新能源匯集區(qū)域次同步振蕩控制防線的研究與應(yīng)用

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(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830002； 2.國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

新疆具有得天獨厚的風(fēng)能、太陽能資源，具備大規(guī)模開發(fā)的條件。近年來，隨著國家對新能源建設(shè)的大力推進(jìn)，新疆風(fēng)電、光伏呈井噴式發(fā)展，已成為新疆第二、第三大電源。但是受限于風(fēng)能資源與負(fù)荷中心的逆向分布，大規(guī)模新能源發(fā)電普遍采用“集中式開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”的發(fā)展模式。新能源匯集系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電場、光伏電站多為輻射型連接,匯集線路較長,并且少有或沒有負(fù)荷接入,末端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單一、短路電流水平低，其實質(zhì)是一個弱聯(lián)接送端電網(wǎng)[1-3]。同時新能源發(fā)電特性區(qū)別于常規(guī)電源，一是新能源均需通過電力電子裝置實現(xiàn)與大電網(wǎng)相聯(lián)；二是新能源自身無法向系統(tǒng)提供無功功率，需要依賴外接動態(tài)無功補償裝置，實現(xiàn)并網(wǎng)點無功電壓支撐，導(dǎo)致大量的電力電子裝置應(yīng)用于電網(wǎng)引起次同步振蕩問題無法避免[4-6]。如何防止和解決新能源匯集區(qū)域次同步振蕩對電網(wǎng)的影響，提高清潔能源送出的能力及可靠性已成為當(dāng)前新能源送出系統(tǒng)必須解決的問題，也是電網(wǎng)企業(yè)需要著重關(guān)注的重要方面。

下面對風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩的機(jī)理進(jìn)行了研究，并對相關(guān)影響因素進(jìn)行了深入的分析。結(jié)合現(xiàn)階段對次同步振蕩機(jī)理的認(rèn)識以及現(xiàn)有的電網(wǎng)防御體系，從運行方式調(diào)整、風(fēng)機(jī)發(fā)電模式及風(fēng)電場SVC/SVG的控制、功率振蕩控制、次同步振蕩功率控制4個方面，建立了新能源匯集區(qū)域次同步控制防御體系，提出了基于機(jī)組模態(tài)頻率的次同步振蕩控制系統(tǒng)，并結(jié)合某次次同步振蕩案例分析，驗證了次同步控制體系的正確性。

1 風(fēng)電并網(wǎng)次同步振蕩的機(jī)理

目前電網(wǎng)常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要為雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)，兩者均需通過電力電子變換器件與系統(tǒng)相連。由于電網(wǎng)內(nèi)部電氣諧振、電力電子裝置的快速動作、非特征次諧波等原因的影響，引發(fā)電網(wǎng)中含有某一頻率的電氣參量加大，從而導(dǎo)致次同步振蕩發(fā)生。

1.1 雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)次同步振蕩的機(jī)理

雙饋異步風(fēng)機(jī)經(jīng)過箱式變壓器-升壓變壓器-輸電線路-串補并入系統(tǒng)。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)串補并網(wǎng)

當(dāng)DIFG定子存在次同步電流時，風(fēng)機(jī)有功將產(chǎn)生與該次同步頻率互補的振蕩分量，風(fēng)機(jī)采集到的瞬時功率和電流都將發(fā)生變化，對于兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子電流的dq軸分量將發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子側(cè)控制器感受到該變化后會調(diào)節(jié)機(jī)側(cè)變頻器RSC的電壓Ur，Ur的變化會反作用于轉(zhuǎn)子電流，同時感應(yīng)定子電流，產(chǎn)生新的次同步電流。若新的次同步電流與原始次同步電流疊加，二者相位差小于90°，則原始次同步電流被助增，形成一個閉環(huán)，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電控制引起的次同步振蕩不穩(wěn)定

1.2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)次同步振蕩的機(jī)理

直驅(qū)風(fēng)機(jī)通過全功率變流器并網(wǎng)的示意圖如圖3。雙饋風(fēng)機(jī)因為定子和電網(wǎng)直接相連，網(wǎng)側(cè)次同步電流可以通過感應(yīng)進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)子回路。直驅(qū)風(fēng)機(jī)由于通過全功率AC/DC/AC變頻器和電網(wǎng)相連，風(fēng)機(jī)軸系難以和電氣量直接耦合，即使接入串補系統(tǒng)，也不會發(fā)生類似感應(yīng)電機(jī)效應(yīng)的次同步振蕩。但直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)濾波器可能在電網(wǎng)的某種高次背景諧波下形成諧振回路，進(jìn)而使得風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)產(chǎn)生高頻的諧振。

圖3 永磁直驅(qū)同步機(jī)組并網(wǎng)

2 產(chǎn)生次同步振蕩的影響因素

通過對大量的次同步振蕩事故分析，次同步振蕩的頻率范圍較寬，主要集中分布在7～85 Hz頻率范圍內(nèi)，有7 Hz、25 Hz、30 Hz、75 Hz等多個頻率段，且動態(tài)漂移，存在次同步、超同步兩種頻帶，振蕩分布如圖4所示。

由于振蕩頻率發(fā)散漂移、振蕩區(qū)域動態(tài)轉(zhuǎn)移變化，次同步振蕩源可能不止一個區(qū)域。系統(tǒng)多種擾動可能激發(fā)次同步振蕩。風(fēng)電大發(fā)、小發(fā)、正常發(fā)電均可能出現(xiàn)振蕩，出力大振蕩頻率低，出力小振蕩頻率高。

圖4 次同步振蕩曲線

2015年9月3日哈密地區(qū)次同步及超同步諧波分布如圖5所示。

圖5 次同步及超同步諧波分布

通過分析：次同步諧波與超同步諧波同時存在；超同步諧波分量大于次同步諧波分量；風(fēng)電場周圍線路的次同步及超同步諧波含量較多，隨著線路功率的傳輸及電壓等級的升高，諧波含量減少；振蕩頻率呈動態(tài)漂移的趨勢，穿透能力強，能穿越多個電壓等級。

三塘湖750 kV變電站投運后，望陽臺東220 kV變電站取代麻黃溝東220 kV變電站成為振蕩幅值最大的地點，諧波含量減少，主要是頻率為25 Hz和75 Hz附近的諧波。三塘湖750 kV變電站投運后，發(fā)現(xiàn)存在幅值較大的諧波通過三塘湖地區(qū)傳至哈密地區(qū)，次同步振蕩傳播方向如圖6所示。

通過對大量次同步振蕩數(shù)據(jù)分析，影響新能源匯集區(qū)域發(fā)生次同步振蕩的因素主要有以下4個方面：

1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與風(fēng)機(jī)接入系統(tǒng)方式及規(guī)模。新能源匯集區(qū)域風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模較大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱，風(fēng)電場串供經(jīng)長距離接入電網(wǎng)，風(fēng)電匯集點的短路容量較小，風(fēng)電上網(wǎng)匯集點短路比較小，不利于風(fēng)電上網(wǎng)穩(wěn)定運行。

圖6 次同步振蕩傳播方向

2)風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)控制模式。通過試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)分析，次同步振蕩的諧波與風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)控制模式及控制參數(shù)有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但需要進(jìn)一步驗證。

3)SVC、SVG裝置類型及控制模式。經(jīng)多次對SVC、SVG進(jìn)行現(xiàn)場和仿真試驗后發(fā)現(xiàn)，次同步諧波與SVC、SVG的裝置類型、控制模式及控制參數(shù)均有一定關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4)網(wǎng)源運行方式。經(jīng)多次現(xiàn)場試驗后發(fā)現(xiàn)，多次次同步振蕩存在一定的不確定性和偶然性因素，但也表明振蕩與網(wǎng)源及系統(tǒng)運行方式等多因素有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 次同步振蕩控制防線的構(gòu)建

為隔離次同步振蕩諧波，減小次同步諧波的進(jìn)一步放大對交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)的影響，提出了融合機(jī)組模態(tài)頻率(或機(jī)組扭振保護(hù)啟動信號)的控制防線，保證次同步控制系統(tǒng)的靈敏性和可靠性。

3.1 電網(wǎng)運行方式調(diào)整

新能源匯集區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱，系統(tǒng)短路電流水平以及抗擾動能力較低。為了提升新能源匯集區(qū)域短路電流容量，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行前提下，調(diào)整運行方式，采用電磁環(huán)網(wǎng)運行，增加次同步振蕩傳播路徑來提高末端電網(wǎng)與系統(tǒng)的電氣聯(lián)系，提升系統(tǒng)短路容量，從而緩解了次同步振蕩問題。

3.2 風(fēng)機(jī)機(jī)端無功控制方案優(yōu)化措施

針對風(fēng)機(jī)自身無功調(diào)節(jié)引起的波動問題，將哈密山北地區(qū)所有風(fēng)電場風(fēng)機(jī)功率因數(shù)均設(shè)置為恒功率因數(shù)1的模式，保證風(fēng)機(jī)在運行過程中機(jī)端無功出力恒為0，優(yōu)化含風(fēng)電場、風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場匯集站、直流系統(tǒng)及220 kV交流系統(tǒng)在內(nèi)的統(tǒng)一無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，避免由于風(fēng)機(jī)在有功波動過程中造成風(fēng)機(jī)無功出力的波動，從而引發(fā)風(fēng)電場次同步振蕩。

3.3 SVC/SVG無功控制方案優(yōu)化措施

針對風(fēng)機(jī)出力較小時會引起誤判誤調(diào)整對次同步諧波的放大問題，優(yōu)化風(fēng)電場及風(fēng)電匯集站的SVC、SVG動態(tài)無功補償裝置的動態(tài)無功控制策略，增加了延時閉鎖功能。

調(diào)整了哈密山北地區(qū)省、地電壓控制曲線，優(yōu)化了哈密山北地區(qū)動態(tài)補償裝置SVC、SVG的投運方式，將具有抑制功能的3套SVG投入自動方式，其余SVC、SVG均投入固定(電容器、電抗器)補償模式。調(diào)整了動態(tài)無功補償設(shè)備反饋模式。針對風(fēng)電場及匯集站SVG、SVC的控制參數(shù)靈敏度過大和響應(yīng)性過快問題，縮小了放大倍數(shù)；針對動態(tài)無功補償設(shè)備反饋信號抗波動性弱的問題，增加了電流反饋采集回路，調(diào)整SVC、SVG的控制母線由高壓改為低壓，降低SVC、SVG的頻繁響應(yīng)。

通過改變SVC、SVG比例系數(shù)與積分時間常數(shù)降低對并網(wǎng)點電壓造成的影響。圖7分別展示的是K=10，T=0.002;K=5，T=0.002；K=10，T=0.004時的影響情況。

圖7 并網(wǎng)點電壓影響

3.4 次同步振蕩功率控制

根據(jù)現(xiàn)有的穩(wěn)控系統(tǒng)構(gòu)建次同步振蕩控制系統(tǒng)，如圖8所示：當(dāng)監(jiān)測到的次同步頻率滿足直流配套火電機(jī)組扭振保護(hù)啟動頻率判據(jù)后，通過功率振蕩幅值和振蕩次數(shù)判據(jù)，分輪實現(xiàn)對各相關(guān)振蕩風(fēng)電場的切除功能；當(dāng)監(jiān)測到的聯(lián)絡(luò)線功率滿足啟動判據(jù)后，通過振蕩幅值和振蕩次數(shù)判據(jù)，分輪實現(xiàn)對各相關(guān)振蕩風(fēng)電場的切除功能；當(dāng)系統(tǒng)振蕩頻率接近15.9 Hz、26.7 Hz、30.76 Hz 3個頻率值時，分輪實現(xiàn)對各相關(guān)振蕩風(fēng)電場的切除功能，達(dá)到隔離次同步振蕩、防范次同步振蕩頻率的漏監(jiān)。

圖8 次同步振蕩控制系統(tǒng)

目前電網(wǎng)發(fā)生次同步振蕩時，常用的手段為切除并網(wǎng)風(fēng)電來平息振蕩。為了更早發(fā)現(xiàn)并消除振蕩，采取風(fēng)機(jī)自主切機(jī)，盡量減小切機(jī)范圍，減小對電網(wǎng)的功率擾動：第1輪，切除單個站內(nèi)最大的風(fēng)電場；第2輪，比較多站振幅，切除單個匯集站全部風(fēng)電；第3輪，全網(wǎng)按比例切除風(fēng)電。依據(jù)次同步振蕩控制系統(tǒng)，制定了次同步振蕩控制策略，控制策略分為啟動判據(jù)和確認(rèn)判據(jù)，如式(1)至式(5)所示。

啟動判據(jù)：|Pk-Peqv|>Psetqd

(1)

確認(rèn)判據(jù)：dPk=Pmaxk-Pmink

(2)

dPk≥Psetzd

(3)

Tsetmin≤Tk≤Tsetmax

(4)

Nk≥Nsetzd

(5)

4 實例分析

2016年某次次同步振蕩實例：望洋臺東風(fēng)電匯集站次同步振蕩兩輪動作，全切望洋臺東風(fēng)電，損失430 MW；風(fēng)電切除后花園電廠3號機(jī)組模態(tài)2啟動(1號、2號、4號機(jī)組停備)，17:15模態(tài)2幅值

0.409 rad/s。圖9為2016年某次次同步振蕩分布結(jié)果。

對從三塘湖地區(qū)傳播到天山換流站的次同步諧波電流進(jìn)行了分流，南湖電廠和綠洲電廠次同步電流均較小，花園電廠次同步電流較大，傳播路徑和分流影響因素較多。通過事故分析可以看出，所提出的次同步振蕩控制系統(tǒng)能正確動作，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

5 結(jié) 語

新能源匯集地區(qū)產(chǎn)生的次同步振蕩問題影響因素較多、機(jī)理復(fù)雜，為保證新能源匯集區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，基于新疆電網(wǎng)實際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及穩(wěn)控系

圖9 次同步振蕩分布

統(tǒng)，建立了次同步振蕩控制防線，可有效隔離次同步振蕩。通過研究得出以下結(jié)論:

1)目前電網(wǎng)發(fā)生次同步振蕩時，常用的手段為切除并網(wǎng)風(fēng)電來平息振蕩。為了更早發(fā)現(xiàn)并消除振蕩，采取措施實現(xiàn)風(fēng)機(jī)自主切機(jī)，并在更小范圍內(nèi)切除機(jī)組，減小對電網(wǎng)的功率擾動，需建立風(fēng)電機(jī)組的次同步監(jiān)測與控制。

2)為了盡快掌握次同步振蕩機(jī)理，需進(jìn)一步加強新能源仿真模型的研究，提高仿真的精度。

3)需要結(jié)合電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、新能源機(jī)組及動態(tài)無功補償設(shè)備，進(jìn)一步優(yōu)化運行方式及運行參數(shù)，從源頭緩解次同步振蕩。