2 s時刻PCS- 992穩控裝置啟動，切除110 kV建望東風一線，次同步振蕩消失，系統保持穩定運行狀態。從而證明了，嵌入多維度功率振幅群尋優的次同步振蕩控制策略的穩控裝置動作的準確性。

圖5 220 kV側輸電線路的功率曲線

3.4 次同步分析結果

對相關廠站長錄波數據進行頻譜分析，發現電網電流中存在22.8、77.3 Hz左右的間諧波分量如表2所示。從以上數據可以看出：

(1)220 kV線路中，塘望東線間諧波含量最高，哈山雙線也有較明顯的間諧波分量，可以推斷出一部分間諧波通過哈山雙線向外傳播。煙墩地區的風電匯集線路煙莊線和煙潤線間諧波現象明顯。

(2)220 kV線路中，塘望東線的間諧波絕對量最大，是其他220 kV風電線路的幾十倍，初步判斷是本次振蕩的振蕩源。

4 結 論

本文通過哈密地區風電場現場試驗，得出以下結論：

(1)嵌入多維度功率振幅群尋優的次同步振蕩控制策略的穩控裝置能夠正確的切除次同步振蕩線路，防止次同步振蕩事故的發生。

(2)由廠站長錄波數據進行頻譜分析220 kV線路中間諧波含量關系，可以推斷出部分間諧波傳播路徑。并根據間諧波絕對量最大，初步斷出本次振蕩的振蕩源。

表2 220 kV線路電流簡諧波含量